化工設(shè)備材料及其選擇知識(shí)

1、第第1章章 化工設(shè)備材料及其選擇化工設(shè)備材料及其選擇一、化工設(shè)備概述一、化工設(shè)備概述二、材料的機(jī)械性能二、材料的機(jī)械性能三、材料的物理化學(xué)性能三、材料的物理化學(xué)性能四、金屬材料的分類與牌號(hào)四、金屬材料的分類與牌號(hào)五、碳鋼與鑄鐵五、碳鋼與鑄鐵六、特種鋼、有色金屬與非金屬六、特種鋼、有色金屬與非金屬七、化工設(shè)備防腐及防腐措施七、化工設(shè)備防腐及防腐措施八、化工設(shè)備選材的原則八、化工設(shè)備選材的原則一、化工設(shè)備概述按壓力分類:1. 1. 設(shè)備的分類設(shè)備的分類內(nèi)壓容器低壓容器(L) 0.1 P1.6MPa中壓容器(M) 1.6 P10MPa高壓容器(H) 10 P100MPa超高壓容器(U) P 100M

2、Pa外壓容器容器按溫度分類:容器高溫容器：高溫容器指在壁溫達(dá)到材料蠕變溫度下工作的容器。對(duì)碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過420，合金鋼超過450，奧氏體不銹鋼超過550。常溫容器：-20 200 中溫容器：溫度介于高溫與常溫之間的容器低溫容器淺冷容器： -40 t -20 深冷容器： t 2%鑄鐵嚴(yán)格地講，應(yīng)2.11%4.3%鑄鐵無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值實(shí)際上，金屬?gòu)?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由金屬離子鍵能計(jì)算出來的理論強(qiáng)度，實(shí)際上，金屬?gòu)?qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于由金屬離子鍵能計(jì)算出來的理論強(qiáng)度，為什么？為什么？晶界處的機(jī)械性能比晶粒差，為什么？晶界處的機(jī)械性能比晶粒差，為什么？由于晶體往往存在晶體缺陷；由于晶體往往存在晶體缺陷；晶

3、界處于案子排列不整齊。晶界處于案子排列不整齊。1. 1. 鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 金屬鐵的三種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是固態(tài)鐵原子重同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是固態(tài)鐵原子重新排列的過程，也是一種結(jié)晶新排列的過程，也是一種結(jié)晶過程；過程；居里溫度：金屬由有磁性變?yōu)榫永餃囟龋航饘儆捎写判宰優(yōu)闊o磁性的溫度。無磁性的溫度。1.3 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(1). 碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體1.4 鐵碳合金的基本組織 鐵素體：碳溶解在鐵素體：碳溶解在-Fe 中形成的固溶體。中形成的固溶體。 0.006% 強(qiáng)度硬度低、韌性

4、塑性好。強(qiáng)度硬度低、韌性塑性好。 奧氏體：碳溶解在奧氏體：碳溶解在-Fe 中形成的固溶體。中形成的固溶體。 最多最多2.06% 強(qiáng)度硬度高，韌性好，塑性低，無磁性。強(qiáng)度硬度高，韌性好，塑性低，無磁性。 只有在只有在t723 時(shí)，奧氏體才存在。時(shí)，奧氏體才存在。 馬氏體：鋼鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急淬下來的固溶體。馬氏體：鋼鐵從高溫奧氏體狀態(tài)急淬下來的固溶體。 硬度高、但很脆，不穩(wěn)定。硬度高、但很脆，不穩(wěn)定。(2). 碳與鐵形成化合物碳與鐵形成化合物滲碳體滲碳體Fe3C 又脆又硬，熔點(diǎn)高。當(dāng)碳含量大于又脆又硬，熔點(diǎn)高。當(dāng)碳含量大于2% 時(shí)，部分碳時(shí)，部分碳以游離的形式存在于鐵碳合金中，即為鑄鐵。滲碳體

