化工设备设计基础 第5章 化工设备材料.ppt

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1、第五章 化工设备用材料,一、概述 二、材料的性能 三、金属材料的分类及牌号 四、钢铁的组织结构及热处理 五、普通低合金钢及化工设备用特种钢 六、非金属材料 七、化工设备材料的选择,一、概述,1. 化工设备的操作条件 化学工业是基础工业，化工设备的种类很多，操作条件复杂苛刻： 操作压力：真空、常压、低压、中压以至高压和超高压； 操作温度：低温、常温、中温和高温； 介质：有腐蚀性、易燃、易爆、有毒等。 2. 化工设备选材的一般要求 遵循适用、安全和经济的原则选择材料。 选用材料的一般要求是： 材料品种应符合我国资源和供应情况； 材质可靠，能保证使用寿命； 要有足够的强度，一定的塑性和韧性，对腐蚀性

2、介质能耐腐蚀； 便于制造加工，焊接性能良好； 经济上合算。,一、概述,3. 压力容器的选材要求 压力容器用钢板：耐腐蚀，较高的强度，良好的塑性、韧性和冷弯性能，缺口敏感性要低，加工和焊接性能良好。 中、高温容器：材料组织稳定性和中、高温的机械性能。 低温设备：低温脆性破裂问题。,二、材料的性能,2.1 力学性能 定义：材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。 弹性变形 弹塑性变形 断裂 2.1.1 强度 强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。 屈服点（s） 金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显塑性变形的这种现象称为“屈服”。发生屈服现象

3、时的应力，即开始出现塑性变形时的应力称为“屈服点”，用s（MPa）表示，代表材料抵抗产生塑性变形的能力。 抗拉强度（b） 金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。以b（MPa）表示。 屈强比（s/b）。屈强比愈小，就具有较大的塑性储备，愈不容易发生危险的脆性破坏；但屈强比太低，材料的强度水平就不能充分发挥。反之，屈强比愈大，材料的强度水平能得到充分发挥。,二、材料的性能, 蠕变强度（n） 蠕变：金属材料在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。 蠕变强度n：在一定工作温度下，在规定的使用时间内，使试件发生一定量的总变形的应力值。 如1/10000表示材料经

4、10000h发生1%的总变形时的蠕变强度。表示材料在高温条件下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。 持久强度（D） 持久强度：在给定温度下，促使试样经过一定时间发生断裂的应力。持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。 疲劳强度（-1） 金属材料受到大小及方向变化的交变载荷作用发生断裂的现象称为疲劳，往往断裂应力值远低于屈服点。 金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，称为疲劳极限。往往把经106108次循环试验所测得的材料不发生断裂的最大应力作为疲劳强度。,二、材料的性能,2.1 力学性能 2.1.2 塑性 金属的塑性，是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的

5、塑性指标是延伸率和断面收缩率。 延伸率（） 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，称为延伸率。 断面收缩率（） 试件受拉力拉断后，断面缩小的面积同原始截面面积比值的百分率，叫做断面收缩率。 【提示】材料良好的塑性的优点：制造过程中顺利进行弯卷、锻压、冷冲、焊接成型工艺；设备使用中能由于塑性变形而避免突然断裂。,二、材料的性能,2.1 力学性能 2.1.3 硬度 硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力。硬度是材料的重要性能指标之一，可反映材料弹性、强度与塑性等的综合性能；硬度高强度也高，耐磨性较好。 常用的硬度指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。,

6、二、材料的性能,2.1力学性能 2.1.4 冲击韧性（Akv） 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。,图5-1 冲击韧性测定试验示意图,【注意】韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。原因是静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。,二、材料的性能,2.1力学性能 2.1.5 缺口敏感性 缺口敏感性是指在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力，属于材料的韧性范畴。但和材料的冲击韧性不同是在静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。而冲击韧性是指材料承受动载荷时抵抗裂纹扩展的能力。,二、材料的性能,2.2 物

