化工設備材料及其選擇

1、緒論緒論 一、問題的提出一、問題的提出 二、課程內容二、課程內容 （一）設備是工藝的基礎（一）設備是工藝的基礎 （二）材料是設備的基礎（二）材料是設備的基礎 （一）基礎篇（一）基礎篇材料材料 材料的性能材料的性能 碳鋼碳鋼 特殊性能鋼特殊性能鋼合金鋼合金鋼 常用三類鋼常用三類鋼 封頭 人孔 支座筒體 管口 液位計 內壓容器內壓容器外壓容器的失穩(wěn)外壓容器的失穩(wěn) （二）理論篇（二）理論篇中低壓容器設計（內壓和外壓）中低壓容器設計（內壓和外壓） 換熱器換熱器攪拌器攪拌器塔設備塔設備 （三）實踐篇（三）實踐篇典型設備（換熱器、塔設備、攪拌器）典型設備（換熱器、塔設備、攪拌器） 化工設備機械基礎化工設備

2、機械基礎 u壓力容器的常規(guī)設計方法壓力容器的常規(guī)設計方法 u內壓、外壓（中、低壓）內壓、外壓（中、低壓） u幾類常用化工設備幾類常用化工設備 u 換熱設備、塔設備、攪拌設備換熱設備、塔設備、攪拌設備 參考書目 u化工設備機械基礎，化工設備機械基礎編寫組，北京： 化學工業(yè)出版社，1979 u化工容器及設備，余國琮主編，北京：化學工業(yè)出版 社，1980 u化工容器設計，化工設備設計全書編委員會，上海： 上?？茖W技術出版社，1987 u過程設備設計，鄭津洋等主編，北京：化學工業(yè)出版 社，2005 uGB150-98鋼制壓力容器，北京：學苑出版社， 1998 第一章第一章 化工設備材料及其選擇化工設備

3、材料及其選擇 教學重點：教學重點： （1）材料的力學性能）材料的力學性能； （2）化工設備材料的選擇。）化工設備材料的選擇。 教學難點：教學難點： 材料的性能。材料的性能。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 一、化工設備選材的重要性和復雜性一、化工設備選材的重要性和復雜性 1.1.操作條件的限制操作條件的限制 2.2.制造條件的限制制造條件的限制 3.3.材料自身性能的限制材料自身性能的限制 二、選材要遵循二、選材要遵循 適用、安全和經濟的原則。適用、安全和經濟的原則。 第二節(jié)第二節(jié) 材料的性能材料的性能 一、力學性能一、力學性能 材料在外力材料在外力(或外加能量或外加能量)作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行作用

4、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生超過允為，包括變形和抗力，即在外力作用下不產生超過允 許的變形或不被破壞的能力。許的變形或不被破壞的能力。 硬硬 度度 強強 度度 塑塑 性性 韌韌 性性 金屬材料承受載荷作用，金屬材料承受載荷作用， 當載荷不再增加或緩慢當載荷不再增加或緩慢 增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明 顯的塑性變形，這種現(xiàn)顯的塑性變形，這種現(xiàn) 象就稱為屈服。象就稱為屈服。 1、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變 形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強度持久強度D 蠕變強度蠕變強度n 屈服強度屈服強度s(

5、0.2) 抗拉強度抗拉強度b 疲勞極限疲勞極限n 常溫拉應力下常溫拉應力下20號鋼的拉抻試驗號鋼的拉抻試驗 l0=10d0 l0= 5d0 或或 從開始加載到發(fā)生斷裂所從開始加載到發(fā)生斷裂所 能達到的最大應力值，叫能達到的最大應力值，叫 做抗拉強度。做抗拉強度。 開始出現(xiàn)塑性變形時的應開始出現(xiàn)塑性變形時的應 力，稱為力，稱為“屈服點屈服點”s ss s sb 1、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變 形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強度持久強度D 蠕變強度蠕變強度n 屈服強度屈服強度s(0.2) 抗拉強度抗拉強度b 疲勞極限疲勞極限n 金屬在拉

6、伸條件下，金屬在拉伸條件下， 從開始加載到發(fā)生從開始加載到發(fā)生 斷裂所能承受的最斷裂所能承受的最 大應力值，叫作抗大應力值，叫作抗 拉強度。拉強度。 1 1、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變 形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強度持久強度D 蠕變強度蠕變強度n 屈服強度屈服強度s(0.2) 抗拉強度抗拉強度b 疲勞極限疲勞極限n 材料在高溫下，在材料在高溫下，在 一定的應力下，抵一定的應力下，抵 抗發(fā)生緩慢塑性變抗發(fā)生緩慢塑性變 形的能力。形的能力。 材料在高溫下，抵抗材料在高溫下，抵抗 發(fā)生斷裂的能力。發(fā)生斷裂的能力。 1 1、強度：固體

