第一章 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)

1、 概 述劉 豐化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程概況o 總學(xué)時(shí)：36o 教 材：刁玉瑋，王立業(yè)編著，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)（第六版），大連理工大學(xué)出版社參考書(shū)籍o工程材料 閆康平 化學(xué)工業(yè)出版社 2001o壓力容器材料實(shí)用手冊(cè) 潘家禎化學(xué)工業(yè)出版社 2000o化工容器及設(shè)備 卓 震 中國(guó)石化出版社 1998o化工設(shè)備設(shè)計(jì) 聶清德 化學(xué)工業(yè)出版社 1991o鋼制壓力容器 GB150-1998o壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局o化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 潘永亮 科學(xué)出版社o化工安全工程 蔡鳳英 科學(xué)出版社課程的目的o 按照化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)的要求，提高化工設(shè)備的選擇、計(jì)算與設(shè)計(jì)能力o 熟悉化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)基

2、本的零部件o 熟悉化工設(shè)備材料選擇的原則o 了解常用化工設(shè)備的基本構(gòu)造o 提高繪制化工工藝流程圖、設(shè)備流程圖、設(shè)備裝配圖與車(chē)間布置圖的能力，為今后課程設(shè)計(jì)與畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ)課程的地位與作用o 化工與化學(xué)的差別主要在于：前者偏重于理論，后者在意加強(qiáng)工程意識(shí)o 作為化學(xué)工程與工藝的學(xué)生，認(rèn)真學(xué)習(xí)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)課程對(duì)于培養(yǎng)工程意識(shí)有著重要的實(shí)踐意義。o 對(duì)于“五一”以后的課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)以及今后的工作有著直接的指導(dǎo)意義機(jī)械設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容o 化工設(shè)備 機(jī)械設(shè)計(jì)：材料、強(qiáng)度、剛度 外形設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)、連接、進(jìn)料、出料 標(biāo) 準(zhǔn) 件：零部件、軸承、螺桿、螺帽 非 標(biāo) 件o 化工設(shè)備的選擇本課程主要內(nèi)容

3、o 化工設(shè)備材料及其選擇o 容器設(shè)計(jì)的基本知識(shí) o 內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析 o 內(nèi)壓薄壁賀筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì) o 外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì) o 容器零部件 o 典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì) 考核方式o 平時(shí)成績(jī)（30%）（課堂考勤+課堂提問(wèn)）o 期末成績(jī)（70%）第一章 化工設(shè)備材料及其選擇o 化工設(shè)備概述o 材料的機(jī)械性能o 材料的物理化學(xué)性能o 金屬材料的分類(lèi)與牌號(hào)o 碳鋼與鑄鐵o 特種鋼、有色金屬與非金屬o 化工設(shè)備防腐及防腐措施o 化工設(shè)備選材的原則化工設(shè)備概述o 設(shè)備材料選擇的重要性與復(fù)雜性化工生產(chǎn)自身的特點(diǎn)：1、生產(chǎn)的連續(xù)性強(qiáng)2、生產(chǎn)的條件苛刻l 介質(zhì)的腐蝕性強(qiáng) l 溫度和壓力變化大l 介質(zhì)

4、大多易燃易爆有毒性l 生產(chǎn)原理的多樣性l 生產(chǎn)技術(shù)含量高化工生產(chǎn)對(duì)化工設(shè)備的基本要求：化工生產(chǎn)對(duì)化工設(shè)備的基本要求：（一）安全性能要求。n 足夠的強(qiáng)度n 良好的韌性n 足夠的剛度和抗失穩(wěn)能力n 良好的抗腐蝕型n 可靠的密封性（二）工藝性能要求。n 達(dá)到工藝指標(biāo)n 生產(chǎn)效率高、消耗低（三）使用性能要求。n 結(jié)構(gòu)合理、制造簡(jiǎn)單n 運(yùn)輸與安裝方便n 操作、控制、維護(hù)簡(jiǎn)便（四）經(jīng)濟(jì)性能要求o 設(shè)備的分類(lèi)1、按設(shè)計(jì)壓力分類(lèi) 低壓容器 0.1 MPap1.6 MPa。中壓容器 1.6 MPap10.0 MPa。高壓容器 10.0 MPap100 MPa。超高壓容器 p100 MPa。o 按作用原理分： 反

5、應(yīng)容器 換熱容器 分離容器 儲(chǔ)運(yùn)容器o 按工作溫度分：低溫容器 設(shè)計(jì)溫度：-20（深冷和淺冷）常溫容器 設(shè)計(jì)溫度：-20200中溫容器 設(shè)計(jì)溫度：200 450 （介于高溫與常溫之間）高溫容器 設(shè)計(jì)溫度：450（在壁溫達(dá)到材料蠕變溫度下工作的容器，對(duì)碳素鋼或低合金鋼，溫度超過(guò)420 ，合金鋼超過(guò)450 ，奧氏體不銹鋼超過(guò)550 ）o 4、按壁厚分類(lèi) n薄壁容器 K=D0/Di1.2n厚壁容器 K=D0/Di 1.2p7、按幾何形狀分類(lèi) 圓柱形、球形、橢圓形、錐形和矩形等p5、按支承形式分類(lèi) 立式和臥式p6、按材料分類(lèi) 金屬和非金屬o 按安全技術(shù)管理分類(lèi)o 選材的基本要求 有足夠的力學(xué)性能； 具