7、理性能 金属材料的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。 2.2.1 热膨胀性 金属及合金受热时，一般说来体积都要胀大，这一特性称为热膨胀性。通常应用的是线膨胀系数，以表示，量纲为mm/(mm)。 钢材：=9.210.410-6 mm/(mm) 2.2.2 弹性模量与泊松比 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，这个比例系数称为弹性模量，以E表示。金属的弹性模量主要取决于金属原子结构、结晶点阵和温度等因素。E值随温度的升高而逐渐降低。 钢材：E=1.942.08105MPa 泊松比是试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以表示，钢材=0.3。,二、材料的性能,2

8、.3 化学性能 金属的化学性能是指材料在所处的介质中的化学稳定性，即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。 1. 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。 2. 抗氧化性 材料在高温、含氧工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸汽、CO2，SO2等的氧化腐蚀作用。 2.4 制造加工工艺性能 金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能和冷弯性能等，影响化工设备和零部件的制造工艺方法。,二、材料的性能,2.5 其他性能 2.5.1 组织稳定性 比较典型的是珠光体球化和石墨化，造成强度降低，韧性下

9、降，脆性增加。 2.5.2 抗松弛性 材料在高温和应力状态下，如维持总变形不变，随着时间的延长自发地减低应力的现象称为松弛。 【工程实例】法兰的连接螺栓拧紧加上初应力后，在高温下经过一段时间发生松弛，总变形中的一部分弹性变形转变为塑性变形，紧固件中的应力便降低了一部分，致使法兰垫片的压紧力而泄漏。此时紧固件中所剩下的应力叫做剩余应力。如果剩余应力愈高，则称材料的抗松弛性能愈好。 3. 应变时效敏感性 应变时效是金属及其合金在冷加工变形后，由于在室温或较高温度下的内部脱溶沉淀，会使各种性能（主要是冲击韧性）随时间延长而发生变化。,三、金属材料的分类及牌号,3.1分类 工程上将金属材料分为黑色金属

10、和有色金属两大类 3.1.1 黑色金属 生铁：可分为炼钢生铁、铸造生铁（简称铸铁）和合金生铁 钢,三、金属材料的分类及牌号, 镇静钢、半镇静钢与沸腾钢 镇静钢：在浇注前用Si、A1等把钢液完全脱氧，把FeO中的氧还原出来，生成SiO2和A12O3，使得钢中含氧量不超过0.01，锭模上大下小。压力容器一般都要选用镇静钢。 沸腾钢：冶炼时只用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢，含氧量为0.030.07，其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生 半镇静钢：介于镇静钢与沸腾钢之间，浇铸前在盛钢桶内或钢锭模内加入脱氧剂，锭模也是上小下大，钢锭的特征是具有薄的紧密外壳，头部还有缩孔，钢锭内部结构下半部好像沸

11、腾钢，上半部好像镇静钢。 【特殊说明】锅炉钢和容器钢是采用优质碳素钢，但要求钢的质地均匀，无时效倾向，都为杂质及有害气体含量较低的低碳镇静钢。 锅炉专用钢：钢号后面加g（锅汉语拼音首字母）如10g，20g，22g，16Mng等 压力容器专用钢：钢号后面加R（容的汉语拼音首字母）20R，16MnR等。 低温用钢：钢号后面加D（低的汉语拼音首字母）16MnDR低温容器用钢等。 2. 有色金属 化工设备用的有色金属主要有铜及铜合金、铝、钛、镍及其合金等，但用量不多，只是在特殊场合利用。,三、金属材料的分类及牌号,3.2 钢的牌号及表示方法 3.2.1 牌号表示原则 国家标准规定，牌号中的化学元素用化

12、学符号或汉字表示，产品的用途、冶炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。 3.2.2 钢号的表示方法 普通碳素钢 用甲、乙、特（A、B、C）表示类别；顺序号越大表示强度越高，含碳量越多。A3钢表示甲类碳素钢，序号为3。 【举例】压力容器设计中常用的主要为Q235系列钢材，Q屈服强度，235指材料的屈服强度s=235 MPa。 优质碳素结构钢 含碳量以平均含量万分之几表示；含Mn量较高的钢应标出Mn；浇注方法如为镇静钢不标符号；专门用途的钢牌号末尾用符号标明。 【举例】20g(R)：碳含量0.2%，锅炉（容器）专用钢； 40Mn：碳含量0.4%，Mn含量较高。,三、金属材料的分类及牌号,3.2

