1、1化工设备机械基础化工设备机械基础大连理工大学化工学院化机系大连理工大学化工学院化机系王立业王立业 编编2004.52课程简介课程简介31.确定设计原则确定设计原则经济指标，生产可靠度，能经济指标，生产可靠度，能力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的发展，等。发展，等。2.确定设计基础确定设计基础年操作时间，原材料，产品，年操作时间，原材料，产品，消耗与回收，界区交接条件，公用工程规格等。消耗与回收，界区交接条件，公用工程规格等。3.工艺流程图设计工艺流程图设计(PFD)过程确定，系统合过程确定，系统合成，工艺计算，设备特性要求，控制要求等。成，工艺计
2、算，设备特性要求，控制要求等。4.带控制点的管道流程图（带控制点的管道流程图（PID)5.工艺设备设计工艺设备设计设计温度，设计压力，结构设计温度，设计压力，结构设计，材质选择，壁厚确定等。设计，材质选择，壁厚确定等。46.定型设备选型。7.设备布置设计。8.管道工程设计。9.保温工程设计。10.公用工程设计。56化工设备储罐 固定管板式换热器膨胀节式固定管板换热器塔设备反应釜78一一.主要内容：主要内容：1.化工设备常用材料 简介化工设备常用材料性能、分类、热处理方法；2.中、低压化工容器设计 薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计；3.典型化工设备机械设计 列管式换热器、塔设备以及
3、反应釜的结构及机械设计方法。9二二.学习本课程的目的与要求：学习本课程的目的与要求：n目的目的：基本掌握化工设备常用材料的基本掌握化工设备常用材料的主要主要性能及选用方法；性能及选用方法；基本掌握中低压、外压基本掌握中低压、外压容器及典型化工设备的容器及典型化工设备的设计方法设计方法。n要求要求：1.重点掌握设计概念及方法；2.掌握化工设备的结构特点；3.领会贯通课堂上讲授的内容。10三三.主要参考书及参考资料主要参考书及参考资料：n1.化工设备机械基础(第五版）刁玉玮 王立业编著；n2.压力容器安全技术监察规程 1999；n3.钢制压力容器 GB150-1998；n4.管壳式换热器 GB15
4、1-1999；n5.钢制塔式容器 JB4710-2002；11第一篇第一篇 化工设备材料化工设备材料第一章第一章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择1.1 概述1）.化工设备的使用环境使用环境：n压力：真空低压中压 高压超高压n温度：低温中温高温n介质：有毒；易燃；剧毒。121.2 金属材料的性能金属材料的性能1.2.1 力学性能力学性能在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。1.强度强度及其主要指标及其主要指标.固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：容器爆裂；管道破裂;地脚螺栓拉断;炉管爆裂；.强度不够！13金属材料的重
5、要强度指标金属材料的重要强度指标14（1）.屈服点屈服点n屈服现象屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍仍继续发生明显的塑性变形。继续发生明显的塑性变形。n屈服点：屈服点：（s）材料发生屈服时的应力。单位：MPa。一些合金没有明显的屈服点,规定规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”。记作0.2。15（2）.抗拉强度抗拉强度(b)n定义：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发生断裂所达到的最大应力值，以b 表示，单位MPa。是压力容器设计常用的性能指标常用的性能指标。n屈强比屈强比：s/b 屈强比小，表明材料具有较大屈强比小，表明材料具有较大的的塑性
6、储备塑性储备。16（3）.蠕变强度（蠕变强度（n n）n“蠕变蠕变”现象：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。“蠕变强度蠕变强度”：材料在高温高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力能力，以 n n 表示，单位MPa。17（4）.持久强度（持久强度（D D）n定义：在一定温度下，经过一定时间断定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以裂时的应力，以 D D 表示，单位表示，单位MPa MPa。-是一定温度和一定载荷下，材料抵抗是一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。断裂的能力。n 材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能
7、支持的时间越久。n规定规定：化工设备设计寿命一般化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。时断裂时的应力作为持久强度。18（5）疲劳强度）疲劳强度n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。n“疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：-1 (MPa)。n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。192.塑性及其主要指标塑性及其主要指标n金属的塑性：金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的
8、性质。n因塑性不足引起材料破坏的例子：锻件裂纹;卷板裂纹;焊缝热影响区裂纹20主要指标主要指标：(1)延伸率（）21（2）断面收缩率（）断面收缩率（y y）如：纯铁的延伸率为50%，20R的d5不小于25%；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。积。断裂后试件的最小截面试件的原始截面积；式中kkFFFF000F%100y22（3）冷弯性能）冷弯性能 室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，a=1200或1800，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是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。23塑性指标的实际意义：塑性指标的实际意义：
