化工设备机械基础(第一章).ppt

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1、化工设备机械基础 Fundamental Chemical Process Equipment,江苏理工学院化工与环境工程学院 马迪,化工生产和化工机械 化工生产是以流体（气体、液体、粉体）为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获得设计规定的产品为目的的工业生产。化工生产过程不仅取决于化学工艺过程，而且与化工机械装备密切相关，化工机械是化工生产得以进行的外部条件，所以先进的化工机械，一方面为化学工艺服务，另一方面又促进化学工艺过程的发展。 化工机械通常分为：化工设备和化工机器,绪论,化工设备：,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,化工生产自身的特点： 1、生产的连续性强 2、生产的条件苛刻 介

2、质的腐蚀性强 ；温度和压力变化大 介质大多易燃易爆有毒性 生产原理的多样性 生产技术含量高,绪论,课程简介,本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择 2、化工容器的设计 1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计； 2）外压圆筒与封头的强度设计； 3）容器的零部件（法兰 支座 开孔补强 附件：接口管 凸缘 人、手孔 视镜）。 3、典型化工设备的机械设计 1）换热器； 2）塔设备； 3）搅拌器。,课程简介,学时安排： 第二篇 化工工程设备常用的材料 8 学时 第三篇 化工容器及设备基础 32学时 第一篇 工程力学基础 8 学时,第一篇 化工设备材料 第一章 化工设备材料及其选择,1.1 概述,

3、化工设备的使用环境： 压力：真空 低压 中压 高压超高压 温度：低温中温高温 介质：有毒；易燃；剧毒 选材原则：经济、适用、安全,第一章 化工设备材料及其选择,1.1 概述 1.2 金属材料性能 1.3 金属材料的分类及牌号 1.4 碳钢铸铁 1.5 低合金钢及化工设备特种钢 1.6 有色金属材料 1.7 非金属材料 1.8 化工设备的腐蚀和防护措施 1.9 化工设备材料的选择,绪论,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能,强度 塑性 硬度 韧性,密度 熔点 线膨胀系数 导热系数 比热容 电阻率 磁导率 弹性模量 泊松比,铸造性能 可锻性能 切削加工性能 热处理性能,耐腐蚀性 抗氧

4、化性,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,塑性,韧性,力学性能：金属的力学性能是指金属在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度 定义：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。 举例： 容器爆裂 管道破裂 地脚螺栓拉断 炉管爆裂,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,金属拉伸试验 http:/ 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,金属拉伸试验,第一章 化工设备材料

5、及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 屈服点s ： 屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形时的现象。 屈服点： 材料发生屈服时的应力，记为s，单位：MPa。 一些合金没有明显的屈服点,规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”，记作0.2 。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 抗拉强度 b ： 定义：金属材料在受力过程中，发生断裂所达到的最大应力值 以b 表示，单位MPa。 压力容器设计常用的性能指标。 屈强比：s/ b。屈强比小，表明材料可靠性越高。,第一章 化

6、工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 蠕变强度 n ： 蠕变现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。 定义：材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。以n 表示，单位MPa。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 持久强度 D： 定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以D表示，单位MPa 。 一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。 材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。 规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件

7、在十万小时断裂时的应力作为持久强度。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 疲劳强度 -1： 疲劳：构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂。 疲劳极限：构件或零件在无数次交变载荷作用下不致断裂的最大应力。以-1表示，单位MPa 。（106-108次）,例如： 频繁开、停车容器内压力或温度波动； 活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动； 离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,硬度,韧性,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料

8、性能 1.2.1 力学性能,塑性 定义：金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。 举例：锻件裂纹 卷板裂纹 焊缝热影响区裂纹,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性指标 延伸率（deita，%） ： 定义：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率 。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性指标 断面收缩率（y )： 定义：试件断裂后，断面缩小的面积与原始横截面积之比的百分率。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性指标 冷弯性能： 定义：室温下对试板以一定的内半径

