2022年《過程設備設計基礎》教案壓力容器材料及環(huán)境和時間

1、過程設備設計基礎教案3壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響課程名稱：過程設備設計基礎專 業(yè)：過程裝備與控制工程任課教師：李第 3 章 壓力容器材料及環(huán)境和時間 對其性能的影響 3-1 壓力容器材料主要教學內容授課方式授課時數1、壓力容器常用材料講授1.5 2、有色金屬和非金屬教學目的和要求1、掌握壓力容器常用材料的分類、牌號和性能2、了解有色金屬和非金屬的種類教學重點和難點壓力容器常用材料課外作業(yè)思考題材料是制造壓力容器的基礎，本條件。正確選用壓力容器材料是保證壓力容器長期安全運行的基壓力容器的應力分析可以為選材提供最基本的依據和要求，同時，選擇材料時還應考慮 容器工作時的環(huán)境、介質及其它具

2、體條件的要求。不同的材料具有不同的化學成分、力學性能和使用條件，選擇材料最基本的要求是能夠保證壓力容器安全工作，同時做到經濟、適用。一、鋼材形狀 1、鋼板 壓力容器用鋼板的要求：（1）必須用規(guī)定的鋼板制造壓力容器 規(guī)定允許用于制造壓力容器的鋼板有兩類：壓力容器專用鋼板，如 16MnR、20R等可用于制造壓力容器的非容器專用鋼板，如普通碳素鋼中的 鋼中的 10、15、 20、20g 等。Q235-A、 Q235-B，優(yōu)質碳素（2）鋼板必須按規(guī)定的限制條件使用，如設計壓力、設計溫度、厚度、介質限制、冶煉方 法等。（3）制造壓力容器的鋼板必須有符合相應國家標準或行業(yè)標準規(guī)定的、內容齊全的質量證明書。

3、2、鋼管（1）無縫鋼管熱軋無縫鋼管 冷拔無縫鋼管10、20 號鋼。用于過程設備較高壓力的流體輸送，材料通常為根據用途和材質，有多個無縫鋼管標準，對所使用的無縫鋼管，應注明屬于哪個標注。過程設備常用標準：GB8163-87輸送流體用無縫鋼管GB9948-88石油裂化用無縫鋼管GB6479-86化肥設備用高壓無縫鋼管鋼管使用時要用法蘭、管件、閥門等連接，相連接的兩個構件必須具有相同的公稱直徑（DN）。eg： DN200的鋼管和法蘭連接，鋼管外徑219，法蘭內直徑220。（2）焊接鋼管輸送水、煤氣、空氣、取暖蒸汽等較低壓力的流體（3、鍛件p0.6Mpa）, 材料可用 Q235制造。（1）根據鍛件檢驗

4、項目和數量的不同，鍛件分為、四個級別。（2）需焊接的鍛件，材料用 20 號鋼，不許焊接的鍛件，材料用 35 或 45 號鋼。（3）壓力容器上使用的鍛件不得低于級，若鍛件截面尺寸大于 300mm，或容器盛裝高度或極度危害介質，且鍛件截面尺寸達 4、圓鋼、型鋼50mm時，級別不得低于級。用于制作支承件、加強圈等，圓鋼還可用于制作小尺寸的緊固件。圓鋼材料為Q235-A、20、35 號鋼等，型鋼材料多為Q235-A。二、鋼材類型按化學成分，壓力容器用鋼分為三類：1、碳素鋼（ C%2.06%按含碳量低碳鋼（C%.025 %）.6 %）中碳鋼（0. 25 %C%0高碳鋼（C%0. 6%）普通碳素鋼（S 0

5、 . 055 %，P 0 . 045 %）按鋼的質量 優(yōu)質碳素鋼（S 0 . 040 %，P 0 . 040 %）高級優(yōu)質碳素鋼（S 0 . 030 %，P 0 . 035 %）普通碳素鋼的 Q235系列鋼板和優(yōu)質碳素鋼均可用于制作壓力容器2、低合金鋼在優(yōu)質碳素鋼的基礎上，加入一種或多種合金元素（合金元素總含量在 3%以下），以提高鋼的強度和改善綜合性能。低合金鋼是目前制造壓力容器的主要鋼材，其強度、韌性、耐腐蝕性等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，減輕裝備的重量，可節(jié)省鋼材 1/3 2/3 。GB1501998鋼制壓力容器推薦適用的低合金鋼板有：16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMo

6、NbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR，其中 16MnR是 s350Mpa 級的普通低合金高強度鋼，具有優(yōu)良的力學性能、焊接性能、 工藝性能及低溫沖擊韌性，是中國壓力容器專用鋼板中用量最大的鋼種。3、高合金鋼（合金元素總含量大于10%）0Cr13、0Cr18Ni9 、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐主要有鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等，如腐蝕和耐高溫等特殊場合，如不銹鋼、耐熱鋼等。* 不銹鋼中的主要元素是 Cr、Ni 、Mo、Ti ，其中 Cr、Ni 含量較高。* 不銹鋼的耐蝕性主要來源于 Cr，實驗證明，只有當 Cr 的含量大于 12%時鋼的耐蝕性才會大幅度地提高，所以不銹鋼中

7、Cr 的含量均不低于 12%。 Ni 可以擴大不銹鋼的耐蝕范圍，特別是提高抗堿腐蝕的能力。 Mo 能提高不銹鋼抗氯離子腐蝕的能力，并提高鋼的耐熱強度。Ti 是為防止焊接用不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕而加入的元素。* 復合鋼板及其應用三、有色金屬和非金屬1、有色金屬純銅銅及其合金黃銅（H）（Cu-Zn合金）青銅（Q）錫青銅 無錫青銅純鋁有色金屬鋁及其合金防銹鋁（LF）（AlMn、AlMg合金）硬鋁（YL）（AlCuMg合金）純鎳鎳及其合金NiMn合金NiCu 合金純鈦鈦及其合金Ti0. 2Pd0. 8NTi0. 3Mo* 鈦合金的焊接應在惰性氣體的保護下或在真空中進行，護焊縫的塑性。銅及銅合金的特點：以防

8、止氫、氮、 氧等進入焊縫， 保純銅：又稱紫銅，具有較高的導電性、導熱性和良好的塑性。特點：低溫下能保持較高的塑性和沖擊韌性，是制造深冷設備的良好材料。耐蝕性： 在沒有氧存在的情況下，在許多非氧化性酸中比較耐腐蝕。 在氨和銨鹽溶液中，當有氧存在時，由于生成可溶性的絡離子，故不耐蝕。所 以在氨生產中使用的儀表、泵、閥門等均不能用銅制造。 銅在大氣、水、中性鹽及苛性堿中均相當穩(wěn)定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化 氫等氣體及潮濕大氣中將會受到腐蝕。黃銅（銅 -鋅合金）：特點： 具有較高的機械性能，價格較便宜， 可用于制作深冷設備筒體、管板、法蘭及螺母等。青銅：（1）錫青銅（銅 - 錫合金）特點：具有很高的

9、耐蝕性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件（如軸瓦、軸套、蝸輪等）和與酸、堿等腐蝕性介質接觸的零件。古代的青銅器即是用錫青銅制造。（2）無錫青銅（銅中加入鉛、鋁等其它元素：特點： 強度好、 耐蝕性好， 價格低廉， 常用于制造在蒸氣和海水工作條件下的零件及受摩擦耐腐蝕零件。鋁及鋁合金的特點：純鋁（ L）：特點：密度小、重量輕（ 約為鋼的 好的耐蝕性（但不耐堿及鹽水）1/3 ），導電、導熱性能好，強度較差，塑性好，有極，可用于制作儲罐、塔、熱交換器等設備，也可用于制作防止污染的設備和深冷設備。鋁合金：（1）防銹鋁（ LF）：Al-Mn 、Al-Mg 合金 特點： 具有適中的強度、優(yōu)良的塑性和耐蝕性，

10、多用于制作深冷設備入液空吸附過濾器、分 餾塔等。（2）硬鋁（ LY）: Al-Cu-Mg 合金 特點：強度較高，可用于制作深冷設備中的螺栓及其它受力構件。鎳及鎳合金：純鎳：耐蝕性、耐磨性和硬度都很高，但價格很貴，很少用于制作壓力容器。鎳合金： Ni-Mn、Ni-Cu 合金特點： 具有很好的耐腐蝕性能和抗高溫性能，容器。鈦及鈦合金：純鈦：特點： 密度小、強度高。但價格較高， 一般只用于制造特殊要求的壓力 工作溫度范圍寬，可在-196-350 范圍內使用。 鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬，在氧化性和中性介質中具有優(yōu)良的耐蝕性，特別是鈦不發(fā)生晶間腐蝕的特點。鈦合金： Ti-0.2Pd 、Ti-0.3Mo

