化工設備常用金屬和非金屬

化工設備常用金屬和非金屬第1頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)鐵碳合金—碳鋼和鑄鐵1.1碳鋼與鑄鐵都是由鐵（95%以上）和碳（0.05~4%）所組成的合金。1.1.1鐵：組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結構，910℃

以下為α-鐵；910℃以上為γ-鐵，二者互為同素異構體。1.1.2碳：碳在鐵碳合金中的存在形式有三種：①碳溶解在鐵中形成固溶體，即在α-鐵中叫鐵素體，在γ-鐵中叫奧氏體。②鐵與碳形成的化合物，當碳不能全部溶于鐵素體或奧氏體時，“剩余”的碳與鐵將形成碳化鐵（滲碳體）※通常將碳含量2.11%作為鋼與鑄鐵的分界，〈2.11%叫鋼，〉2.11%叫鑄鐵。③碳以石墨狀態(tài)單獨存在，特別碳含量較高時。

第2頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2碳鋼與鑄鐵的不同：1.2.1在組織上有兩點不同:①碳含量不同，碳含量小于2.11％的是鋼，大于2.11％的是鑄鐵；②碳的存在形式不同,鋼中的碳只有兩種存在形式，而鑄鐵中的碳除形成Fe3C和溶入固溶體外，總有部分碳以石墨狀態(tài)存在。1.2.2性能上有四點區(qū)別：①鋼有良好塑性，鑄鐵是典型脆性材料；②鋼的抗拉強度與抗壓強度相同，鑄鐵抗拉強度遠低于抗壓強度；第3頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月③鋼可進行壓力加工和焊接，鑄鐵適于鑄造；④鋼的減震、摩擦性能不如鑄鐵；※碳含量的不同是使鋼具有不同性能的主要原因，而影響鑄鐵性能的主要是石墨化程度與石墨的形狀。第4頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3鋼的熱處理1.3.1熱處理的概念（就是以消除鋼材的某些缺陷成改善鋼材的某些性能為目的，將鋼材加熱到一定的溫度，然后以不同的速度冷卻下來的一種操作。）1.3.2生產中常見的幾種熱處理操作①退火和正火退火是將零件放在爐中，緩慢加熱至某一溫度（如圖），經過一段時間的后，隨爐或埋入砂中緩慢冷卻。退火可以消除冷加工導致的硬化，恢復材料的良好塑性，可以細化鑄焊工件的粗大晶粒，改善零件的機械性能；可以消除殘余應力，防止工件變形。正火只是在冷卻速度上與退火不同。退火是隨爐緩冷，而正火是在空氣中冷卻。經過正火的零件，有比退火為高的強度與硬度。第5頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月②淬火和回火淬火是先將工件加熱至相變溫度以上，保溫一段時間，然后快速冷卻。目的是獲得馬氏體以提高工件的硬度和耐磨性。為了消除淬火后工件的內應力，并降低材料的脆性，鋼件在淬火后，幾乎總是跟進回火。所謂回火，就是把淬火后的鋼件重新加熱至一定溫度，經保溫燒透后再行冷卻的一種熱處理操作。根據工件使用目的要求的不同，回火的加熱溫度有三種：※淬火加高溫回火由于可以提高鋼材的機械性能，所以稱為調質處理。

第7頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月③化學熱處理鋼的化學熱處理就是把鋼放入一些介質內（如碳粉）加熱到一定的溫度，使介質原子滲透到鋼內改變鋼表層的化學成分和組織結構從而使鋼件表面具有某些特殊性能。如碳原子可以提高鋼表面耐磨性，鋁原子可以提高鋼的抗高溫氧化性。※決定金屬材料性能的因素有三：化學組成、組織結構、熱處理狀態(tài)，這三者相互影響不能分割。第8頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4碳鋼的分類、牌號、性能、品種與應用1.4.1碳鋼的分類與牌號①按含碳量的多少，碳鋼分為下面三種低碳鋼

含碳量小于0.3％，是鋼中強度較低、塑性最好的一類。冷沖壓及焊接性好，用于制造化工容器及負荷不大的機械零件。中碳鋼

含碳量在0.3—0.6％之間，鋼的強度與塑性適中，可用適當的熱處理獲良的綜合機械性能，適于制作軸、齒輪、高壓設備頂蓋等重要零件。高碳鋼含碳在0.6以上，鋼的強度及硬度均較高，塑性較差，用來制作彈簧、鋼絲繩等。第9頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月②按鋼的質量，碳鋼有普通的和優(yōu)質的兩種?！捌胀ā迸c“優(yōu)質”的主要區(qū)別是有害雜質硫（引起鋼的熱脆）和磷（引起鋼的冷脆）的控制松嚴程度不同，和鋼材出廠時檢驗項目和保證條件不同。這類鋼屬普通碳素鋼，共有五個鋼號（不包括質量等級與脫氧程度）。Q275、Q255、Q235、Q215、Q1951.4.2碳鋼的性能（機械性能、制造工藝性能、耐蝕性）第10頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5鑄鐵從化學成分看，鑄鐵中碳與硅的含量要高于鋼，硫磷雜質的控制也比較松。一般組成如下：C2-4.5%；Si0.5-3.5%；Mn0.5-1.5%；P0.1-1.0%；S〈0.15%從組織結構上看，由鋼的基體與散布在其中的石墨組成。①灰口鑄鐵（HT-）如牌號為HT150—330的灰口鑄鐵，表示抗拉強度為150MPa，抗彎強度為330MPa；；灰鑄鐵可用來制造常壓容器，但是其工作溫度不能超過250；②球磨鑄鐵（QT-）其強度較高，可以代替鋼材，常用來制造壓縮機的曲軸等形狀復雜的零件。③耐蝕鑄鐵、④耐熱鑄鐵、⑤可鍛鑄鐵鑄鐵也可加入少量合金元素來提高它的耐蝕性等，這樣的鑄鐵稱為合金鑄鐵，如高硅鑄鐵，被廣泛用來制造耐酸泵等。第11頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)合金鋼2.1合金鋼的概念以改善鋼材的性能為目的，在碳鋼中特意加入某些合金元素所得到的鋼。2.2合金元素對鋼材性能的影響①降低鋼材的臨界淬火速度；②增加鋼組織的分散度；③提高鐵素體的強度；④減少馬氏體的脆性；⑤提高鋼材的高溫強度及抗氧化性能；⑥