9、（R=0.53板厚）进行弯曲，弯曲角度a=120度或180度，是否出现裂纹或起层。 是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性 塑性指标的实际意义： 便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接； 使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。 压力容器及其零件都需要具备这个性质。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,韧性,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,硬度 定义：金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 硬度高材料强度高耐磨性好 反映材料

10、弹性、强度、塑性和韧性的综合性能指标,布氏硬度试验示意图,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,硬度指标（根据压头和压力的不同） 布氏硬度（HBS); 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC); 维氏硬度（HV)等。,硬度和强度间有一定关系： 如：低碳钢sb36HBS,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,韧性 冲击功：摆锤冲断试样所失去的位能（试件所吸收的功） 。 冲击功计算公式：Ak =G(H1-H2) 焦耳 吸收功的高低取决于材料能否迅速

11、塑性变形的能力。,冲击韧性：材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。,弹性模量E 定义：金属材料对弹性变形抗力的指标，衡量材料产生弹性变形难易程度 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即=E,比例系数E为弹性模量。 金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。 E,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.2 物理性能,线膨胀系数,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.2 物理性能,泊松比 定义：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。 对于钢材，=0.3,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.3 化

12、学性能,耐腐蚀性 定义：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力,抗氧化性 定义：金属和合金抵抗被氧化的能力。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.4 加工工艺性能,可焊性能 铸造性能 可锻性能 切削加工性能 热处理性能,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能,复习,1.1 概述 1.2 金属材料性能 1.3 金属材料的分类及牌号 1.4 碳钢铸铁 1.5 低合金钢及化工设备特种钢 1.6 有色金属材料 1.7 非金属材料 1.8 化工设备的腐蚀和防护措施 1.9 化工设备材料的选择,绪论,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金

13、属材料的分类及牌号 1.3.1 金属材料的分类,炼钢生铁 铸造生铁 合金生铁,纯（紫）铜 黄铜（铜锌合金） 锡青铜（铜锡合金） 铝青铜（无锡青铜）,铝及铝合金 钛及钛合金 镁及镁合金,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,国家标准GB221-2000 钢铁产品牌号表示方法 凡列入国家标准和行业标准的钢铁产品，均应按本标准规定的牌号表示方法编写牌号。 产品牌号的表示，一般采用汉语拼音字母，化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。 采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。当和另

14、一产品所取字母重复时，改取第二个字母或第三个字母，或同时选取两个汉字的第一个拼音字母。采用汉语 拼音字母，原则上只取一个，一般不超过两个。,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,2. 碳钢的分类及牌号 普通碳素钢 组成：含S、P等有害杂质较多（S0.055% P0.045%) 类型：Q215-A;Q235-A;Q235-A.F;Q235-B;Q235-C;Q275 式中：Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈

15、服点（MPa) A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。 F沸腾钢 优质碳素钢 组成：含硫磷量少（S、P0.04%），非金属杂质少，组织均匀，表面质量好。 类型：正常含锰量和较高含锰量（含锰量）,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,2. 碳钢的分类及牌号 优质碳素钢 正常含锰量：08,10,15,20g,20R 较高含锰量：30Mn,40Mn 其中：数字-含c量的万分数; g -锅炉钢； R -容器钢； Mn -含锰元素约1%。 高级优质碳素钢 组成：含S、P量更少（S，P0.03%) 类型：20A（A 高级）,1.3 金属材料的分类及牌号

16、 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,含碳量为0.08%,容器钢,含碳量为0.20%,Q235-A,F,沸腾钢,类别为A,钢材屈服点(MPa),屈服点屈字的拼音首位字母,08F,沸腾钢,20R,优质碳素钢：,普通碳素钢：,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,含碳量为0.16%,16MnR,容器钢,低合金钢：,1Cr18Ni9,合金元素铬,特殊性能钢：,合金元素锰,含碳量为0.1%,含铬量为18%,合金元素镍,含镍量为9%,第一章 化工设备材料及其选择,

