第一章化工設(shè)備常用材料及其選擇

2023/2/6化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)

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化工生產(chǎn)和化工機(jī)械化工生產(chǎn)是以流體（氣體、液體、粉體）為原料，以化學(xué)處理和物理處理為手段，以獲得設(shè)計(jì)規(guī)定的產(chǎn)品為目的的工業(yè)生產(chǎn)。化工生產(chǎn)過程的決定因素：化學(xué)工藝過程化工機(jī)械裝備化工機(jī)械通常分為：化工設(shè)備（靜設(shè)備）

化工機(jī)器（動(dòng)設(shè)備）2023/2/6化工設(shè)備：

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2023/2/6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)的條件苛刻介質(zhì)的腐蝕性強(qiáng)；溫度和壓力變化大介質(zhì)大多易燃易爆有毒性生產(chǎn)原理的多樣性

2023/2/6本課程主要內(nèi)容：

1、化工設(shè)備材料及其選擇（第1章）

2、化工容器的設(shè)計(jì)（第2-6章）

1）內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的應(yīng)力分析及強(qiáng)度設(shè)計(jì)；

2）外壓圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)；

3）容器的零部件（法蘭開孔補(bǔ)強(qiáng)）。

3、典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)（第7-8章）

1）換熱器；

2）塔設(shè)備；

2023/2/6要求：

了解材料的各種性能，影響材料性能的因素，化工設(shè)備常用材料，學(xué)會(huì)根據(jù)工藝條件選用化工設(shè)備材料；

掌握薄壁容器筒體與各種封頭的強(qiáng)度、穩(wěn)定設(shè)計(jì)原則，掌握中、低壓容器的強(qiáng)度、穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法；

掌握容器零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和選用標(biāo)準(zhǔn)；

掌握列管式換熱器、塔設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械設(shè)計(jì)方法。2023/2/6本章重點(diǎn)：材料的力學(xué)性能及化工設(shè)備材料的選擇本章難點(diǎn)：鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)計(jì)劃學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)第1章化工設(shè)備材料及其選擇2023/2/61.1概述1.1.1化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性1、操作條件的限制壓力：從高真空到幾千大氣壓,故有強(qiáng)度要求溫度：-250℃～2000℃，材料受冷、熱介質(zhì)：酸堿（腐蝕）、易燃、易爆、毒性以及核反應(yīng)堆中子照射（變脆)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。2023/2/61.1概述1.1.2選用材料的一般要求

（1）材料品種應(yīng)符合我國資源和供應(yīng)情況；（2）材質(zhì)可靠，能保證使用壽命；（3）足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，對(duì)腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕；（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）成本低，經(jīng)濟(jì)上合算。

選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。2023/2/61.2材料的性能

材料的性能：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能物理性能：密度、熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)、電阻率、彈性模數(shù)、泊桑比等；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性工藝性能：指在保證加工質(zhì)量的前提下加工過程的難易程度。主要有：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能。2023/2/61.2材料的性能

1.2.1、力學(xué)性能

材料的力學(xué)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。

主要特征指標(biāo)：強(qiáng)度、塑性、彈性、韌性、硬度等一、強(qiáng)度強(qiáng)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。

2023/2/6拉伸試驗(yàn)

試樣按標(biāo)準(zhǔn)制備，然后將試件裝在材料試驗(yàn)機(jī)上，啟動(dòng)加力機(jī)構(gòu)，緩慢增加拉力P直至斷裂為止。

在加力過程中隨時(shí)記錄載荷P和相應(yīng)的變形量Δl的數(shù)值。同時(shí)還要注意觀察試件變形和破壞的現(xiàn)象。l0=10d02023/2/62023/2/6ε=Δl/l0σ=P/Fo低碳鋼單向拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線2023/2/61.2材料的性能