增強鋼材的耐蝕性。第12頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3低合金鋼2.3.1合金元素與鋼號低合金鋼中熔合的合金元素主要是Mn、V、Nb、N、Cr、Mo等，含量大多在1％以下，只有少數低合金鋼，其合金元素含量可達2—5％。加入這些合金元素后，鋼材的屈服限提高并可擴大的使用溫度范圍。

※低合金鋼的鋼號是以鋼中碳含量的萬分數的數字為首，后邊依次寫出所熔入合金元素的元素號及每種元素含量的百分數；當合金元素含量在1.5%以下時，該元素符號后不注數字。當合金元素含量在（1.5％~2.5％）時，可在該元素后面注“2”……以此類推。如09Mn2V，其含碳0.09％，含錳量為2％，含礬量是1.5%以下；或含錳量為1.5％~2.5％，含礬量是1.5%以下。第13頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2分類與應用低合金結構鋼（GB1519）這類鋼是供焊接使用的低碳含量的低合金鋼。合金結構鋼（GB3077）這類鋼供壓力加工和切削使用。

2.4高合金鋼2.4.1不銹鋼（價格貴、炊具）不銹鋼中的主要合金元素是鉻、鎳、鉬、鈦。它們對鋼材的性能影響如下：鉻：不銹鋼的耐蝕性主要來源于鉻，實驗證明，當鋼中鉻含量超過12％時，鋼的耐蝕性會大幅度提高，所以不銹鋼中的鉻含量都在12％以上。鎳：鎳可擴大不銹鋼的耐蝕范圍，特別是提高耐堿能力。鉬：能提高不銹鋼對氯離子的抗蝕能力。鈦：為防止焊接用不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕而加人的元素。

第14頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2耐熱鋼在原油加氫、裂解、催化設備中，常用許多耐高溫的鋼材，如裂解爐的溫度可達650—800度。普通碳鋼在350時會顯著的蠕變。高溫設備對鋼材的要求高溫設備對鋼材的要求主要是：良好的化學穩(wěn)定性與熱強性。①化學穩(wěn)定性化學穩(wěn)定性或稱熱穩(wěn)定性，主要是指鋼材抵抗高溫氣體（如O2、H2S、SO2等）腐蝕的能力，但主要是O2，即主要是抗氧化性。如果在鋼中加入Cr、Al、Si等合金元素，被氧化后，該類元素能在鋼材表面能生成一層致密的氧化膜，從而避免氧的繼續(xù)侵蝕，也就提高了鋼材的熱穩(wěn)定性。第15頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)熱強性在一定熱穩(wěn)定性的前提下，鋼材的高溫強度愈高，蠕變過程愈緩慢，即說明其熱強性愈好。為了提高鋼的熱強性，通常采用加入Cr、Mo、V、Ti等元素，以強化金屬金相組織，提高材料的再結晶溫度。常用耐熱鋼化工設備上常用的耐熱鋼，按耐熱要求的不同，可分為抗氧化鋼與熱強鋼?？寡趸摗饕芸垢邷匮趸?，但強度并不高，常用作直接受力或受力不大的零部件，如爐管托架等常用的如Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti.

熱強鋼——主要能抗蠕變，但也有一定的抗氧化能力，常用作高溫下受力的零部件，如爐管、反應器等。常用的有12CrMo,0Cr18Ni9.第16頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.3低溫用鋼在化工生產中，有些設備（如深冷分離、空氣分離、潤滑油脫脂、液化天然氣貯存等）常處于低溫狀態(tài)下工作，因而其零部件必須采用能承受低溫的金屬材料制造。普通碳鋼在低溫F（-20度以下）變脆，沖擊韌性顯著下降。對低溫用鋼的基本要求是：具有良好的韌，良好的加工工藝性能和可焊性。為保證這些性能，低溫鋼的含碳量盡可能降低，其平均含碳量為0.08％--0.18%，再加入含適量的Mn、Nb、Ti、V、N等元素以改善鋼的綜合機械性能。目前國外低溫設備用的鋼材，主要是以高鉻鎳鋼為主，其次是使用鎳鋼、銅、鋁等。第17頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)有色金屬及其合金3.1銅及其合金3.2鋁及其合金3.3鉛3.4鈦第18頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月有色金屬具有很多優(yōu)越性，例如銅有良好的導電性和低溫韌性，鋁的相對密度小，鉛能防輻射耐稀硫酸等多種介質的腐蝕。3.1銅銅及其合金具有很高的導熱、導電性和塑性。在低溫下因強度提高，沖擊韌性好，常用來作低溫設備。在大氣、水及中性鹽、苛性堿中都相當穩(wěn)定。在不濃的硫酸、亞硫酸、乙酸、氫氟酸、稀的和中等濃度的鹽酸、乙酸、氫氨酸和其他非氧化性酸中也有較高的穩(wěn)定性。在氮、鐵鹽和各種濃度的硝酸中則不耐蝕。第19頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月純銅又稱紫銅。純銅塑性好，導電性和導熱性很高，在低溫下可保持較高的塑性和沖擊韌性，多用來做深冷設備和高壓設備的墊片；也可以用于深度冷凍分離氣體的裝置中，如制做蒸發(fā)器、蒸餾釜、蒸餾塔、蛇管、管子、離心機的轉鼓等；也可以用于有機合成及有機酸工業(yè)?；ど铣Ｓ玫淖香~有T2、T3、T4、TUP（用磷脫氧的無氧純銅）等四種。銅與鋅組成的合金叫黃銅。黃銅鑄造性能好，機械強度比純銅高，價格便宜，耐蝕性也高于純銅，但在中性、弱酸性介質中，因鋅易溶解而被腐蝕。第20頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月化工上常用的黃銅有H80、H68、H62（H后的數字代表銅的平均百分含量）等。H80、H68的塑性好，可在常溫下沖壓成形做容器的零件。H62在室溫下塑性較差，機械強度較高，價格低廉，可做深冷設備的筒體、管板、法蘭及螺母等。

