化工設(shè)計課件-6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

化工設(shè)計課件-6壓力容器和化工設(shè)備常用材料第一頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

黑色金屬黑色金屬就是鋼鐵，是制造化工設(shè)備的主要材料，也是本章所授重點。有色金屬：銅、鋁、鉛、鈦、鎳等⑴銅特性：耐磨性較好，耐腐蝕性能較好，銅合金加工切削性較好。⑵鋁特性：密度低，耐腐蝕性好，強(qiáng)度低。二者價格較貴。⑶鉛特性：強(qiáng)度小，硬度低，導(dǎo)熱性差。⑷鈦特性：耐腐蝕性能優(yōu)。非金屬材料特性：優(yōu)點：耐腐蝕性好，品種多，資源豐富，適于因地制宜，就地取材。缺點：（1）導(dǎo)熱性?。ㄊ猓?）耐熱性不高，對溫度波動敏感（3）與金屬相比，強(qiáng)度低（玻璃鋼除外）鈦及其鈦合金

TA0,TA1,TA2,TA3力學(xué)性能見表6-32第二頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

2.金屬材料的一般性能化工設(shè)備常用材料是金屬材料，故本章討論金屬材料的一般性能。它包括：物理性能、機(jī)械性能、化學(xué)性能、工藝性能。(1)材料的物理性能材料的主要物理指標(biāo)指：密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熔點、線膨脹系數(shù)、彈性模量E等，材料在不同的使用場合中，對其物理性能有不同的要求。(2)材料的機(jī)械性能材料的機(jī)械性能是最重要的性能，主要指材料的彈性、塑性和強(qiáng)度。第三頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

彈性：材料在外力作用下變形，除去外力后，恢復(fù)原來形狀的性能。材料彈性常用彈性模量E表示。

脆性：與塑性相對應(yīng)的特性。如果材料還未發(fā)生相當(dāng)?shù)牡乃苄宰冃渭窗l(fā)生破壞，我們稱之為脆性，工程上將的材料為塑性材料，如碳鋼、黃銅、鋁合金，而把的材料稱為脆性材料，如灰鑄鐵、玻璃、陶瓷。

塑性：材料的塑性變形超過一定限度，材料就會出現(xiàn)裂紋或斷裂。在不斷裂或不出現(xiàn)裂紋的條件下，材料能經(jīng)受的最大塑性變形，叫做材料的塑性。

材料的塑性用延伸率δ和斷面收縮率表示。第四頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

強(qiáng)度：材料的強(qiáng)度是指它抵抗外力破壞的能力。

HB工程中，對材料機(jī)械性能的要求：高合金鋼強(qiáng)度和韌性都很好。第五頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

(3)材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能主要指它的耐腐蝕性。耐腐蝕性：材料抵抗周圍介質(zhì)對其腐蝕破壞的能力叫材料的耐蝕性?；どa(chǎn)中，腐蝕普遍存在。因此，在選用材料時，視工作條件（介質(zhì)、溫度、壓力）不同的情況下，分別選材。下面列舉幾個小例：a.鐵在干燥空氣中耐蝕性能優(yōu)于潮濕空氣。b.碳鋼在濃硫酸中耐蝕，在稀硫酸中不耐蝕。c.不銹鋼（耐酸鋼）耐蝕，在鹽酸中耐蝕差。d.銅在大氣中耐蝕，在氨溶液中不耐腐蝕。e.鋁、鉛非金屬材料耐蝕性好。在確定零件或設(shè)備尺寸時，應(yīng)考慮工作條件下被介質(zhì)腐蝕掉的金屬厚度事先加上去。即設(shè)計時加上腐蝕裕量，化工設(shè)備中即指C2值。第六頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

(4)材料的工藝性能又名加工性能，材料在加工方面的物理、化學(xué)和機(jī)械性能的綜合表現(xiàn)構(gòu)成了材料的工藝性能。材料的工藝性能主要指鑄造性、可焊性、可鍛性、切削加工性和熱處理性能。3.碳鋼與鑄鐵碳鋼與鑄鐵是常用的二種金屬材料。(1)碳鋼