9、n便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；n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压力容器及其零件都需要具备这个性质备这个性质。243.硬度的概念硬度的概念n金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。n硬度高材料强度也高，耐磨性较好；综合性能指标综合性能指标。布氏硬度试验示意图25 常用硬度指标：常用硬度指标：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：硬度和强度间有一定关系：如：低碳钢b36HBS;264.冲击韧性及指标（冲击韧性及指标（A Ak k）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑材料在外加动载
10、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。性变形，抵抗断裂的能力。27看看冲击试验看看冲击试验28n摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功冲击功（试件所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳焦耳！吸收功的高低取决于！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力。材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定冲击韧性值的试验确定29 材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。材料塑性高，其冲击韧性不一定高。静载荷下能够缓慢塑性变形的材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。料，在动载荷下不一定能迅速
11、塑性变形。本质区别在于本质区别在于材料在动载荷作用下是材料在动载荷作用下是否能够否能够迅速发生塑性变形迅速发生塑性变形，吸收冲击能量，吸收冲击能量。305 缺口敏感性缺口敏感性在带有一定应力集中的缺口缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩静载荷下抵抗裂纹扩展的性能展的性能。冲击韧性？冲击韧性？是动载荷作用下抵抗裂是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。纹扩展的能力。311.2.2 物理性能物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.线膨胀系数线膨胀系
12、数 异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？碳钢表面电镀一层铜升温后会？322.弹性模量弹性模量E E与泊桑比泊桑比弹性模量E：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难是衡量材料产生弹性变形难易程度的。易程度的。随着温度升高而降低随着温度升高而降低。泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为 =0.3=0.3。331.2.3 化学性能化学性能金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐
13、蚀。主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；2.抗氧化性抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2、SO2等。热加工如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。341.2.4.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能n可焊性能可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；n铸造性能铸造性能流动性、凝固收缩率等；n可锻性能可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；n切削加工性能切削加工性能n热处理性能热处理性能35看容器加工工艺看容器加工工艺制造压力容器的材料须具备什麽性能制造压力容器的材料须具备什麽性能36 1.3 金属材料的分
14、类及牌号金属材料的分类及牌号1.3.1 分类1.黑色金属 1）生铁 2）钢钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢钢普通钢优质钢高级优质钢按化学成分：按质量分：37钢沸腾钢镇静钢半镇静钢钢建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢按冶炼方法分：按用途分：382.有色金属有色金属铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金391.3.2 钢铁牌号及表示方法钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。例
15、如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢g或锅 容器钢R或容402.2.钢号表示法钢号表示法例：优质碳素钢08F 20 R 沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%普通碳素钢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41 低合金钢16MnR 16含碳量0.16%；Mn合金元素；R 容器钢。特殊性能钢1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；18含铬量18%；9 含镍量9%。421.41.4 碳钢与铸铁碳钢与铸铁n钢铁的组成=95%以上铁+（0.054%）碳+1%杂质 铁碳合金n含碳量0.022%为钢；n含碳量2%
16、为铸铁；n含碳量0.02%为工业纯铁；n含碳量 4.3%无实用价值。431.4.1 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构1.金属的组织与结构n在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。n金相组织结构直接影响金属材料的性质。如，铸铁中的石墨形式不同，其性质也不同。细片状石墨：次之粗片状石墨：差球状石墨：强度最好44纯铁在不同温度下的晶体结构：纯铁在不同温度下的晶体结构：45462.纯铁的同素异构转变：-Fe -Fe 910（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列固态下铁原子重新排列473.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁碳关系：铁碳关系
