化工設備材料【高教知識】

1、第七章 化工設備材料及其選擇,1,全面分析,概述,化工設備的使用環(huán)境,化工設備處在極其復雜的操作條件下運行，合理的選用和使用材料是設計化工設備的重要環(huán)節(jié),壓力：真空低壓中壓 高壓超高壓 溫度：低溫中溫高溫 介質：腐蝕性；有毒；易燃；劇毒。 制造：經過冷、熱加工成型；焊接,2,全面分析,概述,本章學習的要求,掌握材料的性能，影響材料性能的因素以及改變材料性能的方法和途徑； 掌握金屬材料的分類及牌號，化工設備常用金屬材料：碳素鋼、鑄鐵、低合金鋼及特種鋼的牌號、性能以及選用。 了解有色金屬材料、有機非金屬材料的種類及應用。 了解化工設備的腐蝕與防護措施,3,全面分析,7.1 金屬材料的性能,4,全面

2、分析,力學性能,力學性能是指金屬材料在外力作用下抵抗變形或破壞的能力，如強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。這些性能是化工設備設計中材料選擇及計算時決定許用應力的依據(jù),5,全面分析,低碳鋼的拉伸試驗,A0為試件的原始截面積,l0為試件的初始標距,6,全面分析,材料強度的衡量指標以材料在達到允許的變形程度或斷裂前所能承受的最大應力來表示,屈強比：s/ sb 屈強比小，表明材料具有較大的塑性儲備,強度及其主要指標 固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變形或斷裂的特性。 例如： 容器爆裂； 管道破裂; 地腳螺栓拉斷; 爐管爆裂； 強度不夠,7,全面分析,蠕變”現(xiàn)象： 高溫高壓的蒸汽管道下?lián)献冃危?高溫高壓下

3、法蘭及螺栓蠕變變形而泄漏； 鉛絲在常溫下受重力作用而變長變細。 “蠕變強度”： 材料在高溫下，抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力，以sn 表示，單位MPa,8,全面分析,持久強度（sD,定義：在一定溫度下，經過一定時間斷裂時的應力，以sD 表示，單位MPa 。 -是一定溫度和一定載荷下，材料抵抗斷裂的能力。 材料抵抗斷裂的能力越大，在相同的條件下，能支持的時間越久。 規(guī)定：化工設備設計壽命一般為十萬小時，所以用試件在十萬小時斷裂時的應力作為持久強度,設備的 設計壽命,9,全面分析,疲勞強度,構件或零件受到大小和方向變化的交變載荷作用，應力遠小于屈服點就斷裂 疲勞。 “疲勞極限”構件或零件在交變載荷作用

4、下不致斷裂的最大應力。表示符號：-1 (MPa)。 例如： 頻繁開、停車容器內壓力或溫度波動； 活塞式壓縮機壓縮氣體容器及管道內壓力波動； 離心泵頻繁開停機或震動泵軸受力成交變式,10,全面分析,塑性及其主要指標,金屬的塑性：外力作用下產生塑性變形，而不破壞的性質。 因塑性不足引起材料破壞的例子： 鍛件裂紋; 卷板裂紋; 焊縫熱影響區(qū)裂紋,11,全面分析,主要指標,1) 延伸率（,12,全面分析,2）斷面收縮率（y,如：純鐵的延伸率為50%， 20R的d5不小于25% ； 16MnR的d5不小于21%； 1Cr18Ni9Ti的d5不小于40,13,全面分析,3）冷彎性能,室溫下對試板以一定的內

5、半徑（R=0.53板厚）進行彎曲，a=1200或1800 ，是否出現(xiàn)裂紋或起層。 -是鋼材塑性指標和冶金質量的綜合指標,14,全面分析,塑性指標的實際意義,便于成型加工和焊接。如彎卷、鍛壓、冷沖、焊接等； 使構件在承載后由于變形而避免發(fā)生斷裂。 壓力容器及其零件都需要具備這個性質,15,全面分析,硬度的概念,金屬材料表面抵抗其它硬物壓入的能力。 硬度高材料強度也高，耐磨性較好； 綜合性能指標,布氏硬度試驗示意圖,常用硬度指標： 布氏硬度（HBS); 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC); 維氏硬度（HV)等,硬度和強度間有一定關系： 如：低碳鋼sb36HBS,用硬度計測量,16,全面分析,沖擊韌