合金：將一種元素與別的金屬元素混合所組成的混合物。

碳鋼與鑄鐵都是鐵與硫所組成的合金。所不同的是二者含碳量不同。鑄鐵的含碳量比碳鋼的含碳量高。含碳量小于2.11％為碳鋼，大于2.11％為鑄鐵。

第七頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

碳鋼中的強(qiáng)度隨著C含量的增加而增加（、），而塑性（、）隨著C含量的增加而下降。

鑄鐵中的碳超過了鐵所能溶解的限度，多余的部分以石墨的形式存在。石墨是種良好的潤滑劑，但是非常脆，強(qiáng)度小。因而，鑄鐵強(qiáng)度低，脆性大，由于石墨的存在，耐磨性能好，切削性好，鑄造性好，消振性能好。它適用于制造機(jī)器的支座等大而笨的零件。1）碳鋼的分類、牌號

⑴按含碳量分類：

低碳鋼：C<0.3%,強(qiáng)度低，塑性好，冷成形和焊接性能好，特適用于制造化工設(shè)備如Q235-A（A3）

中碳鋼:C：0.3～0.6％之間有良好的強(qiáng)度和塑性，適宜做軸、齒輪、高壓容器頂蓋。如35、45號鋼。

高碳鋼:C>0.6%,強(qiáng)度及硬度高，塑性較差，用來制作彈簧、鋼絲繩等

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⑵按鋼的質(zhì)量（有害雜質(zhì)）來分類：

a.碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要是鋼中的S、P控制較松。S（熱脆）、P（冷脆）是鋼中的有害成分，含量高則不好，一般控制在

、。其鋼號如：Q235-A，有時A后面還跟脫氧程度。

質(zhì)量等級按C、S、P含量的控制范圍、脫氧程度等分為A、B、C、D四個等級。以D級最高。脫氧程度以沸騰鋼F最差，半鎮(zhèn)靜鋼b次之，鎮(zhèn)靜鋼Z和特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ最完全。、

b.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

S、P含量控制較嚴(yán)，，，按含錳量又分為普通含錳量與較高含錳量兩種。鋼號為0.8、10、15、20、25…80、85(普通含錳量)，一般作鋼管、圓鋼、方鋼。

鋼號15Mn、20Mn…70Mn(較高含錳量)一般作為鍛件，如法蘭、管板。（鋼號前數(shù)字表示含C的萬分?jǐn)?shù),20號鋼為含C：0.2％。

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2）碳鋼的規(guī)格及品種

上述介紹的是鋼號，鋼必須以鋼的規(guī)格和品種供貨。

a.鑄鋼：（GB979-67）

用于制造法蘭、筒體、端蓋等。鑄鋼牌號“ZG”，如ZG15、ZG25等，數(shù)字為碳的萬分?jǐn)?shù),ZG15含C0.15%

c.鋼板（GB708-65，GB709-65）

GB708-65《軋制薄鋼板品種》，厚度0.2～4mm，有冷軋和熱軋二種。

GB709-65《熱軋厚鋼板品種》，厚度4.5～60mm，均為熱軋。

鋼板牌號：Q235-A、Q235-A.F、20R、16MnR、16MnDR(后二者是低合金鋼)

b.鍛鋼（JB755-85Q/ZB60-73）

用于制造法蘭、管板、頂蓋、盲板等。牌號20、25、35、45、16Mn、16MnD、35CrMo、15CrMo

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專用鋼板容器用鋼板“R”,20R、16MnR

鍋爐用鋼板“g”,20g焊接氣瓶專用鋼板“HP”高壓容器板“gc”,17gc

低溫鋼板“D”,16MnDR等

這些專用鋼板的要求比同等鋼號的普通鋼板高。例如16MnR與16Mn相比，有S、P含量要求高，鋼板表面質(zhì)量好，沖擊韌性及強(qiáng)度、等保證。低溫鋼板，主要保證沖擊韌性?；ぴO(shè)備鋼板，主要用于制造殼體、封頭等。碳素鋼板力學(xué)性能見表6-2第十一頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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d.鋼管