17、：固溶态，化合态，混合态固溶态，化合态，混合态固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。（1）铁素体（F）体心立方晶格（-Fe）+C铁素体铁素体 （固溶体）（固溶体）塑性好，强度低。48（2）奥氏体（A）面心立方晶格+C奥氏体奥氏体 （固溶体）韧性好，强度高。49铁碳关系之二铁碳关系之二：化合态化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为渗碳体渗碳体。性能特点性能特点:.硬，脆；.在一定条件下可以分解（3）渗碳体（）渗碳体（C）游离石墨+铁。渗碳体的作用渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量2%）成为碳素钢碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。50 铁碳合金中含碳量2%时，部
18、分碳以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁铸铁。组织结构特点性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。铁碳关系之三铁碳关系之三游离态游离态 511.4.2 铁碳合金状态图略52 1.4.3 碳钢碳钢1.碳钢中杂质对其性能的影响1）.锰锰(Mn)来源在冶炼过程中加入锰铁。作用钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金元素存在提高强度。是有益元素有益元素。2）.硫硫(S)n来源矿石和焦炭。n存在形式：FeS。n作用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，称为热脆性热脆性。有害元素有害元素！53 3).磷(P)n来源矿石。n作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下
19、降，即所谓“冷脆性冷脆性”。有害元素！有害元素！4）.氢(H)来源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“白点白点”。“白点”裂纹源 有害元素！有害元素！542.碳钢的分类、牌号碳钢的分类、牌号（1）.普通碳钢普通碳钢n含P、S等有害杂质较多有害杂质较多（S0.055%P0.045%)n常用有：Q215-A,Q235-A,Q235-A.F#Q235-B,#Q235-C,Q275 (参见表1-6）式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。235材料屈服点（MPa)A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。F沸腾钢#GB150-98规定使用材料
20、规定使用材料55（2）.优质碳素钢优质碳素钢 特点：含硫含硫、磷等杂质较少磷等杂质较少，均0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。常用有：08,1010,15,15,2020,20,20g,g,2020R R,30Mn,40Mn等。式中 数字-含c量的万分数;g-锅炉钢；R -容器钢；Mn-含锰元素约1%。（3）.高级优质钢高级优质钢 磷硫杂质极少磷硫杂质极少 P,s含量0.03%。表示法：如20A 56 1.4.4.钢的热处理钢的热处理热处理工艺实例：热处理工艺实例：缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；建筑用铁线用火烧软；泵轴调质内韧外硬；扁铲淬火提高硬度和韧性；容器焊后退火消除内应力
21、；热处理工艺曲线：57（1 1）常用热处理工艺）常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1）退火退火；空气中冷却（曲线2）正火正火 ；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。【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。58 缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3）；淬火剂淬火剂:水，盐水用于 碳钢；油用于合金钢。作用：提高硬度、强度和耐磨性。淬火淬火59 淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。回火又分为：低温回火（150250 ）；中温回火（300
22、450 ）；高温回火（500680）。淬火+高温回火 称为调质处理。调质处理。效果效果：强度、塑性、韧性均提高。回火回火60（2 2）化学热处理）化学热处理将零件放在化学介质中进行 加热保温冷却的过程。使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。61 1.4.5.铸铁铸铁 铁+(2.54.0%)碳+Si、Mn、P、S 等杂质 铸铁铸铁1）灰铸铁灰铸铁 如 HT150-330,HT200-400 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。622）球墨铸铁球墨
23、铸铁 如 QT450-10.QT-球墨铸铁 450-抗拉强度（MPa)10-延伸率（%）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。63 性能指标材料 b(MPa)s(MPa)d (%)ak(N.m/cm2)HBS(MPa)45(正火）61036016 5024.1 球墨铸铁40090025060021815301336 灰铸铁150400 1427 45号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较643）高硅铸铁）高硅铸铁n如：STSi15R,STSi11Cu2CrR,STSi17R式中 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
24、.1%）。特点：耐腐蚀性好（见书表1-15）；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。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。651.5 低合金钢及特殊性能钢低合金钢及特殊性能钢1.5.1 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：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。锰：提高强度和低温冲击韧性。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。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。66 1.成分特点：由碳素钢+Si、Mn