銅與銀、鋁、鉛等元素的合金統稱為青銅。它具有較高的耐蝕性和耐磨性，所以常用來制造軸瓦等耐磨零件。常用的錫青銅有ZQSn6-6-3和ZQSn10-1等。因錫價格昂貴，在銅基合金中加入鋁、鐵、鉛等得到的青銅稱無錫青銅，它的價格低于錫青銅，而機械強度和耐蝕耐磨性都好。第21頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2鋁鋁及其合金鋁以相對密度小，導熱導電性好而著稱。它的塑性好，強度低，因而壓力加工性能良好，可以焊接和切削。純鋁和鋁合金最高使用溫度為150℃。防銹鋁LF3、LFS、LFll等使用溫度不超過66℃。熔焊的鋁材在0--196℃之間沖擊韌性不下降，因此鋁和鋁合金很適于制作低溫設備。鋁能耐硝酸、乙酸、碳酸氫氨和尿素等的腐蝕，但不耐堿及鹽水的腐蝕?；ど铣Ｓ玫墓I(yè)純鋁牌號有：L2、L3和L4，主要用來制作熱交換器、塔、貯罐、深冷設備和防止污染產品的設備，如在食品工業(yè)中可廣泛用以代替不銹鋼做有關的設備。第22頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁和銅、鎂的合金叫硬鋁，它的顯著特點除耐蝕性好之外，是強度高?；ど铣Ｒ杂蹭X棒料制作受力零件，如深冷設備上螺栓等。3.3鉛鉛在硫酸中和在大氣中（特別是有SO2、H2S的氣體中）有很高的耐蝕性。所以化工上主要用于處理硫酸的設備上。因鉛的強度低，比重大，有毒且價貴，所以目前生產上多為其他非金屬材料所代替。3.4鈦及其合金鈦的相對密度不大（僅4.5），比鋼輕43％，但鈦的強度比鐵高一倍，比純鋁幾乎高5倍。這種高的強度與不大的相對密度相結合的特性，使得鈦在技術上占有極重要的地位。同時，鈦的耐腐蝕性近乎或超過不銹鋼，因此，在航空工業(yè)和化學工業(yè)中，鈦及其合金都得到了廣泛的應用。第23頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)金屬的腐蝕與防護4.1腐蝕的定義與分類4.1.1化學腐蝕4.1.2電化學腐蝕（鈦）4.1.3物理腐蝕（略）4.2常見的幾種腐蝕與控制方法均勻腐蝕電偶腐蝕或雙金屬腐蝕應力腐蝕縫隙腐蝕、小孔腐蝕、高溫氣體腐蝕等第24頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1腐蝕的定義與分類通常將金屬及其合金在外界介質（液體和氣體）的作用（化學、電化學、物理溶解）下所引起破壞稱為腐蝕。1.腐蝕的危害：在化學工業(yè)中，制造設備的主要材料為金屬（特別是黑色金屬），由于其經常要和強烈的腐蝕性介質如各種酸、堿。鹽、有機溶劑及腐蝕性氣體等接觸，常常會發(fā)生腐蝕現象。腐蝕不僅會給金屬及其合金材料造成巨大的損失，影響設備的使用壽命，而且會使得設備的檢修周期縮短，增加非生產時間和修理費用；腐蝕還會使設備及管道的跑、冒、滴、漏現象更為嚴重，使原料和成品造成大量損失，影響產品質量、污染環(huán)境、損害人體的健康；特別是腐蝕會引起設備爆炸、火災等事故，使設備遭到破壞而導致停止生產甚至會危及人的生命。第25頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月腐蝕的分類：按作用機理分為：化學腐蝕、電化學腐蝕、物理腐蝕；根據腐蝕破壞形式的不同，又可分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕是指在整個金屬的表面均勻發(fā)生的腐蝕，所以又稱為均勻腐蝕；局部腐蝕是指發(fā)生在構件不同區(qū)域的腐蝕，如發(fā)生于構件的某個區(qū)域、一點或者發(fā)生在金屬及其合金的晶粒邊緣上的腐蝕，根據其發(fā)生的區(qū)域的不同，它們又分別被稱為區(qū)域腐蝕、點腐蝕和晶間腐蝕。第26頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月※

4.1.1化學腐蝕

金屬在干燥的氣體和非電解質溶液中發(fā)生化學作用所引起的腐蝕叫做化學腐蝕?；瘜W腐蝕的產物存在于金屬的表面，腐蝕過程中沒有電流產生。如果化學腐蝕所產生的化合物很穩(wěn)定，即不易揮發(fā)和溶解，且組織致密，與金屬母體結合牢固，那么這層腐蝕產物附著在金屬表面上，對金屬母體可以起到保護的作用，有鈍化腐蝕的作用，稱為“鈍化作用”。如果化學腐蝕所生成的化合物不穩(wěn)定，即易揮發(fā)或溶解，或與金屬結合不牢固，則腐蝕產物就會一層層脫落，這種腐蝕產物不能保護金屬不再繼續(xù)受到腐蝕，這種作用稱為“活化作用”。第27頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月A.金屬的高溫氧化及脫碳