11、-0.8Ni 合金（1）鈦合金可以承受鍛造、沖壓等壓力加工。（2）鈦合金的焊接應在惰性氣體的保護下或在真空中進行，以防止氫、氮、氧等進入焊縫，保護焊縫的塑性。2、非金屬材料非金屬材料的優(yōu)點：資源豐富、耐蝕性好、品種多、價格便宜。缺點：機械強度較低，耐熱性不好，對溫度波動比較敏感。非金屬材料通常用于承壓不高的結構材料、金屬保護村里或涂層、火材料等。涂料工程塑料 非金屬 不透性石墨 陶瓷 搪瓷（1）涂料密封材料、保溫材料、耐涂料是一種有機高分子膠體的混合物，將其均勻地涂在容器表面上能形成完整而堅韌的薄 膜，起耐蝕和保護作用。(2) 工程塑料 工程塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料的特點是

12、在一定溫度下可以變軟，而 不發(fā)生化學變化，冷卻后又變硬，再加熱又軟化。如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等，可用作制造低壓容器的殼體、管道 (3) 不透性石墨, 也可用作密封元件、攪拌器等的材料。具有良好的化學穩(wěn)定性、導電性和導熱性，被用來制造熱交換器。(4) 陶瓷 具有良好的耐腐蝕性能，一定的強度，被用來制造塔、貯槽、反應器和管件。(5)搪瓷搪瓷設備是由含硅量高的瓷釉通過9000C 左右的高溫鍛燒， 使瓷釉密著于金屬胎表面而制成的。它具有優(yōu)良的耐蝕性，較好的耐磨性，廣泛用作耐腐蝕、不掛料的反應罐、貯罐、塔和 反應器等。 3-2 壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響主要教學內容授課方式授課時數1、塑性

13、變形講授1 2、焊接自學3、熱處理教學目的和要求1、了解塑性變形對鋼材性能的影響2、了解焊接對鋼材性能的影響教學重點和難點3、了解熱處理對鋼材性能的影響焊接對鋼材性能的影響課外作業(yè)思考題在壓力容器制造中，往往先將鋼板經過冷加工或熱加工，使它變成所要求的零件形狀，再通過焊接將各零部件連接在一起。藝對材料性能的影響。一、塑性變形1、加工硬化因此， 有必要研究冷、 熱加工造成的塑性變形和焊接工在常溫下鋼經過塑性變形后，內部組織將發(fā)生變化，晶粒沿變形最大的方向伸長，晶格和晶粒扭曲，產生內應力，從而引起力學性能的變化。隨著變形程度增大，鋼的強度及硬度升高，而塑性下降。這種隨變形程度的增大，強度增加而塑性

14、降低的現象稱為加工硬化。熱變形和冷變形凡是在重結晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱變形或熱加工 ; 反之，在重結晶溫度以下進行的塑性變形稱之為冷變形或冷加工。2、各向異性纖維組織和帶狀組織使金屬材料的力學性能產生方向性，平行纖維組織方向的強度、塑性和韌性提高高，而垂直纖維組織方向的塑性和韌性降低。變形程度越大， 纖維組織越明顯，性能差異也越顯著。二、焊接焊接是兩種或兩種以上材料，在加熱或（和）加壓的狀態(tài)下，通過原子或分子之間的結合和擴散，形成永久性連接的工藝過程。1、焊接接頭的組織和性能焊縫焊接接頭的組織和性能 熔合區(qū)過熱區(qū)熱影響區(qū) 正火區(qū)部分正火區(qū)2、焊接應力與變形、減少焊接應力和變形的措施（

15、1）盡量減少焊接接頭數量；（2）相鄰焊縫間應保持足夠的間距；（3）盡可能避免交叉；焊縫不要布置在高應力區(qū)；（4）焊前預熱等。3、焊接缺陷和焊接接頭的檢驗裂紋夾渣未焊透焊接接頭常見缺陷 未熔合焊瘤氣孔咬邊外觀檢查焊接接頭檢驗 密封性檢查射線檢測無損檢驗 超聲波檢測表面檢測 3-3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響主要教學內容授課方式授課時數1、溫度講授1 2、介質自學3、加載速率教學目的和要求1、了解溫度對壓力容器用鋼性能的影響2、掌握介質對壓力容器用鋼性能的影響教學重點和難點3、了解加載速率對壓力容器用鋼性能的影響1、 溫度對壓力容器用鋼性能的影響2、 介質對壓力容器用鋼性能的影響課外作業(yè)思考題一