金屬材料的變形和破壞過程：（1）彈性變形階段（2）彈－塑性變形階段（3）斷裂斷裂的兩種形式：脆性斷裂：斷裂之前沒有明顯塑性變形階段的。（更危險(xiǎn)）韌性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形之后才發(fā)生斷裂的。2023/2/61.2材料的性能1、低碳鋼在外力作用下的變形和破壞過程強(qiáng)度極限σb屈服強(qiáng)度σs比例極限σp彈性極限σe……2023/2/6（1）彈性變形階段與虎克定律（Ob段）在彈性階段內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系E為彈性模量，其單位和應(yīng)力相同，如何理解彈性模量？……(1)(1)式稱為虎克定律，該定律也可用于受壓桿件，但符號(hào)為負(fù)2023/2/6（2）屈服階段（bc段）在此階段，曲線上升坡度變緩，在C點(diǎn)附近，應(yīng)力幾乎不變的情況下，試件的應(yīng)變量在增加，此時(shí)我們認(rèn)為材料對(duì)外力“屈服”2023/2/6屈服

金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，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”。屈服點(diǎn)（σs）

發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力．即開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為“屈服點(diǎn)”，用σs(MPa)表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。注：應(yīng)力不是力，是壓強(qiáng)。2023/2/6載荷不再增加，甚至有所降低時(shí)，試件還在繼續(xù)伸長(zhǎng)的最小載荷，N試件的原始橫截面積，m22023/2/6（3）強(qiáng)化階段(cd段)材料過了屈服點(diǎn)后，曲線又開始上升，曲線陡度變得十分平緩，這說明材料又具備較弱的抵抗形變的能力，稱強(qiáng)化階段特點(diǎn)：（1）大比例的塑性變形，少量的彈性變形；（2）所加拉力達(dá)到最大值2023/2/6（4）頸縮階段（df段）

當(dāng)載荷加到上述最大值后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在試件的某個(gè)部位直接突然變細(xì)，出現(xiàn)所謂的“頸縮”現(xiàn)象。f點(diǎn)為斷裂點(diǎn)2023/2/6

將從材料開始出現(xiàn)頸縮時(shí)的最高名義壓力表示為Pb，其反應(yīng)的是材料抵抗斷裂能力的大小。

抗拉強(qiáng)度（σb）

金屬材料在拉伸條件下，從開始加載到發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強(qiáng)度。2023/2/6

由于外力形式的不同，有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等?？估瓘?qiáng)度是壓力容器設(shè)計(jì)常用的性能指標(biāo)。

屈強(qiáng)比（σs/σb）：

屈強(qiáng)比越小，材料的塑性儲(chǔ)備越大，越不容易發(fā)生危險(xiǎn)的脆性破壞；屈強(qiáng)比越大，材料的強(qiáng)度水平發(fā)揮好，但塑性儲(chǔ)備越小。

2023/2/6（5）試件斷裂后的處理試件斷裂后，將其對(duì)接起來測(cè)出其長(zhǎng)度l1稱為標(biāo)距長(zhǎng)度，得出總伸長(zhǎng)量為（l1-l0），則

δ稱做材料的延長(zhǎng)率，其值是評(píng)價(jià)材料塑性好壞的一個(gè)指標(biāo)，為材料在斷裂前最大能夠經(jīng)受的塑料變形量。2023/2/62.其它材料的拉伸曲線

（1）無屈服階段塑性材料只有彈性和強(qiáng)化階段，沒有明顯的屈服階段，但有良好的塑性。σOεσ-ε曲線錳鋼鎳鋼青銅2023/2/6

無明顯屈服點(diǎn)的材料，工程中規(guī)定發(fā)生0.2％殘余伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力，作為“條件屈服點(diǎn)”，用σ0.2表示。σ-ε曲線σOε0.22023/2/6

在整個(gè)拉伸過程中無明顯塑性變形，無屈服無頸縮，拉到一定程度即突然斷裂。拉斷時(shí)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度極限σb

。（2）脆性材料σOεσ-ε曲線玻璃鋼灰鑄鐵σb是衡量脆性材料強(qiáng)度的唯一指標(biāo)。脆性材料σb很低，所以不宜作承拉件。2023/2/6壓縮試驗(yàn)（了解內(nèi)容）混凝土、石料、木材等非金屬材做成立方體。

金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取h=(1.5～3)d2023/2/6（1）塑性材料屈服前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與拉伸時(shí)重合（但越壓越扁，并不會(huì)壓潰，所以測(cè)不到強(qiáng)度極限）。所以塑性材料一般不作壓縮試驗(yàn)。壓縮拉伸2023/2/6（2）脆性材料

脆性材料在受壓縮時(shí)所顯示的力學(xué)性能的最大特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度限比抗拉強(qiáng)度限高出數(shù)倍