5、以游離的形式存在于鐵碳合金中，即為鑄鐵。滲碳體在一定條件下可分解成鐵與碳，但這種游離的碳是以在一定條件下可分解成鐵與碳，但這種游離的碳是以石墨的形式存在的，對(duì)強(qiáng)度影響極大。石墨的形式存在的，對(duì)強(qiáng)度影響極大。 (3). 碳與鐵形成混合物碳與鐵形成混合物 珠光體：鐵素體珠光體：鐵素體(88%)和滲碳體和滲碳體(12%)組成，平均含碳量組成，平均含碳量為為0.8%。性能介于鐵素體與滲碳體之間。性能介于鐵素體與滲碳體之間。 萊氏體：珠光體與初次滲碳體組成。是一種較粗而硬的萊氏體：珠光體與初次滲碳體組成。是一種較粗而硬的組織。組織。1.5 鐵碳合金狀態(tài)圖(亞共析鋼亞共析鋼)(過共析鋼過共析鋼)鐵的熔點(diǎn)鐵

6、的熔點(diǎn)-Fe -Fe 共晶白口鐵共晶白口鐵含碳量（百分含量）含碳量（百分含量）1.6 1.6 碳含量對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響碳含量對(duì)碳鋼機(jī)械性能的影響v 對(duì)碳鋼性能有利的元素2. 2. 雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響 錳錳(Mn)：弱氧化劑，有脫氧和減輕硫的有害作用； 硅硅(Si)：有利于脫氧； 絕大多數(shù)金屬元素：如鈦、鉻、鎳等。v 對(duì)碳鋼性能有害的元素 硫硫(S)：熱脆性； 磷磷(P)：冷脆性； 氧(O)：降低鋼的機(jī)械性能； 氮(N)：時(shí)效現(xiàn)象，使鋼的塑性降低； 氫(H)：氫腐蝕。一般而言，金屬元素的一般而言，金屬元素的存在有利，非金屬元素存在有利，非金屬元素存在不利。存在不利

7、。 退火與正火退火與正火3. 3. 鋼的熱處理鋼的熱處理6 退火退火：把工件加熱到臨界點(diǎn)以上的一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后隨爐一起緩慢冷卻下來。6 正火正火：將加熱后的工件從爐中取出，置于空氣中冷卻。6 退火與正火：可降低硬度，提高塑性；調(diào)整組織，部分改善機(jī)械性能；使組織均勻化，消除部分內(nèi)應(yīng)力。6 正火燒出來的粒子更細(xì)。 鋼鐵在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式。以鋼鐵在固態(tài)下通過加熱、保溫和不同的冷卻方式。以改變其組織，滿足不同要求的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。改變其組織，滿足不同要求的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。 淬火與回火淬火與回火6 淬火淬火：將鋼加熱到淬火溫度臨界點(diǎn)以上3050 ，并保溫一定時(shí)

8、間，然后在淬火劑中冷卻以得到馬氏體組織的一種熱處理工藝?？商岣哂捕?、強(qiáng)度和耐磨性。6 回火回火：在零件淬火后再進(jìn)行一次較低溫度的加熱與冷卻處理工藝?？山档突蛳慊鸷蟮膬?nèi)應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定，并獲得技術(shù)上所需要的性能。4. 4. 鑄鐵鑄鐵低合金鋼低合金鋼 如15MnTi鍋爐鋼鍋爐鋼 如20g容器鋼容器鋼 如20R不銹耐酸鋼：不銹耐酸鋼：如0Cr13、1Cr18Ni9耐熱鋼耐熱鋼 如Cr25Ti、12CrMo耐低溫鋼耐低溫鋼 如15Mn26Al4六、特種鋼、有色金屬、非金屬材料1. 1. 特種鋼特種鋼 鋁及其合金：其鈍化性可用來制造濃硫酸設(shè)備； 銅及其合金：純銅、黃銅、青銅、紫銅； 鉛及其合金

