化工設備材料

化工設備材料概述不同的生產(chǎn)條件對設備材料要求不同。合理選擇材料是設計化工設備主要環(huán)節(jié)。各種化學生產(chǎn)工藝要求不同—-

壓力：真空-常壓-高壓-超高壓

溫度：低溫-高溫

其他：腐蝕性、易燃、易爆等一、材料的性能（一）力學性能金屬材料在外力作用下抵抗變形或破壞的能力。如強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。是化工設備設計中材料選擇及計算時決定許用應力的依據(jù)。

1.強度材料抵抗外加載荷而不失效、不被破壞的能力。即材料達到允許變形程度或斷裂前所能承受的最大應力。疲勞破壞：金屬材料在小于屈服強度的交變載荷長期作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。不產(chǎn)生明顯塑性變化，突然發(fā)生，造成事故。蠕變：金屬材料在一定應力下高溫長期工作，產(chǎn)生緩慢塑性變形。如，高溫高壓蒸汽管道由于蠕變，管徑會隨時間延長不斷增大，最后導致破裂。2.硬度材料在表面上的不大體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。不是金屬獨立的基本性能，而是反映材料彈性、強度與塑性等的綜合指標。硬度高的材料強度高，耐磨性好，而切削加工性能較差。

3.塑性材料受力時，當應力超過屈服點后，能產(chǎn)生顯著的變形而不即行斷裂的性質(zhì)。塑性好的材料才能進行成型加工，如彎曲和沖壓等；使用中可產(chǎn)生塑性變形而避免發(fā)生突然斷裂。承受靜載荷的容器及零件，制作材料要求一定的塑性。4.韌性材料在外加凍載荷突然襲擊時的一種及時并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，但塑性指標較高的材料不一定具有高韌性。對于承受有波動或沖擊載荷的零件及低溫條件下使用的設備，必須考慮其沖擊韌性。（二）物理性能密度、熔點、比熱容、導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、導電性、磁性、彈性模量、泊桑比等。

彈性模量E（MPa）：材料在彈性范圍內(nèi)應力與應變之間的比例系數(shù)，是金屬材料最穩(wěn)定的性能之一。隨溫度升高而降低。

泊桑比（u）：試件橫向應變與縱向應變之比。對于鋼材，u=0.3（三）化學性能材料在所處介質(zhì)中的化學穩(wěn)定性，即材料是否會與周圍介質(zhì)發(fā)生化學或電化學作用而引起腐蝕。1.耐腐蝕性金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液浸蝕的抵抗能力。耐蝕性不強，必將影響設備使用壽命，有時還影響產(chǎn)品質(zhì)量。2.抗氧化性化工生產(chǎn)中，很多設備和機械在高溫下操作。高溫下，鋼鐵不僅與自由氧發(fā)生氧化腐蝕，使鋼鐵表面形成結(jié)構(gòu)疏松且易剝落的FeO氧化皮；還會與水蒸氣、二氧化碳、二氧化硫等氣體產(chǎn)生高溫氧化與脫碳作用，使鋼的力學性能下降，特別是降低材料的表面硬度和抗疲勞強度。高溫設備必須選用耐熱材料。（四）加工工藝性能包括可鑄造性能、可鍛造性能、可焊性能和可切削加工性能等。這些性能直接影響化工設備和零部件的制作工藝方法和質(zhì)量。二、碳鋼與鑄鐵鋼和鑄鐵是工程應用最廣泛、最重要的金屬材料。由95%以上的鐵和0.05%-4%的碳及1%左右的雜質(zhì)元素所組成的合金，稱鐵碳合金。含碳量0.02%-2%稱為鋼含碳量大于2%成為鑄鐵（一）鋼的熱處理鋼、鐵在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式，改變金相組織以滿足所要求的物理、化學和力學性能。