鋼管分無縫鋼管和有縫鋼管兩大類

無縫鋼管（GB8136-1999）

材質(zhì)：10、15、20、25

尺寸：無縫鋼管的尺寸系列有2個，一個是按鋼管外徑d0建立的，另一個是按鋼管公稱直徑DN建立的。a.鋼管的外徑系列尺寸以管子的外徑為基準(zhǔn)制定的，每一種外徑的管子有多種不同壁厚的管子。見表6-4。b.鋼管的公稱直徑系列DN

鋼管往往要和法蘭、管件等相連接，要實現(xiàn)兩者連接，兩個零件就必須具有可以相配合的表面。人們約定：凡是能夠?qū)崿F(xiàn)連接的管子與法蘭、管子與管件等，就規(guī)定此兩連接件具有相同的公稱直徑。

鋼管的公稱直徑系列是根據(jù)法蘭的公稱直徑系列規(guī)定的，比其外徑規(guī)格少，見表6-4。第十二頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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有縫鋼管

（GB3092-93）

最常見的有縫鋼管是水、煤氣輸送管，這類管子的公稱直徑習(xí)慣以英寸為單位，壁厚只有“普通”與“加厚”、“薄壁”三種規(guī)格。適用壓力

e.型鋼

有圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、工字鋼、槽鋼等

熱管換熱器外殼部分均以此件制作。

第十三頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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3）碳鋼的性能

a.碳鋼的力學(xué)性能強(qiáng)度、硬度較高，塑性、韌性較好。

碳鋼機(jī)械性能與鋼的含碳量、熱處理條件、零件的尺寸及其適用溫度有關(guān)。

⑴碳含量的增多,強(qiáng)度、硬度提高,塑性下降;

⑵溫度升高,強(qiáng)度下降,塑性提高;⑶退火處理硬度下降,塑性提高。

b.碳鋼的制造工藝性能

由于其力學(xué)性能較好，具有較好的制造工藝性能，可進(jìn)行鑄造、鍛壓、焊接及切削等各種形式的冷熱加工。c.碳鋼的耐蝕性

耐蝕性較差，在鹽酸、硝酸、濃堿、稀硫酸等中腐蝕情況較為嚴(yán)重。

第十四頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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d.碳鋼的應(yīng)用：適用較多的是鋼板和鋼管。

它是制造化工設(shè)備主要用鋼，這是由于它的可焊性好，易于卷制，常用鋼號Q235-A，B，C、20、20g。碳鋼的局限性：⑴碳鋼的強(qiáng)度較低⑵碳鋼的耐蝕性差⑶適用溫度范圍窄，無法滿足工藝提出的高溫或低溫要求。第十五頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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2）鑄鐵化學(xué)成分組成：2~4.5％C，0.5~3.5%Si，0.5~1.5%Mn，0.1~1.0%P，S<0.15%

鑄鐵由鋼的基體（金屬基體）與分散在其中的（非金屬）石墨所組成。鑄鐵的性能，尤其是抗拉強(qiáng)度、塑性等主要由金屬基體的組織以及非金屬石墨的形狀、大小和分布情況來規(guī)定。按石墨化程度的大小，鑄鐵的金屬基體可以是鐵素體、鐵素體＋珠光體或完全的珠光體。因此，即使是C含量相同的鑄鐵，它們的機(jī)械性能也將因石墨化程度的不同而有極大的差異。石墨化程度越大，基體組織中的（滲碳體）越少，鑄體的強(qiáng)度與硬度也越低。就石墨的形狀、數(shù)量和分布來說，細(xì)小并互相隔開的球狀石墨比起粗大的片狀石墨對金屬基體割裂的程度顯然要小得多，所以球墨鑄鐵的機(jī)械性能要比灰口鑄鐵（石墨片狀）要好的多。種類：灰口鑄鐵（HT10-26）、球墨鑄鐵（QT）、耐蝕鑄鐵（ST）、可鍛鑄鐵（KT35-10）

