第8章 化工設(shè)備材料及其選擇new

1、緒論緒論一、問(wèn)題的提出一、問(wèn)題的提出二、課程內(nèi)容二、課程內(nèi)容（一）設(shè)備是工藝的基礎(chǔ)（一）設(shè)備是工藝的基礎(chǔ)（二）材料是設(shè)備的基礎(chǔ)（二）材料是設(shè)備的基礎(chǔ)（一）基礎(chǔ)篇（一）基礎(chǔ)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(jì)內(nèi)壓容器內(nèi)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(shè)計(jì)（內(nèi)壓和外壓）中低壓容器設(shè)計(jì)（內(nèi)壓和外壓）換熱器換熱器攪拌器攪拌器塔設(shè)備塔設(shè)備（三）實(shí)踐篇（三）實(shí)踐篇典型設(shè)備（換熱器、塔設(shè)備、攪拌器）典型設(shè)備（換熱器、塔設(shè)備、攪拌器）化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)u壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法壓力容

2、器的常規(guī)設(shè)計(jì)方法u內(nèi)壓、外壓（中、低壓）內(nèi)壓、外壓（中、低壓） u幾類常用化工設(shè)備幾類常用化工設(shè)備u 換熱設(shè)備、塔設(shè)備、攪拌設(shè)備換熱設(shè)備、塔設(shè)備、攪拌設(shè)備 參考書(shū)目u化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)，化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)編寫組，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1979u化工容器及設(shè)備，余國(guó)琮主編，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1980u化工容器設(shè)計(jì)，化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書(shū)編委員會(huì)，上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1987u過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)，鄭津洋等主編，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005uGB150-98鋼制壓力容器，北京：學(xué)苑出版社，1998第一章第一章 化工設(shè)備材料及其選擇化工設(shè)備材料及其選擇教學(xué)重點(diǎn)：教學(xué)重點(diǎn)： （1）材料的力學(xué)性能）材料的力學(xué)

3、性能； （2）化工設(shè)備材料的選擇。）化工設(shè)備材料的選擇。 教學(xué)難點(diǎn)：教學(xué)難點(diǎn)： 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(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性一、化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)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(jīng)濟(jì)的原則。適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。第二節(jié)第二節(jié) 材料的性能材料的性能一、力學(xué)性能一、力學(xué)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(chǎn)生超過(guò)允為，包括變形和抗力

4、，即在外力作用下不產(chǎn)生超過(guò)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(qiáng)強(qiáng)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(dāng)載荷不再增加或緩慢當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，仍繼續(xù)發(fā)生明增加時(shí)，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(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變強(qiáng)度：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。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n常溫拉應(yīng)力下常溫拉應(yīng)力下20號(hào)鋼的拉抻試驗(yàn)號(hào)鋼的拉抻試驗(yàn) l0=10d0l

5、0= 5d0或或從開(kāi)始加載到發(fā)生斷裂所從開(kāi)始加載到發(fā)生斷裂所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫能達(dá)到的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強(qiáng)度。做抗拉強(qiáng)度。 開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為力，稱為“屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)”s ss s sb1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變強(qiáng)度：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。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n金屬在拉伸條件下，金屬在拉伸條件下，從開(kāi)始加載到發(fā)生從開(kāi)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(yīng)力值，叫作抗大應(yīng)力值，叫作抗拉強(qiáng)度。拉強(qiáng)度。 1 1、

6、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變、強(qiáng)度：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。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)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(yīng)力下，抵一定的應(yīng)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(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變、強(qiáng)度：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。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度

7、抗拉強(qiáng)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(huì)在遠(yuǎn)低于材料本身的屈會(huì)在遠(yuǎn)低于材料本身的屈服點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)斷裂了，這服點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)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(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)106108次次循環(huán)試驗(yàn)循環(huán)試驗(yàn)而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力，作為疲勞強(qiáng)度。作為疲勞強(qiáng)度。1 1、強(qiáng)度：固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變、強(qiáng)度：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。形和斷裂的特性。 持久強(qiáng)度持久強(qiáng)度D蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度n屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s(0.2)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b疲勞極限疲勞極限n2、塑性塑性：金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的金

8、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(gè)塑性指標(biāo)：主要有兩個(gè)塑性指標(biāo)：延伸率延伸率斷面收縮率斷面收縮率%100%100000lllllKK%100%100000FFFFFKK3、韌性：韌性： 表示材料彈塑性變形為斷裂全過(guò)程吸收能量表示材料彈塑性變形為斷裂全過(guò)程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。的能力，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。承受承受靜靜載荷抗裂紋擴(kuò)展的能力載荷抗裂紋擴(kuò)展的能力 缺口敏感性缺口敏感性承受承受動(dòng)動(dòng)載荷時(shí)抗裂紋的能力載荷時(shí)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

9、安放1-擺錘擺錘2-試樣試樣3-機(jī)座機(jī)座圖圖1-2 沖擊試驗(yàn)原理沖擊試驗(yàn)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(wèn)題問(wèn)題判斷正誤并說(shuō)出理由判斷正誤并說(shuō)出理由 注意！韌性是材料在外加動(dòng)載荷注意！韌性是材料在外加動(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。的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因?yàn)殪o載菏下能其所以如此，就是因?yàn)殪o載菏下能夠