1、普通熱處理

①退火：把鋼工件放在爐中緩慢加熱到臨界點以上的某一溫度，保溫一段時間，隨爐緩慢冷卻下來。②正火：與退火不同之處在于加熱后的工件從爐中取出置于空氣中冷卻，冷卻速度要比退火快一些，因而晶粒更細。退火和正火相似，可降低硬度，提高塑性，便于切削加工；調(diào)整金相組織，細化顆粒，促進組織均勻化，提高力學性能；消除部分內(nèi)應力，防止工件變形。鑄、鍛件在切削加工前一般要進行退火和正火。

③淬火：將工件加熱至淬火溫度（臨界點以上30-50℃）并保溫一段時間，然后投入淬火劑中冷卻。淬火劑一般用空氣、油、水、鹽水等（冷卻能力遞增）可增加零件的硬度、強度和耐磨性。冷卻太快容易引起變形或裂紋，太慢則達不到技術(shù)要求。因此淬火是產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵所在。④回火：零件淬火后進行的一種較低溫度的加熱與冷卻熱處理工藝?？山档突蛳慵慊鸷蟮膬?nèi)應力，提高韌性；使金相組織趨于穩(wěn)定，并獲得技術(shù)上需要的性能。2.表面淬火將工件的表面通過快速加熱到臨界溫度以上，在熱量還來不及傳導至中心部之前，迅速冷卻來改變鋼的表層組織，而中心部沒有發(fā)生相變?nèi)员３衷械慕M織狀態(tài)。經(jīng)表面淬火，可使零件表面層比中心部具有更高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度，而中心部則具有一定韌性。3.化學熱處理將零件放在某種化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫、冷卻等方法，使介質(zhì)中的某些元素滲入零件表面，改變表面層的化學成分和組織結(jié)構(gòu)，從而使零件表面具有某種化學性能。滲碳、氰可提供硬度和耐磨性滲鋁可提高耐熱、耐氧化性滲硅可提高耐酸性（二）分類與編號按用途：建筑鋼、結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼）按含碳量：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼按脫氧方式：鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼按冶煉質(zhì)量：碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼

1.普通碳素鋼（GB700-88）

①Q(mào)+數(shù)字+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號

它的鋼號冠以“Q”，代表鋼材的屈服點，后面的數(shù)字表示屈服點數(shù)值，單位是MPa例如Q235表示屈服點（σs）為235

MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。普通碳素鋼有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五個鋼種。

②必要時鋼號后面可標出表示質(zhì)量等級和脫氧方法的符號。質(zhì)量等級符號分別為A、B、C、D。脫氧方法符號：F表示沸騰鋼（脫氧不完全）；Z表示鎮(zhèn)靜鋼（脫氧完全）；b表示半鎮(zhèn)靜鋼（介于兩者之間）TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，鎮(zhèn)靜鋼可不標符號，即Z和TZ都可不標。例如Q235-AF表示A級沸騰鋼。

2.優(yōu)質(zhì)碳素鋼含硫、磷有害雜質(zhì)元素較少，剛組織均勻，表面質(zhì)量高，保證鋼材的化學成分和力學性能，但成本較高。編號僅用兩位數(shù)字表示，鋼號順序為08、10、15、20、25、30、35、40、45、50…80等。鋼號數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬分之幾，如45號鋼表示鋼中含碳量平均為0.45%（0.42-0.50%）①優(yōu)質(zhì)低碳鋼（含碳量小于0.25%），如08、10、15、20、25。強度較低，但塑性好，焊接性能好。在化工設備制造中常用作熱交換器列管、設備接管、法蘭的墊片包皮。②優(yōu)質(zhì)中碳鋼（含碳量0.3-0.6%），如30、35、40、45、50、55。強度較高，韌性較好，但焊接性能較差，不適宜做化工設備的殼體，但可作換熱設備管板，強度要求較高的螺栓、螺母等。45號鋼常用作化工設備中的傳動軸（攪拌軸）③優(yōu)質(zhì)高碳鋼（含碳量大于0.6%），如60、65、70、80。強度與硬度均較高。60、65鋼主要用來制造彈簧；70、80用來制造鋼絲繩等。3.高級優(yōu)質(zhì)鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼比優(yōu)質(zhì)鋼中含硫、磷量還少（均小于0.03%）。它的表示方法是在優(yōu)質(zhì)鋼號后面加一個A，如20A。（三）碳鋼的品種與規(guī)格