25、、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，其性能特点性能特点：强度提高；耐腐蚀性能提高；低温性能提高。1.5.2 低合金钢低合金钢67 碳素钢与低合金钢比较碳素钢与低合金钢比较 类别 品种 b (MPa)s(MPa)S/b使用温度（）碳素钢Q235-A 20 400 400 240 250 0.6 0.630350-19475低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74-40475-45450683.常用材料：板，管，圆钢等型材。4.用途：广泛用于造船，压力容器，桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械
26、等。5.常用材料：16MnR，15MnVR,18MnMoNbR,16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR.691.5.3 锅炉钢和容器钢锅炉钢和容器钢1.工作环境：锅炉：中温或高温；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。703.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;20R;16MnR，15MnVR，15MnVNbR，
27、18MnMoNbR。4.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/T40-8771 1.5.4 不锈耐酸钢不锈耐酸钢不锈-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1Cr13,2Cr13,0Cr13等。第一个数字-含碳量的千分数千分数见表1-5(1-4）；Cr13-含铬13%。组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。72“不锈不锈”的的原因：在氧化性介质中，铬能生成一层稳定而致密的氧化膜氧化膜，对钢材起保护作用。性能特点：n 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，不锈钢中碳含量碳含量越低越
28、好越低越好。73 铬的作用：能提高耐腐蚀性能能提高耐腐蚀性能。实际铬不锈钢的平均含铬量13%。能提高钢的淬透性，显著提高能提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。韧性降低。n 用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。74 2）铬镍不锈钢铬镍不锈钢n常用铬镍不锈钢型号:0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti 式中 0-含碳量的千分数千分数；（见表1-5）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。n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单一的奥氏体组
29、织。75 性能特点性能特点:耐腐蚀性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜氧化膜；组织为单一的奥氏体单一的奥氏体，在电解液中不能形成微电池，避免了电化学腐蚀。力学性能优异力学性能优异。见P298附录五 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%）导致晶间腐蚀晶间腐蚀。！不能反复施焊，否则必须进行热处理不能反复施焊，否则必须进行热处理。不耐氯离子腐蚀。不耐氯离子腐蚀。76 1.5.5 耐热钢耐热钢n 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。碳钢使用温度一般在碳钢使用温度一般在400以下以下。如20钢 500时屈服点只有50MPa,变得
30、很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化过程石墨化过程）；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碳钢在高温下强度和抗氧化性均下降。77 高温设备对材料的要求：高温设备对材料的要求：化学稳定性化学稳定性。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氧化膜。抗氧化钢抗氧化钢抗高温氧化，强度不高。Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr25Ni12等。热强性热强性。抗高温蠕变能力。热强钢热强钢抗蠕变，有一定抗氧化能力。12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。78元素 Cr提高抗氧化性，强化并稳定金相组织。Mo提高高温
31、强度，强化并稳定金相组织，提高再结晶温度。Ni形成奥氏体组织，提高高温强度和耐腐蚀性。Ti稳定金相组织，不锈钢中能减少铬与碳的化合。Al,Si提高高温抗氧化性，本身生成致密的氧化膜。各元素的作用：79 1.5.6 低温用钢低温用钢n低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。n 普通碳钢在低温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下降。n 低温用钢的组织成分特点低温用钢的组织成分特点：一般低温（一般低温（-40-20-40-20)钢钢含碳量很低碳量很低的铁素体的铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。如 16MnDR,09MnNiDR等。深冷（深冷（-40-4
32、0以下)用钢用钢含碳量低的奥碳量低的奥氏体氏体组织。如 15Mn26Al4。801.5.7 钢材的品种和规格钢材的品种和规格 1）钢板P320附录十2）钢管P306附录七 无缝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。有缝钢管有缝钢管 由板卷焊接而成。用于水管，蒸汽管等。如 1吋,1/4吋,3/4吋等.813）型钢）型钢n圆钢n方钢n扁钢n等边角钢n不等边角钢n工字钢n槽钢824）铸钢和锻钢）铸钢和锻钢钢水铸造成型-铸钢。如：ZG200-400 式中200-屈服点 400-抗拉强度。钢坯锻压成型 -锻钢831.6 有色金属材料有色金属材料1.6.