在化工生產中，有很多機器、設備是在高溫下操作的，如氨合成塔、硫酸氧化爐、石油裂解爐等。金屬的高溫氧化及脫碳是一種在高溫下的氣體腐蝕，是過程設備中常見的化學腐蝕之一。一般當鋼材和鑄鐵的溫度高于300℃時，在其表面就會出現可見的氧化皮。隨著溫度的升高，其氧化的速度也大大的提高。在570℃以下氧化時，氧化所形成的氧化物中不含FeO，其氧化層是由Fe2O3和Fe3O4構成。這兩種氧化物所構成的氧化層組織致密、穩(wěn)定，附著在鋼材表面上不易脫落，起到了保護膜的作用。在570℃以上時，鋼材表面所形成的氧化物有三種，即Fe2O3、Fe3O4

和FeO，其厚度比大約為1：10：100，氧化層的主要成分是FeO，其結構疏松，容易剝落，這就是常見的氧化皮。當溫度高于700℃時，鋼材在氧化的同時，還發(fā)生了脫碳作用，脫碳作用的化學反應如下：第28頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼材脫碳會使其機械性能下降，特別是降低了表面硬度和抗疲勞強度，因而高溫工作的零件要特別注意這一問題。因此，為了提高鋼材的高溫抗氧化能力，必須設法阻止或減弱鋼材表面FeO的形成。在冶金工業(yè)中，通過在鋼里加入適量的合金元素如鉻、硅或鋁，可以使鋼材具有抗氧化的能力。第29頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月B.氫腐蝕在合成氨工業(yè)、石油加氫裂解及其他一些化工工藝中，常遇到氫在反應介質中占有很大比例的混合氣體，而且這些化學反應過程又多是在高溫、高壓下進行的，例如合成氨的壓力通常在31.4MPa，溫度一般在470—500℃左右。在較低溫度和壓力（溫度＜200℃，壓力＜4.9MPa）下，氫氣對普通碳鋼及低合金鋼不會有明顯的腐蝕作用。但是，在高溫高壓下則會對它們產生腐蝕，結果使材料的機械強度和塑性顯著下降，甚至損壞，這種現象常稱為“紅腐蝕”或“氫脆”。鐵碳合金在高溫高壓下的氫腐蝕過程可分為氫脆階段和氫侵蝕階段。第30頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第一階段為氫脆階段。在該階段，氫在與鋼材直接接觸時被鋼材所吸附，并以原子狀態(tài)向鋼材內部擴散，溶解在鐵素體中，形成固溶體。但是，在此階段溶在鋼中的氫并未與鋼材發(fā)生化學作用，也未改變鋼材的組織，在顯微鏡下觀察不到裂紋，鋼材的強度極限和屈服極限也無大改變。但是它使鋼材塑性降低，沖擊韌性值明顯減少。鋼材的這種脆性與氫在其中的溶解量成正比。材料處于氫脆階段只要將材料進行消氫處理，其性能又可恢復為原來狀態(tài)。第二階段為氫侵蝕階段。這時，溶解在鋼材中的氫氣與鋼中的滲碳體發(fā)生化學反應，生成甲烷氣，從而改變了鋼材的組織，其化學反應式為：第31頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月該化學反應常常在晶界處發(fā)生，生成的甲烷氣也通常聚集在晶界原有的微觀孔隙內，形成局部高壓，引起應力集中，使得晶界變寬，從而產生更大的裂紋；或者在鋼材表層夾雜等缺陷中聚集，形成氣泡，使鋼材的機械性能降低。另一方面，由于滲碳體在還原為鐵素體時，其體積也將減小，因此，在鋼材內部由于組織的體積變化而生產相應的組織應力，該應力與前述的內應力疊加在一起，將使得裂紋擴展。而裂紋的擴展又為氫和碳的擴散與反應提供了更加有利的條件。如此這樣反復不斷地進行下去，最后導致鋼材完全脫碳，內部的裂紋形成網格，機械性能嚴重下降，甚至遭到破壞。通過降低鋼中的合碳量，使其沒有碳化物（Fe3C）析出，可以有效地防止氫腐蝕的發(fā)生。另外，在鋼中加人某些合金元素如鉻、鈦、鎢、釩等，使其不易與氫作用，也可以避兔氫腐蝕的發(fā)生。第32頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月※4.1.2電化學腐蝕（重要）焦化和鈦電化學腐蝕是指金屬與電解質溶液間產生電化學作用而引起的破壞，其特點是在腐蝕過程中有電流產生。在水分子作用下，電解質溶液中金屬本身呈離子化，當金屬離子與水分子的結合能力大于金屬離子與其電子的結合力時，一部分金屬離子就從金屬表面跑到電解液中，而形成了電化學腐蝕。A.原電池作用金屬在電解質溶液中的腐蝕過程與電池中的電化學反應過程完全類同。如圖所示，是鐵-銅電池，即鐵與銅在H2SO4溶液中所構成的電池。因為鐵的電位較銅低而成為陽極，而銅則成為陰極。在陽極，鐵被溶解并釋放出電子，所放出的電子經過外部導線可以移動到陰極。在陰極，流來的電子在被能吸收電子的物質所吸收，在這里即被溶液中的陽離子（H+）所吸收，并釋放出氫氣。第33頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月在實際腐蝕過程中，這類腐蝕電池是最常見的。有的設備可能是由兩種金屬材料制成，或者同一材料內部存在不同的相、或者材料各部分的物理機械性能不同、受力不均等導致了設備材料各部分的電位不相同，從而形成這類腐蝕電池。第34頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月B、微電池和電化學腐蝕原理如前所述，金屬表面組織常常存在著不同的相（如鋼中的鐵素體和碳化物），在同一介質中相鄰兩個區(qū)域可能具有不同的電位，這些區(qū)域往往是直接接觸的，故形成了許多局部的微電池，如圖利用微電池的原理，可以說明電化學腐蝕的化學反應過程。①陽極反應，金屬溶解：②電子移動，陽極過剩的電子流向陰極：③陰極反應，電子在陰極被吸收電子的物質所吸收第35頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月在陰極區(qū)的反應，由于吸收電子的物質不同，有三種不同的反應情況：1當溶液中有電位較高的金屬離子（如銅離子）存在時，這種金屬離于就吸收電子，還原為金屬：2當溶液中呈酸性時，溶液中有氫離子存在時，H+吸收電子變成氫原子，再結合成氫分子：3當溶液為中性時，溶液中含有的氧吸收了電子，和水一起變成了OH-離子，其反應為：值得注意的是：在腐蝕過程中，金屬常常不是在含有電位較高的金屬離子的溶液中，電位較高的離子金屬吸收電子的陰極反應是不常發(fā)生的。而后兩種化學反應所代表的陰極反應意義較大，特別是第二種化學反應更為常見。第36頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月C電化學腐蝕的條件由上述電化學腐蝕過程原理可以發(fā)現，電化學腐蝕過程是由陽極反應過程、電子流動及陰極反應過程等三個環(huán)節(jié)組成，三者缺一不可。其中阻力最大的環(huán)節(jié)決定著整個腐蝕過程的速度。也可以看出，電化學腐蝕進行的過程必須具備下列三個條件：1）同一金屬上有不同電位的部分存在或不同金屬之間存在著電位差；2）陰極和陽極互相連接；3）陽極和陰極處在互相聯通的電解質溶液中。第37頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2常見的幾種腐蝕與控制方法根據腐蝕的破壞形式，可分為均勻腐蝕與非均勻腐蝕，或稱局部腐蝕。而局部腐蝕又可分為區(qū)域腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕和表面下腐蝕等。各種腐蝕形式如圖所示。第38頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月1.均勻腐蝕是指金屬在腐蝕介質作用下，整個表面所發(fā)生的腐蝕破壞。只要設備或零件具有一定厚度時，其機械性能因腐蝕而引起的改變并不大。因此，這是一種危險性較小的腐蝕破壞形式，可以通過適當增加設備厚度的方法來予以彌補。2.局部腐蝕是指只是在金屬表面上個別地方所發(fā)生的腐蝕破壞。因為整個設備或零件是依最弱的斷面強度而定的，而局部腐蝕能使強度大大降低。尤其是點腐蝕(小孔腐蝕)常造成設備個別地方穿孔而引起滲漏，無法通過增加壁厚的方法來彌補腐蝕所產生的破壞。因此該類腐蝕的危險性較大。第39頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月3.晶間腐蝕也是一類很危險的腐蝕破壞形式。因為該類腐蝕沿晶粒邊界發(fā)展，使晶粒間的連續(xù)性受到了破壞，因而材料的機械強度和塑性劇烈降低。而且晶間腐蝕從外表不易發(fā)現，因此，其導致的破壞常常突然發(fā)生。前面講到的紅腐蝕就屬于晶間腐蝕的一種。不銹鋼與含氯離子介質接觸，在500--800℃時，會產生晶間腐蝕。因此，在這一溫度范圍內使用的不銹鋼，必須加以注意。第40頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3影響腐蝕的因素1.合金元素的影響及n／8定律鋼中的合金元素主要指鉻、鎳、錳、鋁、硅等。鋼中加入這些合金元素不但使其機械性能得到改善，往往還提高了鋼材的抗腐蝕能力。合金元素對鋼材抗腐蝕性能的影響可以包含兩個方面：一是它的含量多少的影響，二是它在鋼材中形成的組織形式的影響。如果形成的是單相固溶體合金鋼，它的耐蝕性是隨耐蝕合金組分的原子分數n/8時（n=1，2，3，…）突變，如圖所示。即只有合金鋼中的耐蝕合金組分原子分數達到n／8時，腐蝕速度才突然下降，這種現象稱為n/8定律。第41頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月對于多相合金，由于是由具有不同組織的晶粒所組成的機械混合物，因此在接觸電解溶液時會形成很多腐蝕微電池。所以大多數多相合金一般都不耐腐蝕。