7、材料在外力作用下抵抗產生塑性變、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變 形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強度持久強度D 蠕變強度蠕變強度n 屈服強度屈服強度s(0.2) 抗拉強度抗拉強度b 疲勞極限疲勞極限n 材料在材料在交變載荷交變載荷作用下，作用下， 會在遠低于材料本身的屈會在遠低于材料本身的屈 服點時就已經斷裂了，這服點時就已經斷裂了，這 種現(xiàn)象就是疲勞。我們把）種現(xiàn)象就是疲勞。我們把） 經過經過106108次次循環(huán)試驗循環(huán)試驗 而不發(fā)生斷裂的最大應力，而不發(fā)生斷裂的最大應力， 作為疲勞強度。作為疲勞強度。 1 1、強度：固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變、強度：固體材料在外力作

8、用下抵抗產生塑性變 形和斷裂的特性。形和斷裂的特性。 持久強度持久強度D 蠕變強度蠕變強度n 屈服強度屈服強度s(0.2) 抗拉強度抗拉強度b 疲勞極限疲勞極限n 2、塑性塑性： 金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的 能力。能力。 主要有兩個塑性指標：主要有兩個塑性指標： 延伸率延伸率 斷面收縮率斷面收縮率 %100%100 0 0 0 l ll l l KK %100%100 0 0 0 F FF F F KK 3、韌性：韌性： 表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量 的能力，也就是材料抵抗裂紋擴展的能力。的能力，也就

9、是材料抵抗裂紋擴展的能力。 承受承受靜靜載荷抗裂紋擴展的能力載荷抗裂紋擴展的能力 缺口敏感性缺口敏感性 承受承受動動載荷時抗裂紋的能力載荷時抗裂紋的能力 沖擊韌性沖擊韌性 沖擊功AK=GH1-GH2，而沖擊韌度K= AK/F（F為面積） 圖圖1-1沖擊試樣的安放沖擊試樣的安放 1-擺錘擺錘2-試樣試樣3-機座機座 圖圖1-2 沖擊試驗原理沖擊試驗原理 1-擺錘擺錘2-試樣試樣 韌性高的材料，塑性好；塑性較高韌性高的材料，塑性好；塑性較高 的材料，韌性也好。的材料，韌性也好。 問題問題 判斷正誤并說出理由判斷正誤并說出理由 注意！韌性是材料在外加動載荷注意！韌性是材料在外加動載荷 突然襲擊時的一

10、種及時和迅速塑性突然襲擊時的一種及時和迅速塑性 變形的能力。韌性高的材料，一般變形的能力。韌性高的材料，一般 都有較高的塑性指標；但塑性較高都有較高的塑性指標；但塑性較高 的材料，卻不一定都有高的韌性。的材料，卻不一定都有高的韌性。 其所以如此，就是因為靜載菏下能其所以如此，就是因為靜載菏下能 夠緩慢塑性變形的材料在動載荷夠緩慢塑性變形的材料在動載荷 下不一定能迅速塑性變形。下不一定能迅速塑性變形。 （2）缺口敏感性）缺口敏感性 指在帶有一定應力集中的缺口條件下，并且在靜載荷作用條件指在帶有一定應力集中的缺口條件下，并且在靜載荷作用條件 下，抵抗裂紋擴展的能力。下，抵抗裂紋擴展的能力。 圖圖1

11、-3 沖擊試驗的標準試樣沖擊試驗的標準試樣 4、硬度硬度： 金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內的能力。金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內的能力。 表示金屬材料在一個小的體積范圍內抵抗表示金屬材料在一個小的體積范圍內抵抗 彈性變形、塑性變形或破斷的能力。彈性變形、塑性變形或破斷的能力。 布氏硬度布氏硬度HB（一般在（一般在HB450以上就不能使以上就不能使 用用) 、 洛氏硬度洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材可以用于硬度很高的材 料料) 、 維氏硬度維氏硬度HV ( 比洛氏硬度更適合于測比洛氏硬度更適合于測 定極薄試樣的硬度定極薄試樣的硬度) ，顯微硬度。，顯微硬度。 材料的力學性能所包括的

