化工設(shè)備材料及其選擇(20211109202117)

1、第一章化工設(shè)備材料及其選擇第一節(jié)概述一、化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性-壓力從高真空到上百 MPa,故有強度要求，用例子解釋真空、高壓J 溫度 -250 C 2000 C,材料受冷、熱，熱脹冷縮，材料的物理性能的變化1、操作條件的限制J 介質(zhì) 酸堿等腐蝕、核反響堆中子照射變脆 ，有毒，易燃易爆等2、制造條件的限制設(shè)備在制造過程中，要經(jīng)過各種冷、熱加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、熱處理等，要求材料的加工性能要好。3、材料自身性能的限制如材料本身制造過程中的缺陷等二、選材要抓住主要矛盾，遵循適用、平安和經(jīng)濟(jì)的原那么。1材料品種應(yīng)符合我國資源和市場情況；2材質(zhì)純粹是指材質(zhì)本身的質(zhì)量，如有無裂紋等可

2、靠，能保證使用壽命；3要有足夠的強度，良好的塑性和韌性，對腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕；最重要便于制造加工，焊接性能良好；本錢低。第二節(jié)材料的性能一、力學(xué)性能也稱機(jī)械性能材料抵抗外力而不產(chǎn)生超過允許的變形或不被破壞的能力，叫做材料的力學(xué)性能。主要包括強度、塑性、韌性和硬度，這是設(shè)計時選用材料的重要依據(jù)。1、強度強度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。常用的強度指標(biāo)有屈服點和抗拉強度等。這里先簡單復(fù)習(xí)材料力學(xué)的知識，重點讓學(xué)生回憶做材料單向拉伸實驗的情況實例1常溫拉應(yīng)力下20號鋼的拉抻試驗有明顯塑性變形實例2高碳鋼T10A的拉伸試驗無明顯塑性變形1屈服強度屈服點匚s金屬材料承受載荷作用，當(dāng)

3、載荷不再增加或緩慢增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為 屈服發(fā)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力即開始出現(xiàn)塑性變形時的應(yīng)力，稱為 屈服點用 s MPa表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。條件屈服點C02 工程中規(guī)定發(fā)生 0.2%剩余伸長時的應(yīng)力，作為條件屈服點抗拉強度金屬材料在受力過程中，從開始加載到發(fā)生斷裂所能到達(dá)的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強度。由于外力形式的不同，有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度等。抗拉強度是壓力容器設(shè)計常用的性能指標(biāo)，蠕變極限6高溫比方：碳素鋼420 C,合金鋼450 C在一定應(yīng)力聯(lián)合作用下金屬將逐漸產(chǎn)生塑性變形。4持久強度OD5疲勞強度：材料在交變載荷作用下

4、，會在遠(yuǎn)低于材料本身的屈服點時就已經(jīng)斷 裂了，這種現(xiàn)象就是疲勞。我們把經(jīng)過106108次循環(huán)試驗而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，作為疲勞強度，用二表示。2 塑性可用橡皮舉例金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。塑性指標(biāo)是指金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。常用的指標(biāo)有延伸率-和斷面收縮率。注意：;是指試件受拉力斷裂后，總伸長長度與原始長度之比的百分率，其大小與試件尺寸有關(guān)；舉例力學(xué)做的實驗；試件長度為直徑的5倍或10倍。試件計算長度為試件直徑 5倍時，用-5表示匸試件斷裂后斷面縮小的面積與原始截面積之比的百分率，其大小與試件尺寸無關(guān)。3、韌性韌性是表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量

5、的能力，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。我們常用沖擊韌性來表示材料承受動載荷時抗裂紋的能力，用缺口敏感性表示材料承 受靜載荷時抗裂紋擴(kuò)展的能力。Ak或沖1沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用沖擊吸收功 擊韌度表示 a表示。沖擊功ak=GH 1-GH 2,而沖擊韌度 a= A k/F F為面積圖1-1沖擊試驗的標(biāo)準(zhǔn)試件2斷裂機(jī)理：沖擊試樣在受到擺錘突然打擊發(fā)生斷裂時，它的斷裂過程是一個裂紋發(fā)生和擴(kuò)展的過程。在裂紋向前開展的道路中，如果塑性變形能發(fā)生在它的前面，就可以制止裂紋的長驅(qū)直入。它要繼續(xù)開展，就需另找途徑，這樣就能消耗更多的能量。因此，沖擊吸收功的上下，決定于材料有無迅