2.腐蝕介質酸堿性的影響溶液的酸堿性對金屬腐蝕的影響有兩種類型，如圖所示，像鋁、鋅、鉛、銅等金屬，當處于pH值等于7的中性溶液中時，腐蝕最慢，隨著溶液PH值的減小和增加也就是隨溶液變酸性和變堿性都使腐蝕速度加快。這是由于這些金屬的氧化物在強酸或強堿中都是可溶的，不能形成保護膜的緣故。第42頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月圖（b）中說明像鐵、鎳、鎂、鋯等金屬在堿性溶液中腐蝕速度較低，是耐蝕的，在酸性溶液中是不耐蝕的。這是由于這類金屬在堿性溶液中能形成不溶性氫氧化物薄膜的緣故。鐵在濃堿中不耐蝕是由于生成可溶性鐵酸鹽的緣故。對于氧化性的酸，如硝酸，含量大于60％的硫酸等能與鐵生成保護膜，所以碳鋼的耐蝕性隨酸濃度的增加而增大。第43頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月3.溫度與壓力的影響溫度升高，腐蝕加快。如碳鋼在18％鹽酸溶液內的腐蝕，是隨著溫度的提高，腐蝕速度成拋物線性關系上升。壓力增加，腐蝕速度增加。如高壓鍋爐用水脫氧就是為了避免高壓下少量的氧所引起的強烈腐蝕。4.應力對腐蝕的影響過程裝備在加工過程和工作承載過程中都會產生應力，在這些應力的作用下，設備金屬材料內部的晶格扭曲，產生微裂紋，從而降低了這些部位材料的電位，當它們和電解液接觸時，這些部位就形成腐蝕微電池的陽極，造成腐蝕。隨著腐蝕的進行，裂紋很快擴展，以致最終產生破裂。這種由于應力和腐蝕性介質聯合作用下產生的腐蝕叫應力腐蝕。為防止應力腐蝕，必須采取熱處理方法消除加工應力，同時合理地采用保溫措施以避免溫差應力的產生。第44頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月4.5金屬設備的防腐蝕措施為了防止化工生產設備被腐蝕，除選擇合適的耐腐蝕材料制造設備外，還可以采用多種防腐蝕措施對設備進行防腐。具體措施有以下幾種。1.涂復保護層a.金屬保護層是用耐腐蝕性能較強的金屬或合金覆蓋在耐腐蝕性能較弱的金屬上。常見有電鍍法（鍍鉻、鍍鎳等）、噴鍍法及襯不銹鋼等襯里等。b.非金屬保護層常用的有金屬設備內部襯以非金屬襯里或涂防腐涂料。常用的磚板襯里材料有：酚醛膠泥襯瓷板、瓷磚、不透性石墨板、水玻璃膠泥襯輝綠巖板、瓷板、瓷磚。除磚砌襯里之外，還有橡膠襯里和塑料村里等。第45頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月2.電化學保護a．陰極保護又稱犧牲陽極保護法。把盛有電解液的金屬設備和直流電源的負極相連，電源正極和一個輔助陽極相連（如圖所示）。當電路接通后，電源便給金屬設備通以陰極電流，使金屬設備的電位向負的方向移動，當電位降至腐蝕電池的陽極起始電位時，金屬設備的腐蝕即可停止。