10、緩慢塑性變形的材料在動(dòng)載荷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。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(yīng)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(yīng)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(kuò)展的能力。下，抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。圖圖1-3 沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣沖擊試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣 4、硬度硬度：金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。金屬材料抵抗其它更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。 表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)抵抗表示金屬材料在一個(gè)小的體積范圍內(nèi)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

11、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(cè)比洛氏硬度更適合于測(cè)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(xué)性能所包括的強(qiáng)度、塑性、韌性、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，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。但使用時(shí)要考慮溫度的變化。ssTTss二、二、物理性能物理性能相對(duì)密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、相對(duì)密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、

12、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(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，即E，這個(gè)這個(gè)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的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。對(duì)不同材料，材料的彈性模量越大使它產(chǎn)生一定量的彈對(duì)不同材料，材料的彈性模量越大使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越性變形的應(yīng)力也越。對(duì)同一種材料，彈性模數(shù)。對(duì)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。tll 11 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(yàn)中試件泊桑比是拉伸試驗(yàn)中試件單位

13、橫向收縮與單位縱向伸單位橫向收縮與單位縱向伸長(zhǎng)之比長(zhǎng)之比，以，以表示。對(duì)于各種鋼材它近乎為一個(gè)常數(shù)，表示。對(duì)于各種鋼材它近乎為一個(gè)常數(shù)，即即0.3。 b 1b 1l l = 其中bbbbb1 lllll1 三、化學(xué)性能三、化學(xué)性能1 1、耐腐蝕性、耐腐蝕性金屬和合金對(duì)周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液金屬和合金對(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(chǎn)中的許多高溫化工設(shè)備，在高溫工作在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多高溫化工設(shè)備，在高溫工作條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過(guò)程，還有其他氣條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕

14、過(guò)程，還有其他氣體介質(zhì)如水蒸氣，體介質(zhì)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(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的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。含量對(duì)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(zhì)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(zhì)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(shè)備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時(shí)設(shè)備和零部

15、件的制造工藝方法，也是選擇材料時(shí)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)金屬材料的分類及牌號(hào)第三節(jié)金屬材料的分類及牌號(hào)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(wú)錫合金（鋁青銅等）無(wú)錫合金（鋁青銅等）鋁及鋁合金鋁及鋁合金鈦及鈦合金鈦及

16、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、鋼鐵牌號(hào)及表示方法（二、鋼鐵牌號(hào)及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼：、碳素結(jié)構(gòu)鋼：1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88）代表鋼材屈服點(diǎn)的字母代表鋼材屈服點(diǎn)的字母 屈服點(diǎn)的數(shù)值屈服點(diǎn)的數(shù)值 材料質(zhì)量等級(jí)符號(hào)材料質(zhì)量等級(jí)符號(hào) 脫氧方法符號(hào)，脫氧方法符號(hào)，常用常用Q235B，Q235C，Q235AF2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB711-88）較普通碳素結(jié)構(gòu)含較普通碳素結(jié)構(gòu)含S、P量較少，表面質(zhì)量較好。量

17、較少，表面質(zhì)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(hào)牌號(hào) 使用溫使用溫度度 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(zhì)的壓害介質(zhì)的壓力容器力容器 Q235-C 0400 2.5 30 二、鋼鐵牌號(hào)及表示方法（二、鋼鐵牌號(hào)及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 2、合金（高強(qiáng)度）鋼、合金（高強(qiáng)度）鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金

18、元素。在碳素鋼的基礎(chǔ)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(biāo)等見(jiàn)附錄。性能指標(biāo)等見(jiàn)附錄。二、鋼鐵牌號(hào)及表示方法：二、鋼鐵牌號(hào)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性，耐濃硝酸良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，耐濃硝酸 換熱器，塔，深冷設(shè)備換熱器，塔，深冷設(shè)備銅銅良好的導(dǎo)電性，低溫韌性好良好的導(dǎo)電性，

19、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(shè)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(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)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(guò)程有無(wú)電流產(chǎn)生）（腐蝕過(guò)程有無(wú)電流產(chǎn)生）1 1）化學(xué)腐蝕（如氫腐蝕）化學(xué)腐蝕（如氫腐蝕）2 2）電化學(xué)腐蝕（如晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕）電化學(xué)腐蝕（如晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕）二、常見(jiàn)腐蝕類型二、常見(jiàn)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( (200200，5.0M

20、Pa)5.0MPa)下下對(duì)普通碳鋼及低合金鋼不會(huì)有明顯的腐蝕，但是對(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，甚至損壞，這種現(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)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(jiàn)腐蝕類型二、常見(jiàn)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(jié)合力下降，之間結(jié)合力下降，與元素與元素CrCr的含量有關(guān)。的含量有關(guān)。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(jiàn)腐蝕類型二、常見(jiàn)腐蝕類型3. 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕金屬在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力金屬在腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的一種的共同作用下產(chǎn)生的一種破壞形式。腐蝕與拉應(yīng)力破壞形式。腐蝕與拉應(yīng)力起互相促進(jìn)的作用。起互相促進(jìn)的作用。圖圖1-2 應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展三、金屬腐蝕的