6、性及指標（Ak,材料在外加動載荷作用下的一種吸收機械能，迅速塑性變形，抵抗斷裂的能力,沖擊韌性值的試驗確定,17,全面分析,擺錘沖斷試樣所失去的位能為沖擊功（試件所吸收的功）： Ak =G(H1-H2) 焦耳 ！吸收功的高低取決于 材料能否迅速塑性變形的能力,沖擊韌性與塑性的區(qū)別： 材料的沖擊韌性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其沖擊韌性不一定高。 靜載荷下能夠緩慢塑性變形的材料，在動載荷下不一定能迅速塑性變形。 本質區(qū)別在于材料在動載荷作用下是否能夠迅速發(fā)生塑性變形，吸收沖擊能量,18,全面分析,脆性材料的k值遠低于塑性材料的k值,塑性金屬當溫度達到冷脆溫度時，k值驟然下降，因此化工設備中

7、，低溫容器所用鋼板的k值不得低于30J/cm2,銅合金、鋁合金及含鎳較高的鎳合金，無k突變的臨界溫度,19,全面分析,缺口敏感性,在帶有一定應力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴展的能力。 韌性范疇靜載荷下抵抗裂紋擴展的性能。 沖擊韌性？ 是動載荷作用下抵抗裂紋擴展的能力,20,全面分析,物理性能,密度，熔點，線膨脹系數(shù)，導熱系數(shù)，比熱容，電阻率，磁導率，彈性模量，泊桑比等。 化工設備設計與制造主要考慮的物理性能： 線膨脹系數(shù) 異種鋼焊接收縮率不同，引起變形或損壞； 復合鋼板（如不銹鋼與碳鋼)熱變性不同,容器殼體將會？ 設備襯里（如碳鋼殼體內噴涂鋁）熱變性不同時？ 固定管板式換熱器的管子與殼體線

8、膨脹量相差過大，將會？ 碳鋼表面電鍍一層銅升溫后會,21,全面分析,彈性模量E與泊桑比,彈性模量E：金屬材料對彈性變形抗力的指標，是衡量材料產生彈性變形難易程度的。 隨著溫度升高而降低。 泊桑比：拉伸試件的單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。 各種鋼材近乎為 =0.3,22,全面分析,23,全面分析,化學性能,金屬材料所處介質中的化學穩(wěn)定性，即是否會與介質發(fā)生化學或電化學反應，產生腐蝕。 主要考慮的化學性能： 1.耐腐蝕性對介質侵蝕的抵抗能力,金屬和合金對周圍介質，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性,化工生產中所涉及的物料，常會有腐蝕性。材料的耐蝕性不強，必將影響設備使用壽命，有時

9、還會影響產品質量,24,全面分析,耐腐蝕性不是材料固有不變的特性,它隨材料的工作條件而改變,腐蝕裕量 化工設計中，為彌補因工作期間被介質腐蝕掉的金屬厚度，事先附加到設計尺寸上去，從而加大計算出來的零件直徑或壁厚，這部分增加的量為腐蝕裕度,25,全面分析,26,全面分析,在化工生產中，有很多設備和機械是在高溫下操作的，如氨合成塔、硝酸氧化爐、石油氣制氫轉化爐、工業(yè)鍋爐、汽輪機等。 在高溫下，鋼鐵不僅與自由氧發(fā)生氧化腐蝕，使鋼鐵表面形成結構疏松容易剝落的FeO氧化皮；還會與水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等氣體產生高溫氧化與脫碳作用，使鋼的力學性能下降，特別是降低了材料的表面硬度和抗疲勞強度。因此，高溫