17、1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,第一章 化工设备材料及其选择,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,例下列钢号各代表何种钢，符号中的字母和数字各有什么意义？ Q215-B.F 代表 普通碳素钢（钢种），其中Q为 屈服点的头一个拼音字母，215为屈服点值，B表示质量等级，F表示沸腾钢。 20A 代表高级优质碳素钢，20为含碳量0.2%，A表示高。 15MnVDR 代表普通低合金钢，含碳量0.1

18、5%左右，含Mn小于1.5%，含V小于1.5%，D表示低温用钢，R代表容器用钢,1.1 概述 1.2 金属材料性能 1.3 金属材料的分类及牌号 1.4 碳钢铸铁 1.5 低合金钢及化工设备特种钢 1.6 有色金属材料 1.7 非金属材料 1.8 化工设备的腐蚀和防护措施 1.9 化工设备材料的选择,绪论,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁,铁碳合金 定义：碳钢和铸铁又合称为“铁碳合金”，是以铁和碳为组元的二元合金。 组成： 95%以上铁+（0.054%）碳+1%杂质,含碳量,0.02%,2%,4.3%,钢,铸铁,工业纯铁,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4

19、.1 铁碳合金的组织结构,金属的组织和结构 相：系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分 。 显微组织：在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织 晶格结构：空间中粒子的排布及数量。如面心立方、体心立方、密排六方等。 组织一般由相组成，空间形态基本相同，但成分可变。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状,普通灰铸铁石墨呈片状,可锻铸铁石墨呈棉絮状,球墨铸铁石墨呈球状,例：铸铁中石墨的不同组织形式,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1

20、铁碳合金的组织结构,体心立方 面心立方 密排六方,常见晶体结构,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,纯铁的同素异性转变 晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；固定熔点和各相异性 非晶体内部质点是散乱排列的。 金属中的原子堆垛：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,纯铁的同素异性转变 晶格：把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格 晶胞：晶格中能完全反映

21、晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。 金属晶格类型：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,纯铁的同素异性转变 同素异性转变：在固态下晶体结构随温度变化的现象。,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织 铁与碳的相互关系：固溶态、化合态、混合态 固溶态：两种或两种以上元素在固态下相互溶解，保持溶剂的原来形式。 铁碳溶解、化合、混合所形成的各种组织结构：,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁

22、1.4.1 铁碳合金的组织结构,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.2 铁碳合金的状态图,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.3 碳钢,1. 碳钢中杂质对其性能的影响 1)Mn（有益元素） 来源：冶炼过程中加入锰铁 作用：钢材中锰含量高于0.8%时，即作为合金元素存在可提高强度 2)S（有害元素） 来源：矿石和焦炭。 作用：以FeS形式存在，由于FeS的熔点低于钢材热加工开始温度， 它过早熔化，导致工件开裂，称为“热脆性”。,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.3 碳钢,1. 碳钢中杂质对其性能的影响 3)P（有害元素） 来源矿

23、石。 作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。 4)H（有害元素） 钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点”。 作用：裂纹源,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.3 碳钢,2. 碳钢的分类及牌号 普通碳素钢 组成：含S、P等有害杂质较多（S0.055% P0.045%) 类型：Q215-A;Q235-A;Q235-A.F;Q235-B;Q235-C;Q275 优质碳素钢 组成：含硫磷量少（S、P0.04%），非金属杂质少，组织均匀，表面质量好。 类型：正常含锰量和较高含锰量（含

24、锰量）,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.3 碳钢,2. 碳钢的分类及牌号 优质碳素钢 正常含锰量：08,10,15,20g,20R 较高含锰量：30Mn,40Mn 高级优质碳素钢 组成：含S、P量更少（S，P0.03%) 类型：20A（A 高级）,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.4 钢的热处理,定义：刚在固态下按预定的要求进行加热、保温、冷却的工艺过程。 目的和作用：改善和提高其性能 工艺类型：退火、正火、淬火、回火等,退火：缓慢加热；保温一定时间；随炉冷却 正火：缓慢加热；保温一定时间；空气中冷却 淬火：缓慢加热；保温一定时间；淬火剂中冷却