33、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。841）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：851.6.2 铜及其合金1.纯铜（紫铜）特性：1）塑性好，导电性好，导热好；2）低温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）。862.黄铜黄铜铜与锌
34、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873.青铜青铜常用材料：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。用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。881.6.3 钛及其合金钛及其合金特点：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。891.7 非金属材料非金属材料1.7.1 无机非金属材料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。用场：化工陶瓷设备及管道，管件
35、等。902.化工搪瓷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。用场：搪瓷设备，如反应釜、储罐、换热器、塔、阀门等。911.7.2 有机非金属材料有机非金属材料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。92常用材料：常用材料：n硬聚氯乙烯塑料n聚乙烯塑料n耐酸酚醛塑料n聚四氟乙烯塑料n玻璃钢2.涂料涂料高分子胶体的混合物溶液。用途：设备防腐常用涂料：n防锈漆；n底漆；n大漆；n环氧树脂
36、漆；n酚醛树脂漆。等。933.不透性石墨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。用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，爆破片等。941.8 化工设备的腐蚀及防腐措施化工设备的腐蚀及防腐措施1.8.1 金属的腐蚀1.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。952.化学腐蚀化学腐蚀金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生的腐蚀。n特点：1）腐蚀产物在金属
37、表面；2）腐蚀过程中无电流产生。n腐蚀产物特性：1）致密而稳定，与金属结合牢固钝化膜钝化膜钝化作用钝化作用；2）不稳定，与金属结合不牢固脱落脱落活化作用活化作用。96（1）金属的高温氧化及脱碳）金属的高温氧化及脱碳n金属在高温下的气体腐蚀。解决方法：冶炼时加入铬，硅或铝 不起皮钢不起皮钢97脱碳反应：Fe3C+O2=3Fe+CO2 Fe3C+CO2=3Fe+CO Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2 温度700时脱碳作用。力学性能下降。力学性能下降。98（2）氢腐蚀）氢腐蚀铁碳合金发生氢腐蚀的开始温度和压力：压力/MPa温度/压力/MPa温度/310300280 3040220210 1020
38、270240 4060210200 2030230220 6080200190第一阶段：氢脆第一阶段：氢脆以原子状态侵入钢材内部，聚集，使钢变脆。与氢在钢中的溶解度成正比。99第二阶段：氢侵蚀第二阶段：氢侵蚀发生化学反应：Fe3C+2H2=3Fe+CH4危害危害：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。又提供氢和甲烷聚集条件，加重氢侵蚀钢材组织成为网格。1003.电化学腐蚀电化学腐蚀金属与电解液接触发生电化学反映。三个环节：101发生电化学腐蚀必备条件：发生电化学腐蚀必备条件：1）同一金属中有不同电位的
39、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。1021.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀均属于电化学腐蚀。1.晶间腐蚀 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。n不锈钢有晶间腐蚀可能：在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。103解决办法：1）钢中加入Ti和Nb元素；2）减少不锈钢中的碳含量。1042.应力腐蚀应力腐蚀亦称腐蚀开裂金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的破坏形式。腐蚀断裂过程分三个阶段：
40、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。105裂纹扩展应力腐蚀：1061.8.3 金属腐蚀破坏的形式金属腐蚀破坏的形式危险性较小，壁厚有保证即可。危险性较大危险性较大，隐蔽；穿孔泄漏；局部应力过大。1071.8.4 金属设备的防腐措施1.衬覆保护层1）金属保护层电镀，喷镀，衬里等。2）非金属保护层n非金属衬里瓷砖，石墨板，水玻璃胶泥；n防腐涂料防腐漆，环氧树脂等。2.电化学保护1）阳极保护被保护设备接直流电源阳极，生成“钝化膜”。1082）阴极保护牺牲阳极保护。1093.添加缓蚀剂腐蚀性介质中加入少量缓蚀剂，降低或停止腐蚀作用。注意！注意！1）不影
41、响产品（介质）质量；2）符合性；3）种类和用量要经试验确定。1101.9 化工设备材料选择的化工设备材料选择的一般原则一般原则要考虑要考虑：n设备的操作条件压力、温度、介质特性、操作特点；n材料的使用性能力学性能、物理性能、化学性能；n加工工艺性能焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；n经济合理性及设备结构材料价格、制造费用和使用寿命。111选材一般原则选材一般原则：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：钢板牌号使用温度 设计压力 MPa壳体厚度 mm 其他限制Q235-B03501.620不得用于高度毒性和极度危害介质Q235-C04002.5301123.3.设计温度应在允许使用温度范围内设计温度应在允许使用温度范围内。见书p46表1-30。4.4.耐腐蚀耐腐蚀 !同时考虑正常生产、停车、空料、内填料等的实际情况。5 5.经济性好经济性好1136 6.其他其他（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。