6、速塑性變形的能力。3韌性與塑性：韌性是材料在外加動載荷突然襲擊時的一種及時和迅速塑性變形的能力。韌性高的材料，一般都有較高的塑性指標(biāo)；提問：但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因為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。2缺口敏感性也是通過試驗方法獲得，一般在油壓機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗，測定材料的缺口敏感性。4、硬度衡量材料軟硬的一個指標(biāo)一般用布氏硬度-HB，較軟；洛氏硬度-HRC較硬；維氏硬度-HV，另有顯微 硬度最硬的材料是金剛石?？傊诓牧系牧W(xué)性能所包括的強度、塑性、韌性、硬度四個指標(biāo)中，強度和塑性占 主導(dǎo)地位，但使用時要考慮溫度的變化。二、物理性

7、能主要有相對密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。1線膨脹系數(shù)特別對后續(xù)講的換熱設(shè)備等尤為重要，不同的鋼材在不同的溫度線膨脹系數(shù)不同。2、彈性模量E； -E ；，這個比例系數(shù)E稱為彈性模量，彈性模量是金屬材料對彈性變形抗力的指標(biāo)， 是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的，對不同材料，材料的彈性模數(shù)越大使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。對同一種材料，彈性模量E隨溫度的升高而降低。3、泊桑比-泊桑比是拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對于各種鋼材它近乎為一個常數(shù)，即J 0.3還有如熔點，限制了材料的使用溫度，又如導(dǎo)熱性好，不適宜作焊接等。三、化學(xué)性能主要指耐腐蝕

8、性和抗氧化性這局部應(yīng)該是同學(xué)們的強項，比機(jī)械類的同學(xué)更有優(yōu)勢。1耐腐蝕性：金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力。2、抗氧化性：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多設(shè)備，如各種工業(yè)鍋爐、 熱加工機(jī)械、汽輪機(jī)及各種高溫化工設(shè)備等，它們在高溫工作條件下， 不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣體介質(zhì)如水蒸氣，CO2、S02等的氧化腐蝕作用，因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì) 的含量對鋼的氧化是有一定影響的。書上10頁表1-3就介紹了幾種常用金屬材料在酸堿鹽類介質(zhì)中的耐腐蝕性能。黑i-i幾種制料在護(hù)同也廊和草度的堆“囂和it賣介質(zhì)中的用醛施K.£t醴fiLU化啊fL(

9、T)CV)(%1代4 V)(0Q©XX70300 需0師20和XX(«>【妙XXXX高欣喪Si-n>40<40<70BO10ft<120<05)3004)(10E»耳科100耐(25)<»)碟鋼XM詢(80-1M)20C70)XX33 尹010d12UXX的200XX16-6 St<&Q6(1)命5妁40«10)V妁«46>XXJOO慣250lOfl與他枯軌聒if 30)右即XXXXXX10300300XX(S03Q0J20(TO)K27)(55)旳站13XXXXXX<

10、;7S&O3 1XXXX(110)T*20300療535<10<4C|10Mft洼，此表中界出的赫倒耐吋鋰妁一駅數(shù)據(jù)J并表冠廿種堆蟲，需旅示律點/說'表示無和議BE +帯右弋 廠決岳尚耐閒囤帯噸迪産曲曲血年山詢丿華用帶飛 嚴(yán)蟲示用幡*腐竝連璽兩Em坪 以下，布符假設(shè)衣示不耐暦訥咲:1：盤用卜空口為無枚旌，四、加工工藝性能金屬和合金的工藝性能是指鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性、熱處理性能等。對于設(shè)計壓力容器最重要的兩個性能是：1良好的冷熱加工性能例A :用鋼板卷制筒體，如果不好會發(fā)生裂紋，存在事故的隱患。例B :沖壓封頭，微裂紋或宏觀裂紋，都會使以后的生產(chǎn)造成事故

11、。2、良好的焊接性能例：某工廠某容器焊縫裂紋擴(kuò)展，造成事故。四、物理性能主要有相對密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。1線膨脹系數(shù)特別對后續(xù)講的換熱設(shè)備等尤為重要，不同的鋼材在不同的溫度線膨脹系數(shù)不同。2、彈性模量E二二E ；，這個比例系數(shù)E稱為彈性模量，彈性模量是金屬材料對彈性變形抗力的指標(biāo)， 是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的，材料的彈性模數(shù)越大.使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。對同一種材料，彈性模量E隨溫度的升高而降低。3、泊桑比-泊桑比是拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對于各種鋼材它近乎為個常數(shù)，即： 0.3還有如熔點，限制了材料的使用溫度