第46頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月外加電流陰極保護的實質是整個金屬設備被外加電流極化為陰極，而輔助電極為陽極，稱為輔助陽極。輔助陽極的材料必須是良好的導電體，在腐蝕介質中耐腐蝕，常用的有石墨、硅鑄鐵和廢鋼鐵等。

b．陽極保護是把被保護設備接陽極直流電源，使金屬表面生成鈍化膜，起到保護作用。陽極保護只有當金屬在介質中能鈍化時才能應用，且技術復雜，使用不多。

3.添加緩蝕劑在腐蝕介質中加人少量物質，可以使金屬的腐蝕速度降低甚至停止，這種物質被稱為緩蝕劑。加入的緩蝕劑不應該影響化工工藝過程的進行，也不應該影響產品質量。第47頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的緩蝕劑有重鉻酸鹽、過氧化氫，磷酸鹽、亞硫酸鈉、硫酸鋅、硫酸氫鈣等無機緩蝕劑和生物堿、有機膠體、氨基酸、酮類、醛類等有機緩蝕劑。4.合理的結構設計過程設備的腐蝕在很多場合下與它們的結構有關，不合理的結構通常引起機械應力、熱應力、液體的停滯和局部過熱等，它們都能引起金屬的腐蝕或加劇金屬的腐蝕。因此，設計較合理的設備結構，往往也是減輕腐蝕的一種有效措施。P177為腐蝕對結構的要求實例。a．焊縫處通常容易發(fā)生腐蝕因為焊接是在高溫下進行的，其不均勻的加熱、冷卻過程，容易產生焊接殘余應力。與此同時，焊縫附近的化學成分與主體金屬也不同，在接觸化學介質時，容易形成應力腐蝕。這種腐蝕可通過熱處理（退火）或選擇適當焊條與焊接工藝來加以解決。第48頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月例如大型合成氨裝置CO2再生塔與堿性溶液接觸，未經退火的焊縫在使用了6個月后，由于溶液的初生態(tài)氫滲入鋼中，與焊接時產生的殘余應力相互結合，促使焊縫處產生裂紋，而經過除焊接殘余應力后的焊縫就不會產生裂紋。

b．由于搭接焊縫或角焊局部過熱較嚴重，易引起腐蝕，因此在設計設備焊縫時，應盡可能采用對接焊縫；不同厚度的鋼材焊接時，其厚度相差不能太大，否則容易產生局部應力，導致腐蝕；設備與接管的焊接，從防腐蝕角度考慮，最好不采用角焊縫，而采用對接焊縫。

c.設備的死角，常常會造成液體停滯，形成濃度差，促進腐蝕破壞；不均勻的污垢和沉淀也可能加速腐蝕。因此，在設計設備結構時，應當盡量避免形成死角。第49頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)非金屬材料有機非金屬材料涂料工程塑料（PVC、CPVC、ABS）和玻璃鋼石墨無機非金屬材料化工陶瓷化工搪瓷第50頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月非金屬材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，原料來源豐富，品種多樣，適于因地制宜，就地取材，是一種有著廣闊發(fā)展前途的過程裝備材料。非金屬材料既可以用做單獨的結構材料，又能用做金屬設備的保護村里、涂層，還可做設備的密封材料、保溫材料和耐火材料。

應用非金屬材料做化工設備，除要求有良好的耐腐蝕性外，還應有足夠的強度，滲透性、孔隙及吸水性要小，熱穩(wěn)定性要好，加工制造容易，成本低以及來源豐富。第51頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1無機非金屬材料常用的有耐酸陶瓷、化工搪瓷和耐熱玻璃等。

耐酸陶瓷的耐蝕性很高，除氫氟酸和強堿外，對所有介質都耐蝕。但它強度小，性脆，不耐沖擊和驟冷驟熱的作用。常制成管、瓷磚、塔和泵的零件供貨。

化工搪瓷，具有良好的耐蝕性，機械性能和電絕緣性也好。它的導熱性差，熱膨脹系數大。一般搪瓷設備不能用火焰加熱，使用溫度在-30—270℃。目前我國已生產出成套搪瓷設備，如反應釜、貯罐、泵、閥門、旋塞、換熱器和管件等。