2023/2/63、溫度對(duì)材料機(jī)械性能的影響（1）溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響（短時(shí)靜載）短時(shí)、靜載：試驗(yàn)在短時(shí)間內(nèi)完成，載荷逐漸增加?？傏厔?shì)：溫度升高，E、s

、b下降，增大。2023/2/6

E×105MPa2.52.01.51.00.5μσ/MPaσbσsσp溫度對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響2023/2/6溫度對(duì)低碳鋼δ和ψ值的影響2023/2/6低溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響：

碳鋼、低合金鋼：強(qiáng)度（彈性、屈服點(diǎn)等）提高，脆性增加（延伸率δ↓），具有冷脆性（冷脆現(xiàn)象）。不銹鋼、銅、鋁等無此現(xiàn)象

化工容器中凡是在-20℃以下操作的容器，且容器壁應(yīng)力又達(dá)到材料常溫屈服極限的1/6時(shí)，定為低溫壓力容器，其選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等均有特殊要求。（自學(xué)內(nèi)容：第2章容器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)）2023/2/6（2）高溫對(duì)材料力學(xué)性能的影響（蠕變和應(yīng)力松弛）

1）蠕變：在高溫和長(zhǎng)期靜載作用下，即使構(gòu)件上的應(yīng)力不變，塑性變形卻隨時(shí)間而緩慢增加，直至破壞。注意：應(yīng)力沒增加，桿自己在變長(zhǎng)！P經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間后P加靜載2023/2/6蠕變：在高溫時(shí)，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象，或者金屬在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變速度：變形增長(zhǎng)的速度叫蠕變速度。蠕變條件：高溫；一定的應(yīng)力。蠕變變形是不可恢復(fù)的塑性變形。蠕變速率與應(yīng)力和溫度成正比。2023/2/6

蠕變極限的物理意義：反映材料在高溫條件下抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。

影響蠕變極限的因素：材料、溫度、變形速度蠕變極限σn：

通常把在某一高溫下，為使試件在10萬小時(shí)內(nèi)的塑性應(yīng)變值不超過1％，允許試件能承受的最高應(yīng)力值，稱為材料在該溫度、該蠕變速度條件下的蠕變極限。

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持久強(qiáng)度σD

：在一定高溫下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生斷裂所允許的最高應(yīng)力，稱為材料在該溫度下、該持續(xù)時(shí)間內(nèi)的持久強(qiáng)度限。

蠕變極限σn和持久強(qiáng)度σD都是材料的高溫強(qiáng)度指標(biāo)。2023/2/62）應(yīng)力松弛

應(yīng)力松弛：在一定的高溫下，構(gòu)件上的總變形不變時(shí)，彈性變形會(huì)隨時(shí)間而轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危ㄔ驗(yàn)槿渥儯瑥亩箻?gòu)件內(nèi)的應(yīng)力變小的現(xiàn)象。

實(shí)例：高溫容器法蘭聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）（第6章）

2023/2/6二、塑性

塑性是指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。常用的塑性指標(biāo)是延伸率（δ）和斷面收縮率（ψ）。1、延伸率（δ）2023/2/6

2、斷面收縮率（ψ）斷面收縮率與尺寸無關(guān)。延伸率和斷面收縮率越大，表示金屬材料的塑性越好。2023/2/61.2材料的性能三、硬度四、沖擊韌性五、缺口敏感性以上為課下自學(xué)內(nèi)容2023/2/61.2材料的性能1.2.2物理性能主要有相對(duì)密度、熔點(diǎn)、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、彈性模數(shù)E

σ=Eε,這個(gè)比例系數(shù)E稱為彈性模數(shù)，彈性模數(shù)是金屬材料對(duì)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(duì)同一種材料，彈性模數(shù)隨溫度的升高而降低。2023/2/62、泊桑比μdd1拉伸ε'為橫向線應(yīng)變研究表明在彈性階段桿件的橫向應(yīng)變?chǔ)?和軸向應(yīng)變?chǔ)胖鹊慕^對(duì)值是一個(gè)常數(shù)稱為橫向變形系數(shù)或者泊桑比，表示拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位軸向伸長(zhǎng)之比。

對(duì)于各種鋼材它近乎為一個(gè)常