1、鋼板分為薄鋼板和厚鋼板兩大類。薄鋼板厚度0.2-0.4mm的冷軋和熱軋兩種；厚鋼板為熱軋。壓力容器主要用熱軋后鋼板制造。

2、鋼管分為無縫鋼管和有縫鋼管兩種。無縫鋼管有冷軋和熱軋，冷軋的外徑和壁厚尺寸精度均較熱軋的高。還有專門用途的無縫鋼管，如熱交換器用鋼管。有縫管、水煤氣管分鍍鋅（白鐵管）和不鍍鋅（黑鐵管）兩種。

3、型鋼主要有圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼（等邊與不等邊）、工字鋼和槽鋼。圓鋼和方鋼主要用來制造各類軸件；扁鋼用來做各種漿葉；角鋼、工字鋼及槽鋼用作各種設備的支架、塔盤支撐及各種加強結(jié)構(gòu)。4、鑄鋼和鍛鋼鑄鋼用ZG表示，牌號有ZG25、ZG35等，用于制造各種承受重載荷的復雜零件，如泵殼、閥門、泵葉輪等。鍛鋼有08、10、15…50等牌號。（四）鑄鐵含碳量一般在2%以上，并含有S、P、Si、Mn等雜質(zhì)。鑄鐵是脆性材料，抗拉強度較低，但具有良好的鑄造性、耐磨性、減震性及切削加工性。在一些介質(zhì)中（濃硫酸、醋酸、鹽溶液、有機溶劑等）具有相當好的耐腐蝕性能。生產(chǎn)成本低廉可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、高硅鑄鐵等。

1、灰鑄鐵牌號用名稱HT和抗拉強度σb值表示。如HT100，表示σb=100MPa。常用灰鑄鐵牌號有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。三、合金鋼隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展，碳鋼已不能完全滿足需要。為改善性能，合金鋼是在碳鋼基礎上有目的加入一些合金元素而形成的鋼材。（一）分類與編號按含合金元素量的多少：低合金鋼（含合金元素總量小于2.5%）、中合金鋼（含合金元素總量2.5-10%）、高合金鋼（含合金元素總量大于10%）。按用途：合金結(jié)構(gòu)鋼（又分為普通低合金鋼、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼）、合金工具鋼、特殊性能鋼（又分為不銹鋼和耐熱鋼）。我國國家標準規(guī)定，合金鋼牌號的表示方法有兩種。一種是用漢字牌號，如35鉻鉬。另一種是用國際化學符號，如35CrMo。數(shù)字表示含碳量的萬分之幾，合金元素符號后面的數(shù)字表示合金元素含量的百分數(shù)（含量小于1.5%可不標）30CrMnSiA，后面的A表示此合金鋼為高級優(yōu)質(zhì)鋼。（二）特殊性能鋼不銹耐酸鋼、耐熱鋼及低溫用鋼。不銹耐酸鋼：不銹鋼和耐酸鋼的總稱。嚴格講不銹鋼是指耐大氣腐蝕的鋼；耐酸鋼是指能抵抗酸及其他強烈腐蝕性介質(zhì)的鋼。耐酸鋼一般都具有不銹的性能，故將兩者統(tǒng)稱不銹鋼。不銹鋼以所含合金元素不同，分為以鉻為主的鉻不銹鋼和以鉻鎳為主的鉻鎳不銹鋼。目前還發(fā)展了節(jié)鎳或無鎳不銹鋼。1.鉻不銹鋼在鉻不銹鋼中，起耐腐蝕作用的主要元素是鉻。鉻在氧化性介質(zhì)中能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜，對鋼材起到保護作用而具有耐腐蝕性。常用1Cr13，2Cr13，0Cr13，0Cr17Ti等。2.鉻鎳不銹鋼鉻鎳不銹鋼的典型鋼號是0Cr19Ni9.它是國家標準中規(guī)定的壓力容器用鋼。鉻鎳不銹鋼除像鉻不銹鋼一樣具有氧化鉻薄膜的保護作用外，還因鎳能使鋼形成單一奧氏體組織而得到強化，使鉻鎳不銹鋼在很多介質(zhì)中比鉻不銹鋼更具有耐蝕性。具有較高的抗拉強度，極好的塑性和韌性。焊接性能和冷彎成型工藝性能很好。是目前用來制造各種貯槽、塔器、反應釜、閥件等化工設備最廣泛的一類不銹鋼。使用范圍-196~600℃四、有色金屬材料鐵以外的金屬，也稱有色金屬。有色金屬有很多優(yōu)越的特殊性能，如良好的導電性、導熱性、熔點高、在空氣、海水以及一些酸堿介質(zhì)中耐腐蝕等。但價格比較貴。常用鋁、銅、鉛、鈦等。五、非金屬材料可做單獨的結(jié)構(gòu)材料，又可做金屬設備的保護襯里、涂層，還可以做設備的密封材料、保溫材料和耐火材料。要求有良好的耐腐蝕性，足夠的強度，滲透性、孔隙和吸水性要求小，熱穩(wěn)定性好，容易加工制造，成本低，來源豐富。