耐熱玻璃，常用的是硼玻璃和高鋁玻璃。它們有良好的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性。但性脆，不耐沖擊和振動，溫度的驟冷驟熱也會使之破裂。目前化工上成功地用它作金屬設備的襯里和用玻璃鋼加強的玻璃管道，來彌補其不足。第52頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2有機非金屬材料化工上應用的有機非金屬材料有天然的，如木材、生漆等，有人造的，如塑料和人造石墨。因天然材料受資源限制，所以目前廣泛應用的是人工合成的工程塑料、合成橡膠及人造石墨?；ど蠎玫墓こ趟芰掀贩N很多，主要有耐酸酚醛塑料、硬聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PP）、聚丙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE）和玻璃鋼等。5.2.1酚醛塑料也叫法奧利特。它有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。能耐大部分酸性介質和有機溶劑的腐蝕。在氯堿、農藥和染料工業(yè)中廣泛用來制作攪拌器，管件閥門和設備襯里，它的主要缺點是沖擊韌性差，易損壞。第53頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.2硬聚氯乙烯是在化工、石油部門應用最廣泛的一種塑料。它的化學穩(wěn)定性極高，除強氧化劑、芳香族碳氫化合物和碳氫化合物外能耐大部分酸、堿、鹽和有機溶劑的腐蝕。它的加工性能好，可切可焊，并有一定的強度。但是，它的導熱系數小，沖擊韌性低，耐熱性較差。使用溫度為-15—60℃。當溫度在60—90℃時，其強度顯著下降，因此，其使用溫度一般控制在80℃以下。被廣泛地用于制作各種化工設備，如塔、貯槽、容器、尾氣煙囪、離心泵、通風機、管道、管件和閥門等。5.2.3聚乙烯塑料，它是乙烯的高分子聚合物。有優(yōu)良的電絕緣性、防水性和化學穩(wěn)定性。在室溫下，除硝酸以外，對各種酸、第54頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月堿、鹽溶液均穩(wěn)定，對氫氟酸特別穩(wěn)定。聚乙烯可做管道、管件、閥門、泵等，也可以做設備村里，還可涂在金屬表面做防腐涂層。

5.2.4聚四氟乙烯，在耐腐、耐溫（200—250℃）、耐磨等機械性能方面是塑料中最好的一種，俗稱塑料王。它廣泛用于耐蝕密封圈、耐磨零件的制造。5.2.5玻璃鋼又叫玻璃纖維增強塑料。它是一種新型的耐腐蝕材料，它用合成樹脂為粘結劑，以玻璃纖維為增強材料，按一定成型方法制成。玻璃鋼的耐腐蝕性能好，強度高，具有良好的工藝性能，在化工生產中應用日益廣泛。目前應用在化工防腐蝕方面的有：環(huán)氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼（耐酸性好）、呋喃玻璃鋼（耐腐蝕性好）、聚酯玻璃鋼（施工方便）等。第55頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月5.2.6人造石墨也叫樹脂浸漬不透性石墨，它具有較高的化學穩(wěn)定性和良好的導熱性，熱膨脹系數小，耐溫度高；不污染介質，能保證產品純度；加工性能良好和相對密度小，并且具有良好的導熱性和導電性。缺點是強度低脆性大。現已制成各種類型的耐強腐蝕性的換熱器、管材、管件和用作機械密封中的密封環(huán)和壓力容器用的安全爆破片等。如氯堿生產中所應用的換熱器和鹽酸合成爐等。5.2.7合成橡膠，主要有丁睛橡膠、丁苯橡膠等。其耐腐蝕性很好，而且不會污染介質，主要用于設備與管道的防腐襯里。第56頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第六節(jié)管路連接件和閥門6.0化工設備管路的標準化設計

6.0.1標準化的意義從產品的設計、制造、檢驗和維修等諸多方面來看，標準化是組織現代化生產的重要手段。實現標準化，有利于成批生產，縮短生產周期，提高產品質量，降低成本，從而提高產品的競爭能力；實現標準化，可以增加零部件的互換性，有利于設計、制造、安裝和維修、提高勞動生產率。標準化為組織專業(yè)化生產提供了有利條件，有利于合理地利用國家資源，節(jié)省原材料，能夠有效地保障人民的安全與健康；采用國際性的標準化，可以消除貿易障礙，提高競爭能力。（例）中國有關部門已經制定了一系列容器零部件的標準，如封頭、法蘭、支座、人孔、手孔和視鏡等。第57頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.0.2容器及其零部件標準化的基本參數壓力容器的直徑和操作壓力由工藝條件確定。在進行容器及其零部件的機械設計時，則應盡量采用標準化系列。壓力容器及其零部件標準化的基本參數是公稱直徑DN和公稱壓力PN。A、※公稱直徑DN①對由鋼板卷制的筒體和成型封頭來說，公稱直徑是指它們的內徑；②對管子來說，公稱直徑既不是它的內徑，也不是外徑，而是小于管子外徑的一個數值。只要管子的公稱直徑一定，它的外徑也就確定了。而管子的內徑則根據厚度的不同有多種尺寸，它們大都接近于管子的公稱直徑。第58頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月③引入公稱直徑和公稱壓力的原因：由于鋼管或桶體在使用時往往需要和法蘭、管件及各類閥門相連接，這就要求這兩個零件必須具有可以相配合的表面。人們約定：凡是能實現連接的管子與法蘭、管子與管件、管子與閥門，就規(guī)定這兩個連接件具有相同的公稱直徑和公稱壓力。例如公稱直徑為200mm的管法蘭，指的是聯接公稱直徑為200mm管子用的管法蘭。公稱直徑是1000mm的壓力容器法蘭，指的是公稱直徑為1000mm容器筒體和封頭用的法蘭。B、公稱壓力PN在制定零部件標準時，僅有公稱直徑這一個參數是不夠的。因為，即使是公稱直徑相同的筒體、封頭或法蘭，只要它們的工作壓力不相同，它們的其他尺寸也就不會一樣。所以還需要將壓力容器和管子等零部件所承受的壓力，也分成若于個規(guī)定的壓力等級。這種規(guī)定的標準壓力等級就是公稱壓力。第59頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.0.3管徑的選擇與壁厚的確定