9、鈦及其合金：還可用于航空與醫(yī)療2. 2. 有色金屬有色金屬 熱塑性材料與熱固性材料 PVC PE：HDPE、LDPE PMMA PTFE3. 3. 非金屬材料非金屬材料 據(jù)報(bào)道，由于腐蝕每年報(bào)廢的金屬設(shè)備與材料約相當(dāng)據(jù)報(bào)道，由于腐蝕每年報(bào)廢的金屬設(shè)備與材料約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的三分之一；于金屬年產(chǎn)量的三分之一； 鋼材價(jià)格日益上揚(yáng)：目前鋼材價(jià)格日益上揚(yáng)：目前Q235A的價(jià)格為的價(jià)格為3700元元/噸。噸。 在化學(xué)工業(yè)中，由于設(shè)備腐蝕而造成的生產(chǎn)事故也時(shí)在化學(xué)工業(yè)中，由于設(shè)備腐蝕而造成的生產(chǎn)事故也時(shí)有發(fā)生。有發(fā)生。七、化工設(shè)備腐蝕與防腐1. 1. 金屬腐蝕的評(píng)定方法金屬腐蝕的評(píng)定方法一般只應(yīng)用于均勻

10、腐蝕。一般只應(yīng)用于均勻腐蝕。(1). 根據(jù)重量變化來評(píng)定金屬的腐蝕根據(jù)重量變化來評(píng)定金屬的腐蝕hmgtFppK210(2). 根據(jù)腐蝕深度來評(píng)定金屬的腐蝕根據(jù)腐蝕深度來評(píng)定金屬的腐蝕)/(76. 8100036524ammKKKa金屬與介質(zhì)之間單純由化學(xué)變化所引起的腐蝕(無電流產(chǎn)生)。鈍化作用活化作用2. 2. 金屬腐蝕的分類金屬腐蝕的分類2.1 化學(xué)腐蝕2.1.1 金屬的高溫氧化及脫碳金屬的高溫氧化及脫碳防止辦法：可添加適量的合金元素如鉻、硅、鋁等。防止辦法：可添加適量的合金元素如鉻、硅、鋁等。2.1.2 氫腐蝕氫腐蝕 在較低的溫度和壓力下，氫氣一般對(duì)普通碳鋼不會(huì)有明顯的在較低的溫度和壓力下

11、，氫氣一般對(duì)普通碳鋼不會(huì)有明顯的腐蝕，但在高溫高壓下則能使材料的機(jī)械性能和塑性發(fā)生顯腐蝕，但在高溫高壓下則能使材料的機(jī)械性能和塑性發(fā)生顯著下降；著下降； 在合成氨工業(yè)中，就需要特別注意氫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生；在合成氨工業(yè)中，就需要特別注意氫腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生； 氫腐蝕分為兩個(gè)階段：氫腐蝕分為兩個(gè)階段：氫脆階段氫脆階段：氫氣直接被鋼材吸附，并以原子狀態(tài)向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，氫氣直接被鋼材吸附，并以原子狀態(tài)向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，溶解在鐵素體中形成固溶體，此時(shí)并未發(fā)生化學(xué)變化，但是鋼材顯著溶解在鐵素體中形成固溶體，此時(shí)并未發(fā)生化學(xué)變化，但是鋼材顯著變脆，塑性減少。變脆，塑性減少。 氫侵蝕階段氫侵蝕階段：這時(shí)氫氣與滲碳體發(fā)

12、生化學(xué)反應(yīng)這時(shí)氫氣與滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 42332CHFeHCFe 這一化學(xué)反應(yīng)常發(fā)生在晶界處，生成的甲烷氣聚集在晶界原有的這一化學(xué)反應(yīng)常發(fā)生在晶界處，生成的甲烷氣聚集在晶界原有的微觀孔隙中，形成局部高壓，引起應(yīng)力集中，使晶界變寬，發(fā)生更大微觀孔隙中，形成局部高壓，引起應(yīng)力集中，使晶界變寬，發(fā)生更大的裂紋，或在鋼材表層夾雜等缺陷中形成鼓泡，使機(jī)械性能降低。的裂紋，或在鋼材表層夾雜等缺陷中形成鼓泡，使機(jī)械性能降低。 防止辦法：防止辦法：降低鋼中的碳含量，使其沒有滲碳體的析出；添加合金元素，如鉻、鈦、鉬、鎢、釩等，形成穩(wěn)定的碳化物2.2 電化學(xué)腐蝕(電化學(xué)腐蝕：電化學(xué)腐蝕：有電流產(chǎn)生；(電化學(xué)腐蝕