10、設備必須選用耐熱材料,2.抗氧化性在熱加工的高溫條件下抵抗氧化性介質氧化的能力。氧化性介質如水蒸氣、CO2 、SO2等,27,全面分析,金屬材料的工藝性能,可焊性能母材及焊劑熔融狀態(tài)的流動性、凝固收縮率、熱塑性等； 鑄造性能流動性、凝固收縮率等； 可鍛性能抗熱裂性、抗氧化性、熱塑性等； 切削加工性能 熱處理性能,加工性能,28,全面分析,看容器加工工藝制造壓力容器的材料須具備什麼性能,鋼板校平,卷筒,焊后矯圓,壓制封頭,煨制彎管,組對與焊接,29,全面分析,7.2 金屬材料的分類及牌號,30,全面分析,分類,黑色金屬 生鐵 鋼,按化學成分,按質量分,31,全面分析,按冶煉方法分,按用途分,32

11、,全面分析,有色金屬,33,全面分析,鋼鐵牌號及表示方法,1.牌號的表示原則 依據(jù)國家標準GB221-2000,牌號中 化學元素化學符號或漢字表示； 產品用途、冶煉和澆鑄方法漢字或漢語拼音字母表示。 例如：沸騰鋼F或沸 灰口鑄鐵HT或灰鐵 鑄鋼ZG 鍋爐鋼g或鍋 容器鋼R或容,34,全面分析,2.鋼號表示法,例：優(yōu)質碳素鋼,普通碳素鋼,35,全面分析,低合金鋼 16MnR 16含碳量0.16%； Mn合金元素； R 容器鋼。 特殊性能鋼 1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分數(shù)）； Cr,Ni主要合金元素； 18含鉻量18%； 9 含鎳量9,36,全面分析,7.3 鐵碳合金及金屬的熱處理,3

12、7,全面分析,概述,鐵碳合金是鐵和碳組成的合金，是由95以上的鐵和0.054的碳及1左右的雜質元素所組成,38,全面分析,鐵碳合金的組織結構,金屬的組織結構,在金相顯微鏡下看到的金屬的晶粒，簡稱組織,用電子顯微鏡，可以觀察到金屬原子的各種規(guī)則排列。這種排列稱為金屬的晶體結構,純鐵在不同溫度下具有兩種不同的晶體結構，即體心立方晶格與面心立方晶格,塑性較好,強度較高,39,全面分析,鐵碳合金的組織結構,鐵,910以下，純鐵為體心立方晶格稱a-Fe 910以上，純鐵為面心立方晶格稱為g-Fe,同素異構轉變,固態(tài)下鐵原子重新排列,40,全面分析,鐵碳合金的組織結構,碳,C在Fe中的存在形式有固溶體（兩

13、種或兩種以上的元素在固態(tài)下互相溶解，而仍然保持溶劑晶格原來形式的物體）、化合物和石墨三種。這三種不同的存在形式，形成了不同的碳鋼組織,C溶解在Fe的晶格中形成固溶體,41,全面分析,鐵碳合金的組織結構,C與Fe形成化合物滲碳體,鐵碳合金中的碳不能全部溶入a-Fe或g-Fe中，其余部分的碳和鐵形成一種化合物（Fe3C），稱為滲碳體,性質： 硬，脆：Fe3C熔點約為1600，硬度高(約HB800)，塑性幾乎等于零。 在一定條件下可以分解：游離石墨+鐵,滲碳體的作用：少量滲碳體散布在鐵素鐵中（總含c量2%）成為碳素鋼。提高了強度和硬度，可軋制成鋼材,42,全面分析,鐵碳合金的組織結構,例如：碳鋼,當