25、 回火：淬火后再进行一次较低温度的加热和冷却,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.4 钢的热处理,退火和正火 作用： 降低硬度，增加塑性，改善机械性能；使组织均匀化，消除内应力。 淬火 作用：增加工件硬度、强度和耐磨性。 淬火剂:空气油水盐水 回火 作用：降低和消除工件淬火后的内应力；稳定组织；满足技术要求。 【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度) 以上3050。,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.4 钢的热处理,回火 分类：低温回火（150250） 中温回火（300450） 高温回火（500680） 【注】调质处理：淬火+高温回火

26、效果：强度、塑性、韧性均提高 化学热处理 定义：将零件放入化学介质中，通过加热、保温、冷却等过程使零件表面改性 方式：渗碳、渗氮、渗硅、渗铝、氰化等,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 碳钢及铸铁 1.4.5 铸铁,组成：铁+ (2.54.0%)碳+Si、Mn、P、S 等杂质 类型：灰铸铁、可缎铸铁、球墨铸铁、高硅耐蚀铸铁、合金铸铁等,灰铸铁 类型：HT150-330,HT200-400 其中：HT -灰铸铁 第一个数字-抗拉强度（MPa) 第二个数字-抗弯强度（MPa) 特点：断口呈灰色，石墨呈片状；质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；吸音减振，某些介质中耐腐蚀性好。,第一章 化工设

27、备材料及其选择,1.5 碳钢及铸铁 1.4.5 铸铁,球墨铸铁 类型：单铸试块 QT400-18；附铸试块 QT400-18A 其中：QT球墨铸铁 400抗拉强度（MPa) 18延伸率（%） A灰铸铁 特点：碳以球状石墨存在，可铸性好，易切削；强度高，较好的塑性和韧性。,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 碳钢及铸铁 1.4.5 铸铁,高硅铸铁 类型：STSi15R,STSi11Cu2CrR,STSi17R 其中：ST高硅耐蚀铸铁 Si15含硅15%左右 Cu2含铜2%左右 R混合稀土元素（0.1%） 特点：耐腐蚀性好；质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造；导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。

28、用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助阳极、管道配件等。,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.1 合金元素对钢的影响,强度 硬度 耐磨性,韧性 塑性,强度 低温冲击韧性,淬透性 强度 低温冲击韧性,塑性 韧性 耐腐蚀性,强度 高温疲劳强度 耐热和耐蚀性,塑性 冲击韧性,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.2 低合金钢,组成：碳素钢+Si、Mn、Cu、 Ti、V、Nb等元素 (0.2%）碳+ (0.5%）合金元素 特点：强度、耐腐蚀性能和耐低温性能提高（与碳素钢相比） 用途：可制成板材、管材、棒材和型材，用于造船，压力容器，

29、桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。 类型：16MnR，15MnVR,18MnMoNbR,16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.3 锅炉钢和容器钢,工作环境： 锅炉钢：中温或高温；中压或高压 容器钢：压力；温度；介质腐蚀；操作特点 材质要求： 1）较高的强度； 2）良好的塑性、韧性和冷弯性能； 3）较低的缺口敏感性； 4）良好的焊接性能和其他工艺性能； 5）良好的冶金质量。,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.3 锅炉钢和容器钢,类型： 锅炉钢：20g；12Mng,16Mng,

30、15MnVg,18MnMoNbg。 容器钢： Q235-B，Q235-C;20R;16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。 标准： 压力容器用钢板GB6654-1996 压力容器用碳素钢和低合金厚钢板YB/T40-87,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.4 不锈耐酸钢,定义： 不锈耐酸钢=不锈钢+耐酸钢 不锈钢：耐大气腐蚀 耐酸钢：耐酸和强腐蚀性介质的腐蚀 类型： 铬不锈钢 铬镍不锈钢,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.4 不锈耐酸钢,铬不锈钢 类型：1Cr13, 2Cr13,0Cr13 其中：第一个数