1.無機非金屬材料

①化工陶瓷主要原料是粘土，瘠性（缺少植物生長所需養(yǎng)分）材料和助熔劑。高溫焙燒。耐腐蝕、耐熱、不透性、一定的機械強度。導熱性差、熱膨脹系數(shù)較大、受碰擊或溫差急變易破裂。塔、貯槽、容器、泵、閥門、旋塞、反應器、攪拌器、管道、管件等。多孔陶瓷閥芯黃陶管②化工搪瓷含硅量高的瓷釉900℃左右高溫煅燒，使瓷釉密著在金屬表面。良好的耐腐蝕、力學性能和電絕緣性。易碎裂。導熱系數(shù)不到鋼的1/4，熱膨脹系數(shù)大。不能直接火焰加熱，可用蒸汽或油浴緩慢加熱，使用范圍-30~270℃反應釜、貯槽、換熱器、蒸發(fā)器、塔、閥門等。

③輝綠巖鑄石輝綠巖熔融后制成。除對氫氟酸和熔融堿不耐腐蝕外，對各種酸、堿、鹽都具有良好的耐腐蝕性能?？芍瞥砂濉⒋u等材料作為設備襯里，也可做管材。鑄石骨料鑄石板材離心鑄石管④玻璃化工用玻璃一般不是鈉鈣玻璃，而是硼玻璃（耐熱玻璃）或高鋁玻璃。它們具有良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。耐腐蝕、清潔、透明、阻力小、價格低。質(zhì)脆、耐溫度急變性差、不耐沖擊和振動。采用在金屬管內(nèi)襯玻璃或用玻璃鋼加強玻璃管道來彌補。用作管道或管件，也可以用作容器、反應器、泵、熱交換器、隔熱閥等。2.有機非金屬材料

①工程塑料高分子樹脂為主要材料，在一定溫度、壓力下制成的型材或產(chǎn)品，總稱塑料。根據(jù)受熱后的變化和性能，分為熱塑性材料和熱固性材料。熱塑性材料是由可以經(jīng)受反復受熱軟化（或熔化）和冷卻凝固的樹脂為基本成分制成的塑料。典型產(chǎn)品有聚氯乙烯、聚乙烯等。熱固性塑料是由經(jīng)加熱轉(zhuǎn)化（或熔化）和冷卻凝固后變成不熔狀態(tài)的樹脂為基本成分制成。在一定溫度下，經(jīng)過一定時間的加熱或加入固化劑即可固化，質(zhì)地堅硬，既不溶于溶劑，也不能用加熱的