A.影響管徑大小的因素

流體輸送管路的直徑根據流量和流速確定。

流量由工藝條件決定，流速由下表選擇，流速過大，管徑減少，但流體流過管道時的阻力增大，消耗的動力增大，故操作費用增加。反之，若流速選擇過小，雖然可以降低操作費用，但管徑增大會使基建投資上升。

B.管徑的計算與選用

管子的內徑：第60頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月C.管子壁厚的計算：當管子輸送流體介質時，通常管內介質有一定的壓力，故要求管壁有足夠的強度。管子計算厚度公式如下：其中：δ—管子計算厚度，mm；

pc----管子計算壓力，MPa；

[σ]---管子許用應力，MPa；

φ----修正系數第61頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1管路及其連接件6.1.1直管（按用途、材質、形狀、連接方式分類）管子按材質可分為金屬管和非金屬管兩大類，在金屬管子中尤以鋼管使用最為廣泛，除特殊要求外，化工、石油化工、鋼鐵、電力等工業(yè)領域的壓力管道主要使用鋼管。鋼管可分為無縫鋼管和焊接鋼管兩大類，焊接鋼管（簡稱焊管）又分為直縫管和螺旋焊管。無縫鋼管按冶煉方式分為熱軋和冷拔兩種。規(guī)定鋼管長度6～12m，壁厚為熱軋2.5－－75mm，冷拔0.25—14mm（無縫管、有縫管見P151）非金屬管襯塑管（聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、橡膠）第62頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2金屬管件在管系中改變走向、標高或改變管徑以及由主管上引出支管等均需用管件。管件可用鋼板焊制、鋼管熱推制或液壓成形、鑄造或鍛制等方法制作。6.1.2.1管件的種類管件有不同的分類方法，按管件的用途、使用目的分類如表第63頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月第64頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1.2.2管件連接處的形狀

管件的連接方式不同，其連接處形狀也不同。一般有對焊連接型、螺紋連接型、承插焊連接型以及法蘭連接型等四種，這也是常用的四種管道連接方式。在低壓管路中，流量計及蝶閥等有時也采用對夾式連接方式連接。A.對焊連接型國家標準GB12459－90《鋼制對焊無縫管件》規(guī)定了碳鋼、合金鋼和奧氏體不銹鋼制對焊無縫管件的尺寸、公差、技術條件、檢驗和標志。該標準適用于石油、化工、水電、冶金等部門的管道工程用對焊無縫管件。對焊連接型管件通常用在大于或等于DN40的管道上。廣泛地應用于可燃物料的管道，也用于高的壓力-溫度等級的其他物料管道。對焊連接管件比其他連接形式可靠。價格便宜、沒有泄漏點。管件中的彎頭、三通、大小頭（異徑管）多用無縫鋼管熱推制或液壓成形，大管徑者用鋼板成型焊制。異徑管有同心異徑管和偏心異徑管之分。偏心異徑管可保持管底平或管頂平。第65頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月B.承插焊接型管件標準SHJ410—90《鍛鋼制承插焊管件》適用于石油化工企業(yè)管道用公稱直徑DN15-80的鍛鋼制承插焊管件。C.螺紋連接型管件螺紋連接型管件通常由鍛鋼、鑄鐵、可鍛鑄鐵、鑄鋼等制作。鑄鐵螺紋管件適用于低壓水、氣管道，鑄鋼螺紋管件做為高溫高壓管件，材質為碳素鋼、鉬鋼、鉻鉬鋼等。管件的螺紋多為錐管螺紋，少數是圓柱型螺紋。D.法蘭型管件法蘭是管件的一種，主要用于管子與管件、閥門、設備的連接，為與容器法蘭相區(qū)別，有時也稱管法蘭。法蘭的種類很多，可根據法蘭與管子的連接方式、法蘭密封面形狀以及壓力一溫度等級進行分類。不同連接方式的法蘭，可有相同或不同的密封面形狀；同一連接方式的法蘭亦可有相同或不同的密封面形狀；法蘭與管子連接的形式有對焊、平焊、螺紋、承插焊和翻邊活動式（又稱活套法蘭）等五種。第66頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月

翻邊活套法蘭一般與翻邊管接頭組合使用，管子與翻邊管接頭對焊連接，法蘭套在翻邊管接頭外。優(yōu)點是法蘭可旋轉，易于對準螺釘孔，使用在大直徑管路上易于安裝，也可用于需頻繁拆卸的地方。使用這種法蘭時，管接頭材質必須與管材一致，而法蘭材質不一定與管材一致，因而對貴重材料管道可采用廉價材質的法蘭與之配合，達到經濟目的。這種法蘭承受內壓的能力與平焊法蘭相同，比對焊法蘭差；疲勞壽命僅為對焊法蘭的10％，不能使用在交變應力作用下的場合。第67頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月6.2閥門閥門是煉油和石油化工等管道系統的重要組成部件，在生產過程中起著重要作用。其主要功能是：接通和截斷介質；防止介質倒流；調節(jié)介質壓力、流量；分離、混合或分配介質；防止介質壓力超過規(guī)定數值，以保證管道或設備安全運行等。閥門投資約占裝置配管費用的40％—50％。選用閥門主要從裝置無故障操作和經濟兩方面考慮。6.2.1閥門的分類與選用原則閥門的各種分類如表第68頁，課件共75頁，創(chuàng)作于2023年2月閥門選用一般要考慮下述原則：

（1）輸送流體的性質如流體為液體、氣體、蒸汽、漿液、懸浮液、粘稠液等；流體是否帶有固體顆粒、粉塵、化學物質等；（2）閥門的功能選用時應考慮每種閥門