14、C2.11%時，加熱到高溫亦不能形成單一的奧氏體，不適于進行熱壓加工。通常，將C=2.11%作為鋼和鑄鐵的分界,43,全面分析,鐵碳合金的組織結構,C以石墨狀態(tài)單獨存在,當C2.11%時，鑄鐵：鐵素體滲碳體石墨,石墨本身性軟，且強度很低。分布在鑄鐵中的石墨，相當于在合金基體（鐵素體滲碳體）中挖了許多孔洞，所以鑄鐵的抗拉強度和塑性都比碳鋼低,但由于石墨的存在，使鑄鐵具有良好的切削加工性，耐磨性，消振性和鑄造性，并具有較大的抗壓強度，因此常作承壓構件,44,全面分析,鐵碳合金的組織結構,鑄鐵中石墨有不同的組織形貌，其中球狀石墨的鑄鐵稱球墨鑄鐵，它的強度最高；細片狀石墨次之；粗片狀石墨最差,45,全

15、面分析,鐵碳合金的組織結構,碳鋼的基本組織,鐵素體,奧氏體,滲碳體,珠光體珠光體是鐵素體與滲碳體的機械混合物。其力學性能介于鐵素體和滲碳體之間，即其強度、硬度比鐵素體顯著提高；塑性、韌性比鐵素體差，但比滲碳體要好得多,46,全面分析,鐵碳合金的組織結構,萊氏體萊氏體是珠光體和初次滲碳體的共晶混合物。萊氏體具有較高的硬度，是一種較粗而硬的金相組織，存在于白口鑄鐵、高碳鋼中,馬氏體馬氏體是鋼和鐵從高溫急冷下來的組織，是碳原子在a-Fe中過飽和的固溶體。馬氏體具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，幾乎不能承受沖擊載荷,47,全面分析,48,全面分析,鋼的熱處理,鋼的性能取決于鋼的組織結構，要改善鋼的機械

16、性能，必須改變鋼的組織結構,鋼的組織結構既和它的化學成分有關，又與鋼材經歷的加熱和冷卻過程有關,熱處理以消除鋼材的某些缺陷或改善鋼材的某些性能為目的，將鋼材加熱到一定溫度，在此溫度下保持一定時間，然后以不同的速度冷卻下來的一種加工工藝,49,全面分析,鋼的熱處理,熱處理工藝實例： 縫紉用鋼針在火上燒，再慢慢冷下來后變軟； 建筑用鐵線用火燒軟； 泵軸調質內韌外硬； 扁鏟淬火提高硬度和韌性 ； 容器焊后退火消除內應力；,50,全面分析,1）常用熱處理工藝,緩慢加熱，保溫一定時間后 隨爐冷卻（曲線1） - 退火； 空氣中冷卻（曲線2）-正火 ； 作用：降低硬度，增加塑性，改善機械性能； 使組織均勻化

17、，消除內應力。 【注】加熱溫度為臨界點（鋼的內部組織發(fā)生轉變的溫度) 以上3050,容器焊縫處產生內應力嗎,51,全面分析,緩慢加熱，保溫一定時間 淬火劑中冷卻（曲線3）； 淬火劑: 水，鹽水-用于 碳鋼； 油-用于合金鋼。 作用：提高硬度、強度和耐磨性,淬火,52,全面分析,淬火后再進行一次較低溫度的加熱與冷卻。 作用：消除內應力，穩(wěn)定組織，滿足技術要求。 回火又分為： 低溫回火（150250 ）； 中溫回火（300450 ）； 高溫回火（500680,回火,53,全面分析,54,全面分析,淬火+高溫回火 稱為調質處理。 效果：強度、塑性、韌性均提高 。 要求碳含量在0.3%0.5%之間,5

18、5,全面分析,2）化學熱處理 -將零件放在化學介質中進行 加熱-保溫-冷卻的過程。 使零件表面改性。 方式：滲碳，滲氮，滲鉻，氰化等,56,全面分析,7.4 碳素鋼,57,全面分析,碳鋼中雜質對其性能的影響,錳(Mn) 來源在冶煉過程中加入錳鐵。 作用鋼材中錳含量高于0.8%時，即為合金元素存在提高強度。是有益元素。 硫(S) 來源礦石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用FeS 的熔點低于鋼材熱加工開始溫度， 它過早熔化，導致工件開裂，稱為熱脆性。 有害元素,58,全面分析,磷(P) 來源礦石。 作用溶于鐵素體，使鋼材常溫下脆性增加，塑性、韌性下降，即所謂“冷脆性”。 有害元素！ 氫(H) 來源