16、、 溫度 1、 短期靜載下溫度對鋼材力學性能的影響（1）低溫變脆現象（2）脆性轉變溫度 2、 高溫、長期靜載下鋼材的性能（1）蠕變現象（2）蠕變曲線（3）蠕變極限與持久強度 3、 高溫下材料性能的劣化 二、 介質 1、 腐蝕的類型（ 1）電化學腐蝕 指金屬在電解質中，由于各部位電位不同，造成微電池，在電子交換過程中產生電流，作為負極的金屬被逐漸溶解的一種腐蝕（ 2）化學腐蝕指金屬在干燥氣體或無電解質存在的環(huán)境中，而腐蝕的產物直接生成在反應的表面區(qū)域。晶間腐蝕受物質的直接作用， 作用過程中不產生電流，晶間腐蝕是一種常見的局部腐蝕，腐蝕是沿晶粒邊界和它的鄰 近區(qū)域產生和發(fā)展，而晶粒本身的腐蝕則很輕

17、微。引起晶間腐蝕的環(huán)境有電解質溶液、過熱水蒸氣、 高溫水和熔融金屬等。晶 間腐蝕必須在腐蝕環(huán)境中，并且晶界物質的物理化學狀態(tài)與晶粒本體不同時，才能產生。小孔腐蝕又稱孔蝕 ,腐蝕集中在金屬表面的局部地區(qū)的小孔上，小孔腐蝕可以使金屬材料穿孔破壞，而重量丟失卻往往很少，因此也是一種破壞性大的局部性腐蝕?？孜g常發(fā)生在靜滯的液體中，提高流速就可減輕小孔腐蝕，此外， 在不銹鋼中增加鉬的含量和盡量降低介質中的氯離子、碘離子的含量，均可有效地減少小孔腐蝕?？p隙腐蝕換熱管與管板連接處、法蘭的連接面等縫隙處，如果介質處于停滯狀態(tài)引起濃度增加，就會加速這些縫內金屬材料的腐蝕，這種腐蝕被稱為縫隙腐蝕。為了盡量避免縫隙

18、腐蝕，在壓力容器的結構設計中，常采取措施避免或減少縫隙形成，如避免介質的流動死角或死區(qū)，要使液體做到能完全排凈；采用脹焊并用， 減少管子和管板間的間隙等。（3）應力腐蝕是金屬材料在拉伸應力和特定腐蝕介質的共同作用下導致韌性材料迅速開裂和發(fā)生早期破壞的現象。零件壽命要短于應力或腐蝕環(huán)境單獨作用時的壽命，破壞時的應力水平較低，往往沒有明顯預兆，斷裂是突發(fā)性的，因而很難預防，是一種危險性很大的破壞形式。 應力腐蝕的特征： a拉伸應力 b特定合金和介質的組合c一般為延遲脆性斷裂 預防應力腐蝕的措施 : a. 合理選擇材料b. 減少或消除殘余拉應力c. 改善介質條件d. 涂層保護三、載荷形式（1）加載速

19、率（2）疲勞破壞 疲勞破環(huán)的特征 防止疲勞破壞的措施 四、材料性質劣化 石墨化 回火脆化 3-4 壓力容器材料選擇主要教學內容授課方式授課時數1、壓力容器用鋼的基本要求講授0.5 2、選擇壓力容器鋼材應考慮的因素3、壓力容器選材的基本原則教學目的和要求教學重點和難點課外作業(yè)1、了解壓力容器用鋼的基本要求 2、了解選擇壓力容器鋼材應考慮的因素 3、了解壓力容器選材的基本原則壓力容器選材的基本原則思考題一、壓力容器用鋼的基本要求 1 、化學成分（ C、P、S 等） 2 、力學性能（強度、鋼度、塑性、韌性等） 3 、制造工藝性能（機加工性能、壓力加工性能、焊接性能、鑄造性能、熱處理性能等）二、選擇壓力容器鋼材應考慮的因素（ 1）材料的性能 分析構件的工作條件，確定構件應具有的使用性能。通過失效分析，確定構件的主要使用性能。從構件主要使用性能要求出發(fā)，提出對材料使用性能的要求。（ 2）材料的加工工藝性能（ 3）材料的經濟性（ 4）材料的選擇應符合規(guī)范標準的要求三、選擇壓力容器材料的原則（ 1）綜合考慮各種因素選擇壓力容器用鋼，應綜合考慮容器的結構、環(huán)境條件和制造工藝，以及材料的力學性能、焊接性能、冷熱加工性