31、字-含碳量的千分数 Cr13-含铬13%。 组织特征：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体 碳的作用：与铬生成碳化铬(Cr23C6)，消耗大量的铬。为保证耐腐蚀性能，不锈钢中碳含量越低越好。 铬的作用： 1）在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用。 2）能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈钢的平均含铬量13%。 3）提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.4 不锈耐酸钢,铬镍不锈钢（18-8钢） 用途：受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。 类型：0Cr18Ni9 0Cr1

32、8Ni10Ti；（通常以铬镍平均含量“18-8”标志这种钢） 组织特征： C、Cr、Ni固溶于奥氏体晶格中，是单一的奥氏体组织。 性能特点： 1）铬化薄膜其保护作用 2）镍使其具有奥氏体组织，耐蚀性更高 3）易产生晶间腐蚀,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.5 耐热钢,碳钢使用温度一般在400以下 抗氧化腐蚀性能：表面被氧化，层层剥落 强度：钢中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化过程）；屈服点下降,高温设备对钢材的要求 化学稳定性（热稳定性） Cr Al Si 热强性 1）强化固溶体 Cr Mo 2）稳定金相组织 Cr Mo V Ti 3）再结晶温度提高 Mo C

33、r W,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.6 低温用钢,温度在-20以下时碳钢变脆，冲击韧性显著下降 低温用钢的基本要求 良好的韧性（低温韧性） 良好的加工工艺性 可焊性,类型 一般低温钢（-40-20)：铁素体+ Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。 深冷用钢(-40以下)：单相奥氏体组织（ 如15Mn26Al4 ） 国外：高镍铬钢 国内：无镍铬低温钢系列,第一章 化工设备材料及其选择,1.5 低合金钢和特殊性能钢 1.5.7 钢材的品种和规格,冷轧薄钢板 热轧薄钢板 热轧厚钢板,铸钢：钢水铸造成型 锻钢：钢胚锻压成型,圆钢 方钢 扁钢 等边角钢 不

34、等边角钢 工字钢 槽钢,冷轧 热轧,第一章 化工设备材料及其选择,1.6 有色金属材料 1.6.1 铝及铝合金,导热性能好,换热设备,导电性能好，不产生火花,不污染食物,储存挥发性介质的容器,塑性高 强度低,食品工业设备,焊接和切削,密度小,航天制造业,第一章 化工设备材料及其选择,1.6 有色金属材料 1.6.2 铜及铜合金,第一章 化工设备材料及其选择,1.6 有色金属材料 1.6.3 钛及钛合金,特点：强度高、相对密度小、耐腐蚀性强、耐热 场合：航天工业、化学工业,第一章 化工设备材料及其选择,1.7 非金属材料 1.7.1 无机非金属材料,第一章 化工设备材料及其选择,1.7 非金属材

35、料 1.7.2 有机非金属材料,工程塑料 组成：高分子合成树脂+ 填料提高力学性能； 增塑剂降低硬度和脆性； 稳定剂延缓老化； 固化剂加快固化速度。 特点： 1）良好的耐腐蚀性能； 2）一定的机械强度； 3）密度不大； 4）价格较低。,第一章 化工设备材料及其选择,1.7 非金属材料 1.7.2 有机非金属材料,类型： 1）硬聚氯乙烯塑料 2）聚乙烯塑料 3）耐酸酚醛塑料 4）聚四氟乙烯塑料 5）玻璃钢 涂料 组成：高分子胶体的混合溶液。 用途：设备防腐 类型：防锈漆；底漆；大漆；环氧树脂漆；酚醛树脂漆等。,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀

36、,定义：金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏。 类型：化学腐蚀、电化学腐蚀 金属腐蚀的评定方法： 1）质量变化评定法：试验测定，单位表面、单位时间腐蚀引起的质量变化量。 2）腐蚀深度评定法：用每年金属厚度的减少量表示腐蚀速度。,化学腐蚀 定义：金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生的腐蚀。 特点：腐蚀产物在表面；过程无电流产生。 腐蚀产物特性： 1）稳定、致密、结合牢固=化学作用 2）不稳定、脱落、结合不牢固=活化作用,化学腐蚀 1）金属的高温氧化及脱碳 高温氧化 定义：金属在高温条件下的气体腐蚀 解决方法：冶炼时加入铬，硅或铝（不起皮钢） 脱碳 定义：在高温（700）氧化的同时，钢

37、还发生脱碳作用。 反应式：Fe3C+O2=3Fe+CO2 Fe3C+CO2=3Fe+CO Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2 导致结果：力学性能下降，降低表面硬度和抗疲劳强度,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀,化学腐蚀 2）氢腐蚀 定义：在高温高压的条件下使材料强度和塑性显著降低，甚至损坏材料的现象。 铁碳合金在高温高压条件下的氢腐蚀过程 第一阶段：氢脆阶段 结合形式：原子状态分散，溶解在铁素体中形成固溶体 特点：钢材变脆，塑性降低,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀,化学腐蚀 2）氢腐

38、蚀 第二阶段：氢侵蚀阶段： 结合形式：发生化学反应 Fe3C+2H2=3Fe+CH4 特点： 1)甲烷在晶界聚集，成为裂纹源； 2)甲烷在钢材表面鼓泡，降低力学性能； 3)渗碳体还原为铁素体，体积减小，产生组织应力，促进裂纹扩展。 4)使钢材脱碳,裂纹形成网格,严重降低了钢材的力学性能。,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀,电化学腐蚀 定义:金属与电解质溶液相接触产生电化学作用而引起的破坏。 三个条件： 1）同一金属中有不同电位的组织成分或存在不同电位的金属； 2）阳极和阴极互相连接； 3）阳极和阴极同处在连通的电解液中。,第一章 化工设备材

39、料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀,电化学腐蚀 三个环节：阳极反应、电子流动、阴极反应,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀,晶间腐蚀 定义：腐蚀性介质沿晶粒间渗入金属深处，腐蚀破坏金属晶粒间的结合力，使之强度和塑性完全丧失。“内部瓦解”作用。 发生类型：铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀,晶间腐蚀 例如：奥氏体不锈钢晶间腐蚀，在

40、450850 之间，生成(CrFe)23C6，沿晶界析出，晶界成为贫铬带。在电化学行为中，贫铬带成为阳极，晶粒成为阴极，形成微电池。,解决方法： 1）加入Ti和Nb元素； 2）减少不锈钢中的碳含量。,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀,应力腐蚀 定义：金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的破坏形式。 三个阶段： 1）孕育阶段机械裂纹。 2）裂纹扩展裂纹尖端为高度应力集中区，出现微电池。 3）破坏阶段。,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.3 金属腐蚀破坏形式,金属腐蚀： 均匀腐蚀： 定义：在腐蚀介

41、质作用下，金属整个表面的腐蚀破坏。 危害：危险性小，壁厚有保证即可。 非均匀腐蚀（局部腐蚀）： 定义：金属表面上个别地方的腐蚀 危害：危险性大，断面强度大大降低，局部应力过大。 分类：区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、表面下腐蚀,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.3 金属腐蚀破坏形式,第一章 化工设备材料及其选择,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.4 金属设备的防腐措施,1.衬覆保护层 金属保护层：电镀，喷镀，衬里等。 非金属保护层： 非金属衬里：瓷砖、石墨板、水玻璃胶泥等。 防腐涂料：防腐漆、环氧树脂等。 2.电化学保护 阳极保护 阴极保护 3.添加缓蚀剂,第一章 化工设备材料及其选择,1.9 化工设备材料选择的一般原则,容器的操作条件：压力、温度、介质特性、操作特点 材料的使用性能：力学性能、物理性能、化学性能 材料的加工工艺性能：焊接、热处理、冷弯性能等 经济合理性及设备结构：材料价格、制造费用、使用寿命,