第十六頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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4.合金鋼1）合金鋼一般性能合金鋼：以改善鋼材的性能為目的，在碳鋼中特意熔合某些金屬所得的鋼，稱合金鋼。2）性能：①降低鋼材的臨界淬火溫度（可使大尺寸的零件通過淬火及回火來改善鋼材的機(jī)械性能，不可使零件的淬火易于進(jìn)行，由于不需要很大的冷卻速度，因而大大減少了淬火過程中的應(yīng)力與變形）

②增加鋼組織的分散度

③提高鐵素體的強(qiáng)度（加入Ni、Cr、Mn、Si晶格扭曲使得晶格強(qiáng)化，提高了鋼的強(qiáng)度

④減少了馬氏體的脆性

⑤提高了鋼材的高溫強(qiáng)化及抗氧化指標(biāo)

⑥增加鋼材的耐蝕性第十七頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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3）種類

種類繁多，化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用的合金鋼可分為：

合金工具鋼

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2）低合金鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼（GB1519）

普通低合金鋼中加入的元素主要是稀土元素，如Mn、Si等。含碳量與碳鋼相近，C<0.2%使強(qiáng)度遠(yuǎn)高于碳鋼，故應(yīng)用前景廣闊。

合金結(jié)構(gòu)鋼（GB3077）主要用于緊固件制作

合金結(jié)構(gòu)鋼是在優(yōu)質(zhì)碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一種或幾種元素。合金元素主要以Cr、Ni、Al為主。

鋼號：錳鋼40MnB鉻鋼40Cr、30Cr

鉻鉬鋼35CrMo錳釩鋼20MnV表6-7表6-10表6-14表6-16第十九頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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3）高合金鋼(1)不銹鋼及不銹鋼耐酸鋼（GB4237）不銹鋼：在空氣、水及一些弱腐蝕介質(zhì)中耐腐蝕的合金鋼。不銹耐酸鋼：在酸和其他強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中能抵抗腐蝕的合金鋼，習(xí)慣上稱為不銹鋼。鉻：耐腐蝕能力增強(qiáng)，鋼的耐蝕性主要取決于Cr.鎳：擴(kuò)大耐腐蝕范圍（耐堿較好）錳：可提高鋼的強(qiáng)度與硬度鉬：提高抗氯離子的耐蝕能力，提高鋼的耐熱強(qiáng)度鈦：防止焊接用的不銹鋼發(fā)生晶界腐蝕。（防止晶間腐蝕）第二十頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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a.鉻鋼：鉻鋼的耐蝕性能是由于鉻的鈍化作用，所以介質(zhì)的氧化性越強(qiáng)，鉻鋼中含鉻量越高，耐腐蝕性就越好。常用的鉻鋼有0Cr13,1Cr13,2Cr13,含鉻量13～18％。僅用于耐腐蝕性能不強(qiáng)的場合。b.鉻鎳鋼化工上應(yīng)用最廣的是18-8奧氏體不銹鋼，0Cr18Ni9,1Cr18Ni9,0Cr19Ni9,00Cr19Ni10即Cr：18%N：8%左右。這是一種很有名的鋼材。18－8不銹鋼在磷酸、硝酸、鹽、堿耐蝕性好，對硫酸、鹽酸、氫氟酸、氯、溴、碘中耐蝕性差。表6-17第二十一頁，共24頁。CHAP.6壓力容器和化工設(shè)備常用材料

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(2)耐熱鋼普通碳鋼的機(jī)械性能在350度以上有極大下降，而在570度以上又會發(fā)生顯著氧化。耐熱鋼在高溫下機(jī)械性能良好，且具有抵抗金屬對高溫氣體腐蝕的能力（熱安定性）。如石油裂化爐、高爐管、廢熱鍋爐等，使用溫度800~1000℃。提高鋼的熱安定性途徑：加入Cr,Al,Si;提高鋼的高溫強(qiáng)度途徑：加入Ni,Mn,Al,Wu