化工設(shè)備材料及其選擇

1、第一章 化工設(shè)備材料及其選擇本章重點(diǎn)：材料的力學(xué)性能及化工設(shè)備材料的選擇本章難點(diǎn)：材料的性能建議學(xué)時(shí)：4學(xué)時(shí)第一節(jié) 概述一、 化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性壓力(從高真空到幾千大氣壓,故有強(qiáng)度要求)(-2502000，材料受冷、熱)溫度1、 操作條件的限制介質(zhì)酸堿（腐蝕）、核反應(yīng)堆中子照射（變脆)2、 制造條件的限制設(shè)備在制造過程中，要經(jīng)過各種冷、熱加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、熱處理等，要求材料的加工性能要好。3、 材料自身性能的限制二、選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。(1)材料品種應(yīng)符合我國資源和供應(yīng)情況；(2)材質(zhì)可靠，能保證使用壽命；(3)要有足夠的強(qiáng)度，良好的塑性

2、和韌性，對(duì)腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕；(4)便于制造加工，焊接性能良好；(5)成本低。第二節(jié) 材料的性能一、力學(xué)性能材料抵抗外力而不產(chǎn)生超過允許的變形或不被破壞的能力，叫做材料的力學(xué)性能。主要包括強(qiáng)度、塑性、韌性和硬度，這是設(shè)計(jì)時(shí)選用材料的重要依據(jù)。1、強(qiáng)度強(qiáng)度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度等。（我們先看兩個(gè)實(shí)例，再作總結(jié)）實(shí)例1常溫拉應(yīng)力下20號(hào)鋼的拉抻試驗(yàn)實(shí)例2高碳鋼T10A的拉伸試驗(yàn) (1)屈服點(diǎn)（）金屑材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為“屈服”。發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力即開始出現(xiàn)塑性變形

3、時(shí)的應(yīng)力，稱為“屈服點(diǎn)”，用(MPa)表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。條件屈服點(diǎn)（）工程中規(guī)定發(fā)生0.2殘余伸長時(shí)的應(yīng)力，作為“條件屈服點(diǎn)”(2)抗拉強(qiáng)度（） 金屬材料在受力過程中，從開始加載到發(fā)生斷裂所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強(qiáng)度。由于外力形式的不同，有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等?？估瓘?qiáng)度是壓力容器設(shè)計(jì)常用的性能指標(biāo)，高溫（比如：碳素鋼420，合金鋼450）(3) 蠕變極限（） 一定應(yīng)力金屬將逐漸產(chǎn)生塑性變形（3）注意： 的大小與試件尺寸有關(guān)；的大小與試件尺寸無關(guān)。（試件計(jì)算長度為試件直徑5倍時(shí)，用表示）2、韌性(韌性是表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量的能力

4、，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。我們常用沖擊韌性來表示材料承受動(dòng)載荷時(shí)抗裂紋的能力，用缺口敏感性表示材料承受靜載荷時(shí)抗裂紋擴(kuò)展的能力。)（1）沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用沖擊吸收功AK或沖擊韌度表示K表示。沖擊功AK=GH1-GH2，而沖擊韌度K= AK/F（F為面積）2）斷裂機(jī)理：沖擊試樣在受到擺錘突然打擊發(fā)生斷裂時(shí)，它的斷裂過程是一個(gè)裂紋發(fā)生和擴(kuò)展的過程。在裂紋向前發(fā)展的道路中，如果塑性變形能發(fā)生在它的前面，就可以制止裂紋的長驅(qū)直入。它要繼續(xù)發(fā)展，就需另找途徑，這樣就能消耗更多的能量。因此，沖擊吸收功的高低，決定于材料有無迅速塑性變形的能力。3）韌性與塑性：韌

5、性是材料在外加動(dòng)載荷突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)和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(biāo)；但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因?yàn)殪o載菏下能夠緩慢塑性變形的材料在動(dòng)載荷下不一定能迅速塑性變形。（2）缺口敏感性 （也是通過試驗(yàn)方法獲得，一般在油壓機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，測(cè)定材料的缺口敏感性。）4、 硬度 衡量材料軟硬的一個(gè)指標(biāo)（一般用布氏硬度-HB，較軟；洛氏硬度-HRC較硬；維氏硬度-HV，另有顯微硬度）總之，在材料的力學(xué)性能所包括的強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度四個(gè)指標(biāo)中，強(qiáng)度和塑性占主導(dǎo)地位，但使用時(shí)要考慮溫度的變化。二、 化學(xué)性能（主要指耐腐蝕性和抗氧化性）1、耐腐蝕性：

6、金屬和合金對(duì)周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力。2、抗氧化性：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多設(shè)備，如各種工業(yè)鍋爐、熱加工機(jī)械、汽輪機(jī)及各種高溫化工設(shè)備等，它們?cè)诟邷毓ぷ鳁l件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣體介質(zhì)如水蒸氣，CO2、SO2等的氧化腐蝕作用，因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的含量對(duì)鋼的氧化是有一定影響的。三、工藝性能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。對(duì)于設(shè)計(jì)壓力容器最重要的兩個(gè)性能是：1、良好的冷熱加工性能例A：用鋼板卷制筒體，如果不好會(huì)發(fā)生裂紋，存在事故的隱患。例B：沖壓封頭，微裂紋或宏觀裂紋，都會(huì)使以后的生產(chǎn)

