3.1.1. Устройство и условия работы автоклавов

Автоклавы представляют собой горизонтальный сосуд (рис. 3.1) диаметром 2000, 2600, 3600 мм и длиной до 40000 мм, снабженный одной или двумя быстросъемными крышками. Обрабатываемые материалы загружают в автоклав на вагонетках, для чего автоклав снабжен рельсовым путем. У автоклавов (тупиковых), имеющих быстросъемную крышку, загрузку и выгрузку материалов производят с одной стороны. В автоклавах (проходных) с двумя быстросъемными крышками загрузку осуществляют с одной стороны, а выгрузку - с противоположной.

Работа автоклавов осуществляется циклично; продолжительность цикла определяется видом обрабатываемых материалов и параметрами используемого пара. Известно, что повышение давления насыщенного пара влечет сокращение времени автоклавной обработки материалов, в связи с чем уменьшается продолжительность цикла и увеличивается производительность труда.

Циклический характер работы автоклавов связан с периодически изменяющейся нагрузкой на металл корпуса и крышек. При этом нагрузка определяется воздействием внутреннего давления, весом обрабатываемых материалов и температурными напряжениями, обусловленными неравномерным температурным полем по поперечному сечению корпуса.

Напряжения в стенках автоклава действуют при температуре до 170-200 °С (в зависимости от рабочего давления), которая также изменяется циклически. Величина суммарных напряжений возрастает в местах их концентрации (по контуру приварки опорного уголка, в зоне перехода от цилиндрической обечайки к фланцу, в местах неплавных переходов от корпуса к усилению сварного шва, глубоких непроваров, подрезов). Она существенно возрастает при защемлении опор, в случае прогиба корпуса из-за просадки фундаментных опор, а также из-за увеличения разницы температур более 45 °С между верхней и нижней образующими корпуса автоклава.

Рис. 3.1. Устройство горизонтального тупикового (а) и проходного (б) автоклава: 1 - корпус автоклава; 2 - крышка; 3 - гидропривод открывания - закрывания крышки; 4 - гидропривод поворота байонетного кольца; 5 - байонетное кольцо

Таким образом, оболочка автоклава может работать в области напряжений, значительно превосходящих расчетные и при стечении обстоятельств, даже превосходящих предел текучести в отдельных точках. Последнее подтверждается данными тензометрирования и анализом причин появления пластических деформаций и нарушения прочности оболочек.

Исследованиями установлено, что напряжения в стенках автоклава от веса обрабатываемых материалов соизмеримы с напряжениями от внутреннего давления. Напряжения от неравномерности температурного поля определяются разностью температуры по толщине стенки автоклава, определяемой скоростью прогрева (охлаждения) при пуске его в работу (или при останове), а также разностью и законом распределения температур между отдельными его частями. Определяющее значение здесь имеет перепад температур между верхней и нижней образующими корпуса, хотя не следует упускать из вида и возможную разность температур между другими элементами, например между рельсами и корпусом.

Выполнение рельсового пути приваренным к подрельсовым опорам в ряде случаев явилось причиной образования трещин в сварных соединениях опор с корпусом автоклава вследствие повышенных напряжений, обусловленных разностью температур между ним и рельсами. Возникновение напряжений вследствие разности температур объясняется следующим. Под действием температуры при отсутствии жесткой связи между отдельными элементами длина их изменяется в соответствии с законом линейного расширения. В случае разницы температур между наружной и внутренней поверхностями стенки или между верхней и нижней образующими корпуса наиболее нагретые слои стремятся удлиниться на большую величину, чему препятствуют менее нагретые слои. В результате получается, что элементы, имеющие температуру выше соседних, испытывают напряжения сжатия, а в более холодных элементах возникают напряжения растяжения.

Величина этих напряжений зависит от разности температур в детали и в упругой области может быть определена по формуле:

где - коэффициент линейного расширения; Е - модуль упругости; - градиент температуры; - коэффициент Пуассона.

Приведенное выражение для стали 15К, из которой изготовляют автоклавы, в диапазоне температур 20-200 °С примет вид (= 0,27, Е = 2,1МПа при 20 °С, Е = 1,99МПа при 200° С, = 12,6при 20-200 °С):

МПа.

Подставив значение градиента температуры (перепада температур), можно оценить влияние температурной неравномерности на общее напряженное состояние. При этом надо иметь в виду, что напряжения в металле от неравномерности температурного поля в расчете на прочность автоклава не учитываются.

