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1、第九章 化工设备材料及其选择,第一节 钢材生产基本知识,第二节 材料的性能,第三节 有色金属材料,第四节 非金属材料,化工选材的一般要求：,（1）材料品种符合我国资源和供应情况；,（2）材质可靠，能保证使用寿命；,（3）有足够的强度、塑性和韧性、耐蚀性；,（4）便于制造加工，焊接性能良好；,（5）经济上合算。,第一节 碳 钢,（1）普通碳素钢,（2）优质碳素钢,（3）高级优质碳素钢,分类,碳钢不仅价格低廉，在许多情况下都能够满足使用要求，按照其品质的好坏可以分为：,第二节 低合金钢及化工设备用特种钢,9.2.1 合金元素对钢的影响 为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如： （1）
2、铬：耐腐蚀抗氧化；提高了强度硬度和耐磨性； 使钢材的韧性和塑性降低。 （2）锰：提高强度和低温冲击韧性。 （3）镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性； 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性； 提高热强性能。 （4）硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H2S 腐蚀；降低了塑性和冲击韧性。,碳素钢与低合金钢比较,9.2.2 低合金钢,1. 成分特点： 由碳素钢+Si、Mn、Cu、 Ti、V、Nb 等元素组成； 含碳量均较低，0.2%； 合金元素总含量5% 。 2. 相对于碳素钢，其性能特点： 强度提高； 耐腐蚀性能提高； 低温性能提高。,9.2.3 锅炉和压力容器用钢板,1. 工作环境： 锅炉：中温或高温；
3、中压或高压。 容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。 2. 对材质要求： 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。,3. 常用的材料,锅炉钢： 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg 容器钢：（GB150-1998 钢制压力容器推荐） Q235-B；Q235-C；Q245R; Q345R;18MnMoNbR等。 4. 标准： 锅炉和压力容器用钢板GB/T 713-2008,9.2.4 不锈耐酸钢,不锈耐大气腐蚀； 耐酸耐酸及强腐蚀性介质的腐蚀。 常用品种： （1）铬不锈钢 如1
4、Cr13，2Cr13，0Cr13等。 第一个数字含碳量的千分数； Cr13含铬13%。 组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。,“不锈”的原因： 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。,性能特点： 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）能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈钢的平均含铬量13%。 （2）能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。 用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。,（2）铬镍不锈钢,常用铬镍不锈钢型号:0Cr18Ni9、0Cr18N
5、i10Ti 式中 0 含碳量的千分数； Cr18 含铬量18%左右； Ni9 含镍量9%左右。 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: 耐腐蚀性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜； 组织为单一的奥氏体，在电解液中不能形成微电池，避免了电化学腐蚀。 力学性能优异 在400850期间，碳生成碳化铬在晶界析出，使晶界附近贫铬（铬含量低于12%）导致晶间腐蚀。 不能反复施焊，否则必须进行热处理。 不耐氯离子腐蚀,使用耐热钢的原因： 高温环境-原油加热、裂解、催化等。如转化炉炉管，工作温度为650800。 碳钢使用温度一般
6、在400以下。 如20钢 500时屈服点只有50MPa,变得很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化过程）；同时钢表面生成氧化皮，层层剥落。 碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。,9.2.5 耐热钢,高温设备对材料的要求： 化学稳定性抵抗高温气体（O2、H2S、SO2 等)腐蚀的能力。钢的表面能生成致密的氧化膜。 抗氧化钢抗高温氧化，强度不高。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。 热强性抗高温蠕变能力。 热强钢抗蠕变，有一定抗氧化能力。 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。,低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。 普通碳钢在低