12、，又如導(dǎo)熱性好，不適宜作焊接等。第三節(jié) 金屬材料的分類及牌號本節(jié)書上內(nèi)容較多，以講的為掌握、分類1金屬的分類煉鋼生鐵廠生鐵 V 鑄造生鐵I合金生鐵鋼廣銅及其合金V廠輕金屬及其合金 V其它有色及其合金 V純銅紫銅銅鋅合金黃銅銅錫合金錫青銅無錫合金鋁青銅等鋁及鋁合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鉛、錫及其合金鋅及其合金鎳、鈷及其合金2、鋼的分類詳細(xì)分類可見書上11頁鋼的分類，有四種不同的分類方法。大家一起來看看。平爐鋼 按冶煉方法分類彳轉(zhuǎn)爐鋼及I電爐鋼按化學(xué)成分分類<沸騰鋼和v鎮(zhèn)靜鋼L半鎮(zhèn)靜鋼低碳鋼含碳量<0.25%r碳累鋼=屮碳鋼£含碳量0- 25% 0,、高碳鋼含®tft

13、>0.6%>'低合金鋼一般合金元素總含量C5%酸性鋼堿性鋼I合金鋼中合金鋼合金元素總含還5-10%高合金鋼合金元索總含010%f普通鋼按質(zhì)量分類 < 優(yōu)質(zhì)鋼 高級優(yōu)質(zhì)鋼f惑筑鋼*結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼L合金結(jié)構(gòu)鋼按用途分類彈簧鋼軸祇鋼工具鋼特殊性能鋼如不銹鋼"耐熱鋼等我們著重介紹的是按化學(xué)成份來分類，也是我們選擇鋼材時的依據(jù)。、鋼鐵牌號及表示方法1牌號表示原那么牌號中化學(xué)元素用化學(xué)符號或漢字表示；如:1 鉻 13 或 1Cr13如: Q235FF-沸騰鋼 產(chǎn)品用途、治煉和澆注方法采用漢字或拼音字母并用的原那么。2、鋼號表示法目前制造壓力容器所用鋼材，一般有三大類別

14、：碳鋼、合金鋼、和特殊性能鋼，其中碳鋼又分為普通碳素鋼與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 普通碳素鋼新標(biāo)準(zhǔn)GB/T221-2000，把普通碳素鋼主要分為五大類，即Q195，Q215，Q235, Q255，Q275。壓力容器用碳素鋼鎮(zhèn)靜鋼板的適用范圍表鋼板牌號使用溫度'C設(shè)計壓力MPa殼體鋼板厚度mm其他限制Q235-B0350< 1.6< 20不得用于毒性程度為高度或極度危害介質(zhì)的壓力容器Q235-C0400< 2.5< 30 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 低合金鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼合金鋼是在碳素鋼的根底上參加少量合金元素，比方Si, Mn , Cu, Ti, V , Nb , P等，從而提高鋼的

15、強度、耐腐蝕性、低溫性能，如大型化工容器常用 16MnR 現(xiàn)牌號Q345R 來代替碳素鋼制造容器，可以在保證強度的情況下，使容器壁厚減少，從而節(jié)省鋼材30%45% 左右。 特殊性能鋼3知識擴(kuò)充特殊性能鋼主要指不銹耐酸鋼；不銹：指耐大氣腐蝕；耐酸：抗酸和其它強腐蝕介質(zhì)。不銹耐酸鋼根據(jù)合金元素的不同，分為三個大類。第一類鉻不銹鋼第二類鉻鎳不銹鋼第三類節(jié)鎳不銹鋼第四節(jié)化工設(shè)備的腐蝕及防腐、金屬的腐蝕1、定義：金屬與周圍介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。比方鐵生銹、鐵在酸中溶解等。2、分類：根據(jù)腐蝕過程中有無電流產(chǎn)生金屬腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕如氫腐蝕如晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕氫腐蝕:氫氣

16、在較低溫度和壓力v 200C,v 5.0MPa下對普通碳鋼及低合金鋼不會有明顯的腐蝕，但是在高溫高壓下那么會對它們產(chǎn)生腐蝕，結(jié)果使材料的機(jī)械強度和塑性顯著下降，甚至損壞，這種現(xiàn)象常稱為氫腐蝕。晶間腐蝕發(fā)生在晶界，晶粒之間結(jié)合力下降，與元素Cr的含量有關(guān)。典型實例：奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕450850 C, CrFe 23C6析出。敏化溫度區(qū)，焊接時緩慢加熱或是焊后熱處理。圖"22奧氐休不銹鋼的島間腐恤 應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的一種破壞形式。腐蝕與拉應(yīng)力起互相促進(jìn)的作用。亞曲木u軸軾押擴(kuò)瞬購區(qū)蔗ffl L'E3 應(yīng)力漆玻畸裂蛟護(hù)展噸女J&何岸護(hù)腆'、金屬設(shè)備的防腐措施1襯覆保護(hù)層2、電化學(xué)保護(hù)3、緩蝕劑第五節(jié)化工設(shè)備材料的選擇一、選材一般原那么1遵循標(biāo)準(zhǔn)：GB150-2021?壓力容器?，TSG R0004-2021?固定式壓力容器平安技術(shù)監(jiān)察規(guī)