13、發(fā)生的三個(gè)必要條件電化學(xué)腐蝕發(fā)生的三個(gè)必要條件 陽極過程 陰極過程 電子流動(dòng)3. 3. 金屬腐蝕破壞的形式金屬腐蝕破壞的形式兩種相互接觸的不同金屬浸兩種相互接觸的不同金屬浸在腐蝕介質(zhì)中，由于存在電在腐蝕介質(zhì)中，由于存在電位差，其中電位較低的金屬位差，其中電位較低的金屬往往會(huì)受到腐蝕；往往會(huì)受到腐蝕；防止辦法：可將處于腐蝕介防止辦法：可將處于腐蝕介質(zhì)中的不同金屬連接用絕緣質(zhì)中的不同金屬連接用絕緣材料隔開。材料隔開。4. 4. 幾種特殊的腐蝕形式幾種特殊的腐蝕形式(1). 電偶腐蝕電偶腐蝕(雙金屬腐蝕雙金屬腐蝕)避免電偶腐蝕的例子避免電偶腐蝕的例子金屬在固定拉應(yīng)力和特定介質(zhì)的共同作用下所引起的破裂

14、金屬在固定拉應(yīng)力和特定介質(zhì)的共同作用下所引起的破裂;這里所說的拉應(yīng)力這里所說的拉應(yīng)力,其來源可以是殘余內(nèi)應(yīng)力、也可以是構(gòu)件其來源可以是殘余內(nèi)應(yīng)力、也可以是構(gòu)件在使用過程中所承受的各種應(yīng)力；在使用過程中所承受的各種應(yīng)力；壓應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；壓應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕；使材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)不是一般的介質(zhì)，而是特定的介使材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)不是一般的介質(zhì)，而是特定的介質(zhì)。質(zhì)。(2). 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕防止應(yīng)力腐蝕的辦法：合理選材、控制應(yīng)力、減弱介質(zhì)的浸防止應(yīng)力腐蝕的辦法：合理選材、控制應(yīng)力、減弱介質(zhì)的浸蝕性、消除殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。蝕性、消除殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。金屬部件在介質(zhì)中，如若金

15、屬與金屬或金屬與非金屬之間存金屬部件在介質(zhì)中，如若金屬與金屬或金屬與非金屬之間存在特別小的縫隙，使縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，從而引起在特別小的縫隙，使縫隙內(nèi)的介質(zhì)處于滯留狀態(tài)，從而引起縫內(nèi)金屬的加速腐蝕。縫內(nèi)金屬的加速腐蝕。幾乎所有的金屬和合金都會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕，只是對(duì)腐蝕的敏幾乎所有的金屬和合金都會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕，只是對(duì)腐蝕的敏感性有所不同，不銹鋼的敏感性比碳鋼高；感性有所不同，不銹鋼的敏感性比碳鋼高；幾乎所有的介質(zhì)都可能產(chǎn)生縫隙腐蝕，其中以充氣的含活性幾乎所有的介質(zhì)都可能產(chǎn)生縫隙腐蝕，其中以充氣的含活性陰離子陰離子( (如氯離子如氯離子) )的中性介質(zhì)最易發(fā)生的中性介質(zhì)最易發(fā)生; ;(3).