7、温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下降。 低温用钢的组织成分特点： 一般低温（-40-20 )钢含碳量很低的铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。 如 ：16MnDR,09MnNiDR等。 深冷（-40以下)用钢含碳量低的奥氏体组织。如 15Mn26Al4。,9.2.6 低温用钢,9.2.7 钢材的品种和规格,（1）钢板 （2）钢管 无缝钢管表示法： 如 f21910 其中 ：219-钢管的外径，mm； 10-钢管名义壁厚，mm。 有缝钢管 由板卷焊接而成。用于水管，蒸汽管等。,（3）型钢,圆钢 方钢 扁钢 等边角钢 不等边角钢 工字钢 槽钢,（4）铸钢和锻钢,
8、钢水铸造成型铸钢。 如：ZG200-400 式中200-屈服点 400-抗拉强度。,精密铸造！,钢坯锻压成型锻钢。,第三节 有色金属材料,9.3.1 铝及其合金,1. 特性：1）密度小，体轻； 2）导电、导热性好。不产生火花； 3）塑性高，强度低； 4）易冷加工，可焊，可铸； 5）耐低温； 6）一定的耐腐蚀性； 7）不污染食物。,1）纯铝：高纯铝L01，L02（浓硝酸设备）； 工业纯铝L1，L2，L4（换热器，塔，储罐，深冷设备等）。 2）铸造铝ZL（泵，阀门，离心机等）。 3）防锈铝LF（深冷设备，分离塔等）。,2. 常用铝材,1.纯铜（紫铜） 特性：1）塑性好，导电性好，导热好； 2）低温
9、下保持较高塑性和冲击韧性； 3）耐低浓度酸。 用场：深冷装置；密封垫片。 常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脱氧的无氧纯铜）。,9.3.2 铜及其合金,2.黄铜,铜与锌的合金。 特性：铸造性能好；较高的力学性能；易切削加工；可焊接；耐蚀性较好；有应力腐蚀开裂倾向。 化工常用材料：H80,H68,H62等。,铜含量%,代号,3.青铜,常用材料：锡青铜（铜锡合金） 铸造青铜用场较多。 特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。 用途：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。,9.3.3 铅及其合金,特性：1）具有很高的耐腐蚀性； 2）强度、硬度低，不耐磨，质软，相对 密度大； 3）耐辐射。 用途：设备衬里。 注：铅与
10、锑的合金为硬铅，强度和硬度比铅高，可作为加料管、鼓泡器等。,特点：1）密度不大而强度高； 2）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢； 3）耐热。 用场：航空工业，化学工业。,9.3.4 钛及其合金,1. 化工陶瓷 特点：1）良好的耐腐蚀性能； 2）足够的不透性、耐热性； 3）一定的机械强度； 4）性脆易裂，导热性差。 用途：化工陶瓷设备及管道，管件等。,第四节 非金属材料,9.4.1 无机非金属材料,2.化工搪瓷,含高硅的瓷釉经900煅烧，密着在金属胎表面而成。 特点：1）优良的耐腐蚀性能； 2）优良的电绝缘性能； 3）易碎裂。 用途：搪瓷设备，如反应釜、储罐、换热器、塔、阀门等。,3.辉绿岩铸石,用辉
11、绿岩熔融后铸成。 特点：除对氢氟酸和熔融碱不耐腐蚀外，对其他各种酸、碱、盐均具有良好的耐腐蚀性。 用途：板、砖等材料，设备衬里。,4.玻璃,硼玻璃或高铝玻璃。 特点：（1）具有良好的耐腐蚀性和热稳定性。 （2）清洁、透明、阻力小、价格低。 （3）质脆，耐温度急变性差，不耐冲击和振动。 用途：化工管道和管件，也可以用来制作容器，反应器等。,9.4.2 有机非金属材料,1. 工程塑料 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。,常用材料： 硬聚氯乙烯塑料 聚
12、乙烯塑料 耐酸酚醛塑料 聚四氟乙烯塑料 玻璃钢,2.涂料 高分子胶体的混合物溶液。 用途：设备防腐 常用涂料： 防锈漆； 底漆； 大漆； 环氧树脂漆； 酚醛树脂漆等。,3. 不透性石墨,各种树脂侵汲石墨，消除孔隙而成。 特点：1）较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好； 2）不污染介质； 3）加工性能好，相对密度小； 4）力学性能较低，性脆。 用途：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，爆破片等。,9.4.3 化工设备用钢的选材原则,要考虑： 设备的操作条件压力、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； 加工工艺性能焊接性能、热处理性能、
13、冷弯性能及其他冷热加工性能； 经济合理性及设备结构材料价格、制造费用和使用寿命。,选材一般原则,1）压力容器用钢材应符合GB150-1998钢制压力容器的要求，设计压力不大于35MPa。接受压力容器安全技术监察规程的监督。 2）压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围：,3.设计温度应在允许使用温度范围内。 4.耐腐蚀 同时考虑正常生产、停车、空料、内填料等的实际情况。 5.经济性好 6.其他 （1）高压设备应优先选用低合金高、中强度钢，从而节省钢材。 （2）承受刚度控制的设备，不宜采用高强度材料（3）1Cr18Ni9Ti 钢材使用温度不高于500时，许用应力按0Cr18Ni10Ti 选取。,6.其他 （1）高压设备应优先选用低合金高、中强度钢，从而节省钢材。 （2）承受刚度控制的设备，不宜采用高强度材料。 （3）1Cr18Ni9Ti 钢材使用温度不高于500时，许用应力按0Cr18Ni10Ti 选取。,