13、 钢的牌号及表示方法 3.2.2 钢号的表示方法 普通低合金钢及合金结构钢 含碳量以平均含量万分之几表示； 主要的合金元素应标出，含量小于1.5%时可不标含量，若标含量以百分数表示； Mo，V，Ti，B一般含量很少，系有意加入时，标出元素符号； 两种钢除一种主要元素外其余均相同，且这些主要元素的含量均在1.5%以下，则含量较高的加注1以相互区别。 高级优质钢牌号末加A。 【举例】 16MnR：C-0.16%，Mn1.5%，容器专用钢； 15MnVR：C-0.15%，Mn1.5%，用V细化晶粒，提高强度；容器专用； 12CrMoV与12Cr1MoV：只是前者Cr0.4%0.6%，后者Cr=0.9

14、%1.3%。,三、金属材料的分类及牌号,3.2钢的牌号及表示方法 3.2.2 钢号的表示方法 特殊性能钢 含碳量很低，以千分之几表示，“0”表示C0.08%，“00”表示C0.03%，“000”表示C0.001%；主要合金元素含量以百分数表示。 【举例】 1Cr18Ni9Ti：C0.1%；Cr18%；Ni9%；Ti防晶间腐蚀。 0Cr18Ni9Ti：C0.08%；Cr18%；Ni9%；Ti防晶间腐蚀。 其它如：00Cr17Ni14Mo2（316L），1Cr19Ni9（304），00Cr19Ni11（304L）。,四、钢铁的组结构及热处理,工程纯铁：C 2 金属晶体 -Fe：体心立方晶格（500

15、910 ） -Fe：面心立方晶格（9101390 ）,-Fe：体心立方晶格,-Fe：面心立方晶格,四、钢铁的组结构及热处理,4.1 钢铁的基本组织结构 (1)铁素体(F) 碳溶解在-Fe中所形成的固溶体，由于-Fe的原子间隙很小，所以溶碳能力极低，在室温下仅能溶解0.006%的碳。铁素体强度和硬度低，塑性和韧性很好。 (2)奥氏体(A) 碳溶解在-Fe中所形成的固溶体，由于-Fe原子间隙较大，所以碳在-Fe铁中的溶解度比在-Fe中大得多。如在727时可溶解0.77，在1148时可达最大值2.11。碳钢只有加热到727(称为临界点)以上，组织发生转变时才存在奥氏体。奥氏体的性能特点是强度、硬度高

16、，塑性低，韧性好且没有磁性。,碳溶于-Fe中示意图,碳溶于-Fe中示意图,四、钢铁的组结构及热处理,4.1 钢铁的基本组织结构 (3)渗碳体(C) 铁和碳以化合物形态出现的碳化铁，称为渗碳体，以C表示。其中铁原子与碳原子之比为3：1，即Fe3C。其含碳量高达6.69。硬度高(HBW为784)，塑性几乎为零，熔点约为1600。由于Fe3C又硬又脆，它以不同的大小、形状与分布出现在组织中，对钢的组织与性能影响很大。 (4)珠光体(P) 珠光体是铁素体和渗碳体二者组成的机械混合物，碳素钢中珠光体组织的平均含碳量约为0.77。力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著增高，塑性、韧性比

17、铁索体要差，但比渗碳体要好得多。,四、钢铁的组结构及热处理,4.1 钢铁的基本组织结构 (5)莱氏体(L) 莱氏体是珠光体和初次渗碳体共晶混合物，以L表示。它存在于高碳钢和白口铁中。莱氏体具有较高的硬度(HBW686)，是一种较粗而硬的组织。 (6)马氏体(M) 钢和铁从高温奥氏体状态急冷(淬火)下来，得到一种碳原子在-Fe铁中过饱和的固溶体，称为马氏体，以M表示。马氏体组织有很高的硬度，而且硬度随着含碳量的增大而提高。马氏体很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。马氏体由于碳原子过饱和，所以不稳定，加热后容易分解或转变为其他组织。,四、钢铁的组结构及热处理,4.2 铁碳合金相图 铁碳合金状态