19、鋼由高溫奧氏體冷至常溫時，氫的溶解度降低，來不及到鋼的表面逸出而積聚，并產生高壓力，在鋼材內產生“白點”。 “白點”裂紋源 有害元素,59,全面分析,碳鋼的分類、牌號,普通碳素鋼 含P、S等有害雜質較多（S0.055% P0.045%) 常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F #Q235-B, # Q235-C, Q275 (參見表1-6） 式中 Q普通碳鋼，“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈服點（MPa) A,B,C,D鋼材質量等級，越后越高。 F沸騰鋼 #GB150-98規(guī)定使用材料,60,全面分析,優(yōu)質碳素鋼,特點：含硫、磷等雜質較少，均0.04%，雜質少，組織均勻

20、，表面質量好。 常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 數(shù)字-含C量的萬分數(shù); g -鍋爐鋼； R -容器鋼； Mn -含錳元素約1,GB150-98規(guī)定使用材料,高級優(yōu)質鋼 磷硫雜質極少 P,s含量0.03%。 表示法：如20A,61,全面分析,碳鋼的性能,力學性能,62,全面分析,碳鋼的性能,制造工藝性能,63,全面分析,碳鋼的性能,耐腐蝕性,耐蝕性較差，在鹽酸、硝酸、稀硫酸、醋酸、氯化物溶液及濃堿液中均會強烈腐蝕,碳鋼在濃硫酸中由于出現(xiàn)鈍態(tài)，因此耐蝕性較好。例如：用濃硫酸吸收三氧化硫的吸收塔可用碳鋼制造,濃度小于30%的稀堿溶液，可使碳鋼表面生成不溶

21、性的氫氧化鐵和氫氧化亞鐵保護膜，所以在溫度不高的稀堿液中耐蝕,64,全面分析,碳鋼的性能,性能的不足之處,強度較低，屈強比較低,耐蝕性較差,使用溫度范圍較窄，高溫強度低，無法滿足某些工藝過程所提出的高溫或低溫的要求,65,全面分析,7.5 合金鋼及特種鋼,66,全面分析,概述,為改善鋼材性能，在碳鋼中特意熔合某些合金元素所得的鋼，統(tǒng)稱為合金鋼。 常用合金元素有：Cr、Mn、Ni、Si、B、W、Mo、V、Ti等,67,全面分析,鉻：耐腐蝕抗氧化； 提高了強度硬度和耐磨性； 使鋼材的韌性和塑性降低。 錳：提高強度和低溫沖擊韌性。 鎳：提高淬透性，保持良好塑性和韌性； 提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性；

22、提高熱強性能。 硅：提高強度、高溫疲勞強度、耐熱性、耐H2S腐蝕； 降低了塑性和沖擊韌性,合金元素對鋼的影響,68,全面分析,低合金鋼,合金元素與鋼號,合金元素有：Mn、 V、 Nb、 Cr、 N、Mo，(1%) (25,鋼號,16Mn：含C量0.16%，含Mn量1.5,09Mn2V：含C量0.09%，含Mn量1.41.8%，含V量0.040.1,注意：鋼號上得含量與實際標準的規(guī)定的含量有所不同,69,全面分析,相對于碳素鋼，其性能特點： 強度提高； 耐腐蝕性能提高； 低溫性能提高,碳素鋼與低合金鋼比較,70,全面分析,用途： 廣泛用于造船，壓力容器，橋梁，高壓鍋爐，汽車，礦山機械，農業(yè)機械等

23、。 常用材料： 16MnR，15MnVR,18MnMoNbR, 16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR,71,全面分析,鍋爐鋼和容器鋼,1.工作環(huán)境： 鍋爐：中溫或高溫；中壓或高壓。 容器：壓力；溫度；介質腐蝕；操作特點。 2.對材質要求： 1）較高的強度； 2）良好的塑性、韌性和冷彎性能； 3）較低的缺口敏感性； 4）良好的焊接性能和其他工藝性能； 5）良好的冶金質量,72,全面分析,3.常用的材料,鍋爐鋼 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。 容器鋼（GB150-1998 鋼制壓力容器推薦） Q235-B，Q235-C; 20R; 16MnR，15Mn