12、強度、塑性、韌性、材料的力學性能所包括的強度、塑性、韌性、 硬度四個指標中，強度和塑性占主導地位，硬度四個指標中，強度和塑性占主導地位， 但使用時要考慮溫度的變化。但使用時要考慮溫度的變化。 s s T T s s 二、二、物理性能物理性能 相對密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性、相對密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性、 彈性模數(shù)與泊桑比等。彈性模數(shù)與泊桑比等。 2、彈性模量彈性模量E E 材料在彈性范圍內，應力和應變成正比，即材料在彈性范圍內，應力和應變成正比，即E，這個這個 比例系數(shù)比例系數(shù)E稱為彈性模量，表示金屬材料在彈性變形階段稱為彈性模量，表示金屬材料在彈性變形階段

13、的應力和應變關系。的應力和應變關系。 對不同材料，材料的彈性模量越大使它產生一定量的彈對不同材料，材料的彈性模量越大使它產生一定量的彈 性變形的應力也越性變形的應力也越。對同一種材料，彈性模數(shù)。對同一種材料，彈性模數(shù)E隨溫隨溫 度的升高而度的升高而。 t l l 1 1 1、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù) 2.泊桑比泊桑比 泊桑比是拉伸試驗中試件泊桑比是拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸單位橫向收縮與單位縱向伸 長之比長之比，以，以表示。對于各種鋼材它近乎為一個常數(shù)，表示。對于各種鋼材它近乎為一個常數(shù)， 即即0.3。 b 1 b 1 l l = 其中 b bb b b 1 l ll l l 1 三

14、、化學性能三、化學性能 1 1、耐腐蝕性、耐腐蝕性 金屬和合金對周圍介質，如大氣、水汽、各種電解液金屬和合金對周圍介質，如大氣、水汽、各種電解液 侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。 2 2、抗氧化性、抗氧化性 在現(xiàn)代工業(yè)生產中的許多高溫化工設備，在高溫工作在現(xiàn)代工業(yè)生產中的許多高溫化工設備，在高溫工作 條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣 體介質如水蒸氣，體介質如水蒸氣，CO2、SO2等的氧化腐蝕作用，因此等的氧化腐蝕作用，因此 鍋爐給水中的含氧量和其他介質中的硫及其他雜質的鍋爐給水中的含氧量和其他介質中的硫及其他雜

15、質的 含量對鋼的氧化是有一定影響的。含量對鋼的氧化是有一定影響的。 表表1-1 幾種材料在不同溫度和濃度的酸、堿和鹽類介質中的耐腐蝕性幾種材料在不同溫度和濃度的酸、堿和鹽類介質中的耐腐蝕性 金屬和合金的工藝性能是指鑄造性、可鍛性、可金屬和合金的工藝性能是指鑄造性、可鍛性、可 焊性、切削加工性、熱處理性能等直接影響化工焊性、切削加工性、熱處理性能等直接影響化工 設備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時設備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時 必須考慮的因素。必須考慮的因素。 良好的冷熱加工性能良好的冷熱加工性能 良好的焊接性能良好的焊接性能 四、加工工藝性能四、加工工藝性能 第三節(jié)金屬材料的

16、分類及牌號第三節(jié)金屬材料的分類及牌號 一、分類一、分類 1、金屬的分類、金屬的分類 鑄造生鐵鑄造生鐵 金屬金屬 黑色金屬黑色金屬 有色金屬有色金屬 生鐵生鐵 鋼鋼 煉鋼生鐵煉鋼生鐵 合金生鐵合金生鐵 銅及其合金銅及其合金 輕金屬及其合金輕金屬及其合金 其它有色及其合金其它有色及其合金 純銅（紫銅）純銅（紫銅） 銅鋅合金（黃銅）銅鋅合金（黃銅） 銅錫合金（錫青銅）銅錫合金（錫青銅） 無錫合金（鋁青銅等）無錫合金（鋁青銅等） 鋁及鋁合金鋁及鋁合金 鈦及鈦合金鈦及鈦合金 鎂及鎂合金鎂及鎂合金 鉛、錫及其合金鉛、錫及其合金 鋅及其合金鋅及其合金 鎳、鈷及其合金鎳、鈷及其合金 2、鋼的分類鋼的分類 二、