18、图是描绘铁碳合金内部组织、成分(含碳量)与温度关系的图形。它能显示出不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律，是研究钢铁组织与性能的基础。,四、钢铁的组结构及热处理,4.3 钢的热处理 钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变其组织，满足所要求的物理、化学与力学性能，这样的加工工艺称为热处理。 退火：是把工件加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织（压力容器制造完成后常用来消除焊接残余应力） 正火：正火是将工件加热至临界点以上3050，并保温一段时间，然后将工件从炉中取出置于空气中冷却下来。正火的冷却速度要比退火的快一些，因而晶粒

19、更细化。 【说明】退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善力学性能；使组织均匀化，消除部分内应力。 淬火：淬火是将钢加热至淬火温度临界点以上3050，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的热处理工艺。 回火：回火是在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。,五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢,5.1合金元素对钢性能的影响 铬。合金结构钢主加元素之一，在化学性能方面它不仅能提高金属耐腐蚀性能，也能提高抗氧化性能。Cr12时钢具有良好的钝化特性而耐腐蚀。 锰。提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。 镍。镍对钢铁性能有良好的作用。能提高钢

20、的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。镍基合金具有更高的热强性能。镍被广泛应用于不锈钢和耐热钢中。我国贫镍。 硅。提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增加会降低钢的塑性和冲击韧性。 铝。细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。 钼。提高钢的高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。 钒。提高钢的高温强度，细化晶粒，提高淬透性。铬钢中加一点钒，在保持钢的强度的情况下，能改善钢的塑性。 钛。为强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。在不锈钢中起稳定碳的作用

21、，减少铬与碳化合的机会，防止晶间腐蚀，还可提高耐热性。 稀土元素。可提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢,5.2普通低合金钢 普通低合金钢（亦称低合金高强度钢）简称普低钢。普低钢是在碳素钢的基础上加入少量Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等合金元素构成的，含碳量较低，多数均小于0.2，其组织多数仍为铁素体和珠光体组织。 典型钢种：16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、07MnCrMoVR 5.3锅炉和容器钢 锅炉和压力容器作为特种设备，工作条件苛刻，受温度、压力、介质腐蚀等，因此要求采用优质、低碳镇静钢，且质地均匀，

22、无时效倾向，杂质及有害气体含量低。 较高的强度，包括常温、中温强度和高温强度； 良好的塑性、韧性和冷弯性能； 较低的缺口敏感性； 良好的加工工艺性能和焊接性能； 良好的冶金质量。良好的低倍组织，分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷尽可能少。不允许有白点及裂纹； 典型钢种：20g、22g、16Mng、15MnVg、20R、16MnR、18MnMoNbR等,五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢,5.4 不锈耐酸钢 不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。严格讲不锈钢是指耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是指能抵抗酸和其他强烈腐蚀性介质的钢。而耐酸钢一般都具有不锈的性能。不锈钢中同时加入铬和镍，可形成单一的奥氏体组织

23、。 5.4.1 铬不锈钢 在铬不锈钢中，起耐腐蚀作用的主要元素是铬，铬能固溶于铁的晶格中形成固溶体。在氧化性介质中；铬能生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用而且耐腐蚀。但这种耐腐蚀作用的强弱常与钢中的含碳、含铬量有关。当含铬量大于11.7时，钢的耐蚀就有显著的提高，而且含铬量愈多则愈耐蚀。 典型钢种：0Cr13、1Cr13、2Cr13制作螺栓、塔盘浮阀等。 5.4.2 铬镍不锈钢 铬镍不锈钢的典型钢号是1Cr18Ni9，其中含C0.14，Cr1719，Ni811，故常以其Cr，Ni平均含量“18-8”来标志这种钢的代号。因钢中含有形成奥氏体元素的镍量较多，故18-8钢加热至110011