24、VR，15MnVNbR，18MnMoNbR。 4.標準： 壓力容器用鋼板GB6654-1996 壓力容器用碳素鋼和低合金厚鋼板YB/T40-87,73,全面分析,不銹耐酸鋼,不銹-耐大氣腐蝕； 耐酸-耐酸及強腐蝕性介質的腐蝕。 鉻不銹鋼-如1Cr13, 2Cr13, 0Cr13等。 第一個數(shù)字-含碳量的千分數(shù)見表1-5(1-4）； Cr13-含鉻13%。 組織成分：鉻固溶于鐵素體的晶格中形成固溶體,不銹”的原因： 在氧化性介質中，鉻能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜，對鋼材起保護作用,74,全面分析,性能特點： 碳的作用-與鉻生成碳化鉻(Cr23C6)，消耗大量的鉻。為保證耐腐蝕性能，不銹鋼中碳含量

25、越低越好,鉻的作用： 能提高耐腐蝕性能。實際鉻不銹鋼的平均含鉻量13%。 能提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，而塑性、韌性降低。 用作受載荷大的耐蝕零件，如軸類，活塞桿、螺栓、浮閥等,75,全面分析,鉻鎳不銹鋼,常用鉻鎳不銹鋼型號:0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti 式中 0-含碳量的千分數(shù)；（見表1-5） Cr18-含鉻量18%左右； Ni9-含鎳量9%左右。 通常以鉻鎳平均含量“18-8”標志這種鋼。 組織特征：C、Cr、Ni固溶于奧氏體晶格中，是單一的奧氏體組織,76,全面分析,性能特點: 耐腐蝕性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜； 組織為單一的奧氏體，在電解液中不

26、能形成微電池，避免了電化學腐蝕。 力學性能優(yōu)異。見P298附錄五 在400850期間，碳生成碳化鉻在晶界析出，使晶界附近貧鉻（鉻含量低于12%）導致晶間腐蝕。 ！不能反復施焊，否則必須進行熱處理。 不耐氯離子腐蝕,77,全面分析,耐熱鋼,高溫環(huán)境-原油加熱、裂解、催化等。如轉化爐爐管，工作溫度為650800。 碳鋼使用溫度一般在400以下。 如20鋼 500時屈服點只有50MPa,變得很軟，鋼中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化過程）；同時鋼表面生成氧化皮，層層剝落。 碳鋼在高溫下強度和抗氧化性均下降,78,全面分析,高溫設備對材料的要求： 化學穩(wěn)定性。抵抗高溫氣體（O2、H2S、SO2 等)腐蝕

27、的能力。鋼的表面能生成致密的氧化膜。 抗氧化鋼抗高溫氧化，強度不高。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。 熱強性?？垢邷厝渥兡芰Α?熱強鋼抗蠕變，有一定抗氧化能力。 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等,79,全面分析,Cr提高抗氧化性，強化并穩(wěn)定金相組織。 Mo提高高溫強度，強化并穩(wěn)定金相組織，提高再結晶溫度。 Ni形成奧氏體組織，提高高溫強度和耐腐蝕性。 Ti穩(wěn)定金相組織，不銹鋼中能減少鉻與碳的化合。 Al,Si提高高溫抗氧化性，本身生成致密的氧化膜,合金元素的作用,80,全面分析,低溫用鋼,低溫環(huán)境天然氣液化、空氣分離、潤滑油脫脂、輕烴回收等。 普通碳鋼在低溫下（-20以下）變脆，沖擊韌性顯著下降,低溫用鋼的組織成分特點： 一般低溫（-40-20 )鋼含碳量很低的鐵素體組織，再加入適量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。 如：16MnDR，09MnNiDR