第1章化工设备材料及其选择

化工设备机械基础压力容器的常规设计方法内压、外压（中、低压）几类常用化工设备换热设备、塔设备、搅拌设备参考书目《化工容器及设备》，余国琮主编，北京：化学工业出版社，1980《化工容器设计》，化工设备设计全书编委员会，上海：上海科学技术出版社，1987《过程设备设计》，郑津洋等主编，北京：化学工业出版社，2005GB150-2011《压力容器》，北京：学苑出版社，2011GB151-1999《钢制管壳式换热器》，北京：学苑出版社，1999绪论一、问题的提出二、课程内容（一）设备是工艺的基础（二）材料是设备的基础（一）基础篇——材料材料的性能碳钢特殊性能钢合金钢常用三类钢封头人孔支座筒体管口液位计内压容器外压容器的失稳（二）理论篇——中低压容器设计（内压和外压）换热器搅拌器塔设备（三）实践篇——典型设备（换热器、塔设备、搅拌器）第一章化工设备材料及其选择教学重点：化工设备材料的选择。教学难点：材料的性能。第一篇化工设备材料第一节概述一、化工设备选材的重要性和复杂性1.操作条件的限制2.制造条件的限制3.材料自身性能的限制二、选材要遵循适用、安全和经济的原则第二节材料的性能一、力学性能材料在外力（或外加能量）作用下抵抗外力所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。硬度强度塑性韧性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，这种现象就称为屈服。1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。持久强度σD蠕变强度σn屈服强度σs(σ0.2)抗拉强度σb疲劳极限σn常温拉应力下20钢的拉伸试验l0=10d0l0=5d0或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。开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”sssb1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。金属在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫作抗拉强度。持久强度σD蠕变强度σn屈服强度σs(σ0.2)抗拉强度σb疲劳极限σn1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。材料在高温下，在一定的应力下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。持久强度σD蠕变强度σn屈服强度σs(σ0.2)抗拉强度σb疲劳极限σn材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。持久强度σD蠕变强度σn屈服强度σs(σ0.2)抗拉强度σb疲劳极限σn材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把经过106~108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。持久强度σD蠕变强度σn屈服强度σs(σ0.2)抗拉强度σb疲劳极限σn2、塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。主要有两个塑性指标：%100%100000lllllKK%100%100000FFFFFKK延伸率δ断面收缩率Ψ3、韧性：表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。承受静载荷抗裂纹扩展的能力——缺口敏感性承受动载荷时抗裂纹的能力——冲击韧性冲击功，而冲击韧度（F为面积）图1-1冲击试样的安放1-摆锤2-试样3-机座图1-2冲击试验原理1-摆锤2-试样21GHGHAkFAkk/（1）冲击韧度韧性高的材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好。问题判断正误并说出理由注意！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。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。其所以如此，就是因为静载菏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。（2）缺口敏感性指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。图1-3冲击试验的标准试样10281055R1(a)U型缺口1045°81055R0.25(a)V型缺口4、硬度：金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。布氏硬度HB（一般在HB450以上就不能使用)、洛氏硬度HR(可以用于硬度很高的材料)、维氏硬度HV(比洛氏硬度更适合于测定极薄试样的硬度)，显微硬度。材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。ssTTss小结二、物理性能相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。2、弹性模量E材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ＝Eε，这个比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。对不同材料，材料的弹性模量越大．使它产生一定量的弹性变形的应力也越。对同一种材料，弹性模数E随温度的升高而。tll11、线膨胀系数α3、泊桑比泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比，以μ表示。对于各种钢材它近乎为一个常数，即μ＝0.3。=其中bbbbb1lllll1三、化学性能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、抗氧化性在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。表1-1几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性耐耐沸10＜40＜10355沸任钛300气20干燥气(110)(浓)××××50(20)＜75(96)××铅××××(40)(10)3550(55)(＜27)20(20)＜60(80~100)××铜300气1002010××××××(30)60(80~95)＞95铝100溶液与气体100250饱100≤90××＜40(＜40)(80~100)(＜10)沸(沸)40＜50(60~80)9518-8型不锈钢(70)××20080××120260480≤35≥70100××20(70)70~80(80~100)××碳钢(沸)(25)耐耐100潮湿耐耐(100)(34)30(＜35)＜12050~100≤沸＜70≥40＜40高硅铸铁STSi15R××××(480)(任)××20(70)70~80(80~100)××灰铸铁(℃)(%)(℃)(%)(℃)(%)(℃)(%)(℃)(%)(℃)(%)(℃)(%)(℃)(%)氨尿素硫化氢硫酸铵氢氧化钠盐酸硫酸硝酸介质材料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、热处理性能等直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时必须考虑的因素。良好的冷热加工性能良好的焊接性能四、加工工艺性能第三节金属材料的分类及牌号一、分类1、金属的分类铸造生铁金属黑色金属有色金属生铁钢炼钢生铁合金生铁铜及其合金轻金属及其合金其它有色及其合金纯铜（紫铜）铜锌合金（黄铜）铜锡合金（锡青铜）无锡合金（铝青铜等）铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金铅、锡及其合金锌及其合金镍、钴及其合金2、钢的分类二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000）1、碳素结构钢：1）普通碳素结构钢（GBT700-2006）代表钢材屈服点的字母＋屈服点的数值＋材料质量等级符号＋脱氧方法符号，常用Q235B，Q235C，Q235A·F2）优质碳素结构钢（GBT699-1999）较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。常用10、Q245R（20g、20R）和20等。表1-2压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表钢板牌号使用温度℃设计压力MPa壳体钢板厚度mm其它限制Q235-B0~350≤1.6≤20不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器Q235-C0~400≤2.5≤30二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000）2、合金（高强度）钢在碳素钢的基础上加入少量合金元素。特别：锅炉钢和容器钢主要用于壳体或锅炉承压元件。如Q345R（16MnR）,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R等。性能指标等见附录。GB3531-2008《低温压力容器用低合金钢钢板》二、钢铁牌号及表示方法：3、特殊性能钢主要指不锈耐酸钢铬不锈钢，如1Cr13铬镍不锈钢，如00Cr19Ni10（S30403）节镍不锈钢GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》牌号06Cr13：中国统一数字代号：S11306第四节化工设备的腐蚀及防腐一、金属的腐蚀1.定义：金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏现象。2.类型（腐蚀过程有无电流产生）1）化学腐蚀（如氢腐蚀）2）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）二、常见腐蚀类型1.氢腐蚀氢气在较低温度和压力(＜200℃，＜5.0MPa)下对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“氢腐蚀”。二、常见腐蚀类型2.晶间腐蚀图1-1奥氏体不锈钢的晶间腐蚀发生在晶界，晶粒之间结合力下降，与元素Cr的含量有关。奥氏体不锈钢晶粒——阴极晶粒边界析出的碳化铬贫铬区——阳极晶粒边界二、常见腐蚀类型3.应力腐蚀图1-2应力腐蚀的裂纹扩展金属在腐蚀介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。腐蚀与拉应力起互相促进的作用。腐蚀性介质金属本身原始裂纹裂纹尖端保护膜裂纹将扩展的区域应力方向三、金属腐蚀的破坏形式1.均匀腐蚀2.非均匀腐蚀区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀第五节化工设备材料的选择一、选材的一般原则1.遵循标准2.根据钢材的选用范围3.经济性综合考虑：压力、温度和介质二、选材实例分析选择浓硫酸贮罐材料作业一、2题A组前4题3题选择材料，1，3二、判断题和填空题