24、50，并在水中淬火后，常温下也能得到单一的奥氏体组织，钢中的C，Cr，Ni都全部固溶于奥氏体晶格中。经这种热处理后奥氏体188不锈钢，具有较高的抗拉强度、较低的屈服点、极好的塑性和韧性，它的焊接性能和冷弯成型等工艺性也很好。 典型钢种：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、304、316、316L等,五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢,5.5 耐热钢 5.5.1 高温设备对钢材的要求 化学稳定性：指钢材抵抗高温气体（如O2、H2S、SO2等)腐蚀的能力，对一般耐热钢来说，高温气体主要是指O2，所以，耐热钢的热稳定性主要是抗氧性。 热强性：在一定热稳定性的前提下，钢材的高温强度愈高，蠕变过程

25、愈缓慢，即说明其热强性愈好。提高钢的热强性常采用下面三种办法： 强化固溶体。 稳定金相组织。 提高钢的再结晶温度。 5.5.2 常用耐热钢 抗氧化钢：主要能抗高温氧化，强度并不高，常用作直接受火但受力不大的零部件，如炉管托架。常用的如Cr13SiAl，Cr25Ti，Cr17Ti，Cr25Ni12等。 热强钢：主要能抗蠕变，但也有一定的抗氧化能力，常用作高温下受力的零部件，如炉管、反应器等，有12CrMo，Cr5Mo，1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20，Cr25Ni35等。,五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢,5.6 低温用钢 在化工生产中，有些设备（如深冷分离、空气分离、润滑油脱脂、液化

26、天然气贮存等）常处于低温状态下工作，因而其零部件必须采用能承受低温金属材料制造。普通碳钢在低温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下降。 对低温用钢的基本要求是：具有良好的韧性，良好的加工工艺性和可焊性。为了保证这些性能，低温钢的含碳量应尽可能降低，以形成单相铁素体组织，再加入适量的Mn，Al，Ti，Nb，Cu，V，N等元素以改善钢的综合机械性能。 典型钢种：16MnR、06AlNbCuN等,五、普通低合金钢及化工设备用的特种钢,5.7 钢材的品种和规格 钢材的品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢等。 5.7.1 钢板 冶金部供应的板材分冷轧与热轧薄钢板(厚度4mm)和热轧厚钢板(厚度4mm)两种

27、，冷轧薄钢板的尺寸精度(指厚度允许偏差)比热轧钢板高。 5.7.2 无缝钢管 无缝钢管有冷轧和热轧的。冷轧无缝钢管外径和壁厚的尺寸精度均较热轧管为高。普通无缝钢管常用材料有10，15，20，16Mn等，另外还有专门用途的无缝钢管，例如热交换器用钢管、化肥高压无缝钢管、石油裂化用无缝钢管和锅炉用无缝钢管等。 5.7.3 型钢 型钢有圆钢和方钢、扁钢、等边角钢、不等边角钢、工字钢、槽钢。,六、非金属材料,非金属材料具有良好的耐腐蚀性能，因此应用比较广泛，既可以单独做结构材料，在化工设备设计中更多的是用作金属设备的保护衬里、密封材料、保温材料和耐火材料。常用的非金属材料有以下几种： 6.1 无机非金

28、属材料 化工陶瓷、化工搪瓷、玻璃等 6.2 有机非金属材料 工程塑料（聚乙烯、玻璃钢）、涂料、不透性石墨,七、化工设备材料的选择,7.1 一般选材原则 7.1.1 机械性能 强度：包括屈服强度、抗拉强度及屈强比。对于常温容器用钢板的强度，主要是常温强度。高温时应考虑钢材的蠕变强度和持久强度。 塑性：塑性的一个主要指标是延伸率。压力容器用钢板5不得低于14。 韧性：容器用钢的韧性要求，应根据容器的设计参数、结构及制造情况来决定。 冷弯性能 7.1.2 耐腐蚀性 7.1.3 材料的经济性 在满足设备使用性能的前提下。选用材料还应注意其经济效果。,七、化工设备材料的选择,7.2 其他方面选材原则 1. 满足化工设备操作温度和操作压力的要求； 2. 节省材料：高压设备应优先选用普通低合金高、中强度钢； 3. 仅受刚度控制的设备，不宜采用强度过高的材料； 4. 存在有强腐蚀介质的情况，应积极试用无镍、铬或少镍、铬的新型合金钢。 5低温用钢 6提高大截面钢材的性能 7工艺条件和设备结构要求,