6、有良好的加工性能； 具有良好的耐腐蝕性能； 經(jīng)濟(jì)合算； 其它各種性能符合設(shè)計(jì)要求；材料的性能（力學(xué)性能力學(xué)性能，物理性能，化學(xué)性能和加工工藝性能）o 基本概念o 應(yīng)力（Stress）:單位面積上所承受的力 按照載荷(Load)作用形式不同，應(yīng)力又可： 拉伸、壓縮、扭曲和扭轉(zhuǎn)o 應(yīng)變（Strain）：幾何形狀和尺寸的變化 力學(xué)性能o 定義：材料在外力(或外加能量)作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行為，包括變形和抗力，即在外力作用下不產(chǎn)生超過(guò)允許的變形或不被破壞的能力。 硬硬度度強(qiáng)強(qiáng)度度塑塑性性韌韌性性1.強(qiáng)度o 定義：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。1.1 屈服點(diǎn)o 在外力不再增加，仍發(fā)

7、生明顯塑性變形o 開(kāi)始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象時(shí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，MPa；o 金屬或合金一般很少有明顯的屈服現(xiàn)象，而高分子材料一般具有明顯的屈服現(xiàn)象；o 條件屈服點(diǎn) ：發(fā)生0.2%殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力s0.2s常溫拉應(yīng)力下常溫拉應(yīng)力下20號(hào)鋼的拉抻試驗(yàn)號(hào)鋼的拉抻試驗(yàn) l0=10d0l0= 5d0或或從開(kāi)始加載到發(fā)生斷裂所從開(kāi)始加載到發(fā)生斷裂所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強(qiáng)度。做抗拉強(qiáng)度。 開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱(chēng)為力，稱(chēng)為“屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)”s ss s sbo 影響屈服點(diǎn)大小的因素o 內(nèi)在因素l結(jié)合鍵l組織結(jié)構(gòu)l原子本性o 外在因素l溫度：溫度升高，屈服點(diǎn)下降l應(yīng)變速

8、率：應(yīng)變速率升高，屈服點(diǎn)升高1.2 拉伸強(qiáng)度o 材料發(fā)生斷裂時(shí)所能達(dá)到的最大應(yīng)力值（抗壓、抗彎、抗剪）；o 屈強(qiáng)比 ：反映了材料塑性?xún)?chǔ)備的一個(gè)指標(biāo)由于一般，屈強(qiáng)比一般小于1 。 /sbo 屈強(qiáng)比越大，屈服點(diǎn)與抗拉強(qiáng)度逾接近，塑性?xún)?chǔ)備越小， 這是有可能發(fā)生脆性斷裂，如木棒；o 屈強(qiáng)比越小，屈服點(diǎn)逾小于拉伸強(qiáng)度，這時(shí)塑性?xún)?chǔ)備越大， 但是材料的強(qiáng)度往往得不到充分的發(fā)揮，如竹條，銅制品。1.3 蠕變no 在一定應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象o 發(fā)生蠕變的時(shí)間根據(jù)材料而定：舉例o 蠕變強(qiáng)度：材料抵抗蠕變現(xiàn)象發(fā)生的能力； 有兩種表達(dá)蠕變強(qiáng)度的方法：l達(dá)到某一蠕變速率的應(yīng)力值l達(dá)到某一總變形的應(yīng)力值1.4

9、持久強(qiáng)度o 在給定溫度下，促使材料經(jīng)過(guò)一定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力o 在化工容器用鋼中，設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命一般為十萬(wàn)小時(shí)o 持久強(qiáng)度是一定溫度和一定應(yīng)力下材料抵抗斷裂的能力。在相同的條件下，能支持的時(shí)間越久，則該材料抵抗斷裂的能力也越大。1.5 疲勞強(qiáng)度o 很多構(gòu)件經(jīng)常受到大小及方向變化的交變載荷，這種交變載荷使金屬材料在應(yīng)力還遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“疲勞”。金屬在無(wú)數(shù)次交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力，稱(chēng)為“疲勞極限”；o 實(shí)際上不可能進(jìn)行無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，一般以十萬(wàn)至百萬(wàn)次循環(huán)試驗(yàn)作為疲勞強(qiáng)度；o 影響金屬疲勞強(qiáng)度的因素主要有：合成成分，表面狀態(tài)、組織結(jié)構(gòu)、夾雜物多少與分布狀況、應(yīng)力集中情況。2. 塑性o 定義：在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。2.1 延伸率 式樣受力拉斷后，總伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度之比的百分率%100%100000lllllKKl延伸率愈大，材料的塑性愈好l由于式樣的總伸長(zhǎng)為均勻伸長(zhǎng)與局部縮頸伸長(zhǎng)，故延伸率 與式樣尺寸有關(guān)2.2 斷面收縮率o式樣受力拉斷后，斷面縮小的面積與原始面積之比的百分率。%100%100