17、鋼鐵牌號及表示方法（二、鋼鐵牌號及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 1、碳素結構鋼：、碳素結構鋼： 1）普通碳素結構鋼（）普通碳素結構鋼（GB700-88） 代表鋼材屈服點的字母代表鋼材屈服點的字母 屈服點的數(shù)值屈服點的數(shù)值 材料質量等級符號材料質量等級符號 脫氧方法符號，脫氧方法符號， 常用常用Q235B，Q235C，Q235AF 2）優(yōu)質碳素結構鋼（）優(yōu)質碳素結構鋼（GB711-88） 較普通碳素結構含較普通碳素結構含S、P量較少，表面質量較好。量較少，表面質量較好。 常用常用10、15 、20g、20R和和20等。等。 表表1-2 壓力容器用碳素鋼鎮(zhèn)靜鋼板的適

18、用范圍表壓力容器用碳素鋼鎮(zhèn)靜鋼板的適用范圍表 鋼板鋼板 牌號牌號 使用溫使用溫 度度 設計設計 壓力壓力 MPa 殼體鋼殼體鋼 板厚度板厚度 mm 其它限制其它限制 Q235-B 0350 1.6 20 不得用于毒不得用于毒 性程度為高性程度為高 度或極度危度或極度危 害介質的壓害介質的壓 力容器力容器 Q235-C 0400 2.5 30 二、鋼鐵牌號及表示方法（二、鋼鐵牌號及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 2、合金（高強度）鋼、合金（高強度）鋼 在碳素鋼的基礎上加入少量合金元素。在碳素鋼的基礎上加入少量合金元素。 特別：鍋爐鋼和容器鋼特別：鍋爐鋼和容器鋼 主要

19、用于殼體或鍋爐承壓元件。主要用于殼體或鍋爐承壓元件。 如如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。等。 性能指標等見附錄。性能指標等見附錄。 二、鋼鐵牌號及表示方法：二、鋼鐵牌號及表示方法： 3、特殊性能鋼、特殊性能鋼 主要指不銹耐酸鋼主要指不銹耐酸鋼 鉻不銹鋼，如鉻不銹鋼，如1Cr13 鉻鎳不銹鋼，如鉻鎳不銹鋼，如0Cr18Ni9 節(jié)鎳不銹鋼節(jié)鎳不銹鋼 三、有色金屬三、有色金屬 鋁鋁良好的導電、導熱性，耐濃硝酸良好的導電、導熱性，耐濃硝酸 換熱器，塔，深冷設備換熱器，塔，深冷設備 銅銅良好的導電性，低溫韌性好良好的導電性，低溫韌性好 蒸發(fā)器、蛇管、墊片等蒸發(fā)器、蛇管、墊片等 鉛鉛能防輻

20、射，耐稀硫酸等能防輻射，耐稀硫酸等 制作襯里制作襯里 第四節(jié) 化工設備的腐蝕及防腐 一、金屬的腐蝕一、金屬的腐蝕 1.1.定義：定義： 金屬與周圍介質發(fā)生化學或電化學作用而引起的金屬與周圍介質發(fā)生化學或電化學作用而引起的 破壞現(xiàn)象。破壞現(xiàn)象。 2.2.類型類型（腐蝕過程有無電流產生）（腐蝕過程有無電流產生） 1 1）化學腐蝕（如氫腐蝕）化學腐蝕（如氫腐蝕） 2 2）電化學腐蝕（如晶間腐蝕，應力腐蝕）電化學腐蝕（如晶間腐蝕，應力腐蝕） 二、常見腐蝕類型二、常見腐蝕類型 1. 氫腐蝕氫腐蝕 氫氣在較低溫度和壓力氫氣在較低溫度和壓力( (200200，5.0MPa)5.0MPa)下下 對普通碳鋼及低

21、合金鋼不會有明顯的腐蝕，但是對普通碳鋼及低合金鋼不會有明顯的腐蝕，但是 在高溫高壓下則會對它們產生腐蝕，結果使材料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(xiàn)的機械強度和塑性顯著下降，甚至損壞，這種現(xiàn) 象常稱為象常稱為“氫腐蝕氫腐蝕”。 二、常見腐蝕類型二、常見腐蝕類型 2. 晶間腐蝕晶間腐蝕 發(fā)生在晶界，晶粒發(fā)生在晶界，晶粒 之間結合力下降，之間結合力下降， 與元素與元素CrCr的含量有關。的含量有關。 圖圖1-1 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕 二、常見腐蝕類型二、常見腐蝕類型 3. 應力腐蝕應力腐蝕 金屬在腐蝕介質和拉應力金屬在腐蝕介質和拉應力 的共同作用下產生的一種的共同作用下產生的一種 破壞形式。腐蝕與拉應力破壞形式。腐蝕與拉應力 起互相促進的作用。起互相促進的作用。 圖圖1-2 應力腐蝕的裂紋擴展應力腐蝕的裂紋擴展 三、金屬