Снижение температурного перепада может быть достигнуто своевременной очисткой автоклава от загрязнений, обеспечением непрерывного отвода конденсата и поддержанием тепловой изоляции в исправном состоянии.

Наличие температурного перепада между верхом и низом связано с неодинаковыми линейными удлинениями и определяемым ими изгибом корпуса в сторону поверхности с большей температурой. Циклически повторяясь, изгибные деформации ведут к возникновению в корпусе усталостных трещин. Это можно проиллюстрировать следующим примером. На заводе ЖБИ проходные автоклавы были установлены на открытом воздухе с размещением в помещении только загрузки. Тепловая изоляция находилась в неудовлетворительном состоянии, автоклавы наполовину были завалены отходами строительных материалов, подвижные опоры их защемлены. При загрузке и выгрузке автоклавов не уделялось внимания исключению в них сквозняков, приводящих к повышенной температурной неравномерности, особенно в зимнее время. После непродолжительной эксплуатации в таких условиях при очередном техническом освидетельствовании инспектором котлонадзора в стенках шести автоклавов были обнаружены трещины. Принятыми мерами удалось предотвратить возможные аварии с тяжелыми последствиями.

Особенностью эксплуатации автоклавов является также и то, что подаваемый для пропарки материалов пар при конденсации растворяет соли, содержащиеся в сырце. Химический анализ автоклавного конденсата свидетельствует о его щелочном характере. Щелочность конденсата колеблется в широких пределах (). В конденсате отмечено наличие анионов ОН, Сl, SiO, NO, SOи др., что предопределяет протекание процессов электрохимической коррозии в слабом растворе щелочи при высокой температуре. Электрический ток возникает между анодными и катодными участками; анодом является стенка автоклава, а катодами - химически менее активные включения. Разность потенциалов возникает при контакте неоднородных металлов, а также между различными структурными составляющими одного и того же металла. Это говорит о том, что коррозионные повреждения металла автоклавов являются типичным эксплуатационным дефектом.

Кроме того, щелочной характер конденсата вызывает растрескивание металла по границам зерен. При наличии в зоне скопления конденсата локальных дефектов (подрезы, чрезмерные усиления по высоте в сварных швах, царапины от троса и т. п.), являющихся концентраторами напряжений, а также повышенных напряжений в корпусе автоклава от действующих нагрузок, в щелочной среде возникает межкристаллитная коррозия (каустическая хрупкость). Наличие ее установлено исследованиями, выполненными Московским высшим техническим училищем им. Баумана (в настоящее время - МГТУ).

При осмотрах автоклавов, в которых обрабатываются изделия на базе вяжущего и песка, содержащих стимуляторы коррозии (например, хлор или сульфат или их сочетание) даже в незначительных количествах, в металле обнаруживаются язвы и разъедания пятнами. Хлор-ионы и сульфаты в отличие от щелочей образуют видимые на поверхности (после удаления из углублений продуктов коррозии черного цвета) глубокие язвы или плоскодонные каверны, или то и другое. Растворы, содержащие хлор-ионы, сильно понижают усталостную прочность сталей и тем сильнее, чем выше концентрация хлор-иона. Хлориды вызывают питтинговую коррозию в виде отдельно расположенных глубоких язв, плотность расположения которых со временем увеличивается. Наличие в металле растягивающих напряжений неизменно ведет к постепенному перерождению округленного питтинга в коррозионную трещину. Коррозионный питтинг служит концентратором напряжения.

Совершенно противоположное действие вызывают сульфат-ионы; они повышают устойчивость металла к коррозионному растрескиванию. Как стимуляторы коррозионного процесса сульфид- и сульфат-ионы практически полностью устраняют анодную поляризуемость стали. Оба они облегчают катодный процесс. Так, на автоклавах одного из заводов в присутствии сульфат-ионов поверхность металла в межрельсовой части была изрыта сплошными, без промежутков, плоскодонными кавернами глубиной до 5-7 мм. По своему внешнему виду это напоминало растворение стали в кислоте. Однако трещин в межрельсовой зоне, как показала техническая диагностика, не обнаружено.

Если отдельно расположенные язвы, вызванные действием хлора, распространяются в основном в глубь металла, то поражения от действия сульфата распространяются по площади. Присутствие ионов сульфата подавляет действие хлора. Если соотношение ионов сульфата к хлору превышает 5, то трещин не образуется.