7、造成事故。2、良好的焊接性能例：某工廠某容器焊縫裂紋擴(kuò)展，造成事故。四、物理性能主要有相對(duì)密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。1、彈性模數(shù)，這個(gè)比例系數(shù)稱為彈性模數(shù)，彈性模數(shù)是金屬材料對(duì)彈性變形抗力的指標(biāo)，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的，材料的彈性模數(shù)越大使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。對(duì)同一種材料，彈性模數(shù)隨溫度的升高而降低。2、泊桑比泊桑比是拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對(duì)于各種鋼材它近乎為一個(gè)常數(shù)，即0.3第三節(jié) 金屬材料的分類及牌號(hào)一、分類鑄造生鐵金屬黑色金屬有色金屬生鐵鋼煉鋼生鐵合金生鐵銅及其合金輕金屬及其合金其它有色及其合金純銅（

8、紫銅）銅鋅合金（黃銅）銅錫合金（錫青銅）無錫合金（鋁青銅等）鋁及鋁合金鈦及鈦合金鎂及鎂合金鉛、錫及其合金鋅及其合金鎳、鈷及其合金1、金屬的分類2、鋼的分類二、鋼鐵牌號(hào)及表示方法1、牌號(hào)表示原則（GB221-79） 牌號(hào)中化學(xué)元素用化學(xué)符號(hào)或漢字表示；（如：1鉻13或1Cr13）產(chǎn)品用途、治煉和澆注方法采用漢字或拼音字母并用的原則。（如：Q235F F-沸騰鋼）2、鋼號(hào)表示法目前制造壓力容器所用鋼材，一般有三大類別：碳鋼、合金鋼、和特殊性能鋼，其中碳鋼又分為普通碳素鋼與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。普通碳素鋼1）標(biāo)準(zhǔn)：舊GB700-79，已作廢，新GB700-88，已正式執(zhí)行。2）新標(biāo)準(zhǔn)GB700-88，把普

9、通碳素鋼主要分為五大類，即Q195，Q215，Q235，Q255，Q275。壓力容器用碳素鋼鎮(zhèn)靜鋼板的適用范圍表鋼板牌號(hào)使用溫度設(shè)計(jì)壓力MPa殼體鋼板厚度mm其他限制Q235-B03501.620不得用于毒性程度為高度或極度危害介質(zhì)的壓力容器Q235-C04002.530優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼低合金鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼（合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素，比如Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等，從而提高鋼的強(qiáng)度、耐腐蝕性、低溫性能，如大型化工容器常用16MnR，15MnVR，15MnTi 來代替碳素鋼制造容器，可以在保證強(qiáng)度的情況下，使容器壁厚減少，從而節(jié)省鋼材30%45%左右。）特殊性能鋼3）知

10、識(shí)擴(kuò)充特殊性能鋼主要指不銹耐酸鋼；不銹：指耐大氣腐蝕； 耐酸：抗酸和其它強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。不銹耐酸鋼根據(jù)合金元素的不同，分為三個(gè)大類。第一類 鉻不銹鋼第二類 鉻鎳不銹鋼 第三類 節(jié)鎳不銹鋼 第四節(jié) 化工設(shè)備的腐蝕及防腐一、 金屬的腐蝕1、定義：金屬與周圍介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)可電化學(xué)作用而引起破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。（比如鐵生銹、鐵在酸中溶解等。）2、分類：根據(jù)腐蝕過程中有無電流產(chǎn)生金屬腐蝕化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕（如氫腐蝕）（如晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕） 氫腐蝕：氫氣在較低溫度和壓力(200，5.0MPa)下對(duì)普通碳鋼及低合金鋼不會(huì)有明顯的腐蝕，但是在高溫高壓下則會(huì)對(duì)它們產(chǎn)生腐蝕，結(jié)果使材料的機(jī)械強(qiáng)度和塑性顯著下降，甚

11、至損壞，這種現(xiàn)象常稱為“氫腐蝕”。晶間腐蝕發(fā)生在晶界，晶粒之間結(jié)合力下降，與元素Cr的含量有關(guān)。典型實(shí)例：奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕應(yīng)力腐蝕：金屬在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的一種破壞形式。腐蝕與拉應(yīng)力起互相促進(jìn)的作用。二、 金屬設(shè)備的防腐措施1、襯覆保護(hù)層2、電化學(xué)保護(hù)3、緩蝕劑第五節(jié) 化工設(shè)備材料的選擇一、選材一般原則1、遵循標(biāo)準(zhǔn)：GB150-1998鋼制壓力容器 壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程HGJ15-89鋼制化工容器材料選用規(guī)定2、 當(dāng)壓力容器使用普通低碳鋼制造時(shí)，常用Q235B、Q235C3、 考慮經(jīng)濟(jì)性4、 其它指導(dǎo)準(zhǔn)則a) 碳素鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)的常、低壓容器或壁厚不大的中壓容器；b) 低合金