16、縫隙腐蝕縫隙腐蝕應(yīng)盡量避免形成縫隙應(yīng)盡量避免形成縫隙, ,采用焊接比螺栓連接好；采用焊接比螺栓連接好；罐體不要直接置于多孔性基底上，應(yīng)加支架或支座；罐體不要直接置于多孔性基底上，應(yīng)加支架或支座；設(shè)計(jì)的容器要能使液體能完全排凈；設(shè)計(jì)的容器要能使液體能完全排凈；避免銳角和靜滯區(qū)。避免銳角和靜滯區(qū)。法蘭連接墊片盡可能是不吸水的，如聚四氟乙烯材料。法蘭連接墊片盡可能是不吸水的，如聚四氟乙烯材料。防止縫隙腐蝕的方法防止縫隙腐蝕的方法: 在金屬表面的局部地區(qū)出現(xiàn)向深處發(fā)展的腐蝕小孔，這些小孔在金屬表面的局部地區(qū)出現(xiàn)向深處發(fā)展的腐蝕小孔，這些小孔有的孤立存在，有些則緊湊在一起，看上去像一片粗糙的表面，有的孤

17、立存在，有些則緊湊在一起，看上去像一片粗糙的表面，這種腐蝕形態(tài)稱為點(diǎn)腐蝕；這種腐蝕形態(tài)稱為點(diǎn)腐蝕；破壞性大，而且不易發(fā)現(xiàn)；破壞性大，而且不易發(fā)現(xiàn)；易鈍化的金屬與合金如鋁、鈦合金，在含有氯離子的介質(zhì)中很易鈍化的金屬與合金如鋁、鈦合金，在含有氯離子的介質(zhì)中很容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕；容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕；點(diǎn)腐蝕通常發(fā)生在靜滯的液體中，提高流速會(huì)減輕點(diǎn)腐蝕，如點(diǎn)腐蝕通常發(fā)生在靜滯的液體中，提高流速會(huì)減輕點(diǎn)腐蝕，如打海水的水泵如連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)使用很好，但一旦停止使用一段時(shí)間，打海水的水泵如連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)使用很好，但一旦停止使用一段時(shí)間，就會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕；就會(huì)發(fā)生點(diǎn)腐蝕；防止辦法：同縫隙腐蝕。防止辦法：同縫隙腐蝕。(4). 點(diǎn)腐蝕點(diǎn)

18、腐蝕腐蝕沿著晶界和它鄰近區(qū)域產(chǎn)生和腐蝕沿著晶界和它鄰近區(qū)域產(chǎn)生和發(fā)展，而晶粒本身的腐蝕卻很輕微，發(fā)展，而晶粒本身的腐蝕卻很輕微，這種腐蝕稱為晶間腐蝕；這種腐蝕稱為晶間腐蝕；晶間腐蝕會(huì)使晶粒間的結(jié)合力大大晶間腐蝕會(huì)使晶粒間的結(jié)合力大大削弱，嚴(yán)重時(shí)使機(jī)械性能完全喪失，削弱，嚴(yán)重時(shí)使機(jī)械性能完全喪失，如遭受晶間腐蝕的不銹鋼，表面看如遭受晶間腐蝕的不銹鋼，表面看起來完好無損，一敲則成碎粒；起來完好無損，一敲則成碎粒；防止辦法：在不銹鋼中加入鈦、鈮；防止辦法：在不銹鋼中加入鈦、鈮；采用超低碳不銹鋼，如采用超低碳不銹鋼，如00Cr18Ni19。(5). 晶間腐蝕晶間腐蝕 同時(shí)存在著腐蝕和機(jī)械磨損，兩者互相加速的腐蝕稱為磨損同時(shí)存在著腐蝕和機(jī)械磨損，兩者互相加速的腐蝕稱為磨損腐蝕；腐蝕； 如：運(yùn)動(dòng)的螺旋槳可使液體蒸汽壓降低，從而使液體蒸發(fā)成如：運(yùn)動(dòng)的螺旋槳可使液體蒸汽壓降低，從而使液體蒸發(fā)成氣泡，當(dāng)?shù)揭欢ǔ潭葧r(shí)，氣泡破裂的沖擊波氣泡，當(dāng)?shù)揭欢ǔ潭葧r(shí)，氣泡破裂的沖擊波(可達(dá)可達(dá)140MPa)使金屬表面的保護(hù)膜受到破壞，加劇了腐蝕。使金屬表面的保護(hù)膜受到破壞，加劇了腐蝕。(6). 磨損腐蝕磨損腐蝕 用耐腐蝕性更強(qiáng)的金屬或合金包覆在設(shè)備表