第8章 化工设备常用金属材料的基本性能

8.1化工设备常用金属材料的基本性能8.2金属材料的腐蚀与防护8.3化工设备常用材料第8章化工设备常用材料第二篇化工容器及设备1、常用材料2、压力容器3、化工设备学习内容（三大部分）过程装备与控制专业两门课压力容器设计基础过程装备设计按照工艺类专业及其它相近的非机械类专业的要求，重点讲述过程装备与控制专业最基本、最重要的内容。学习目的学习方法注重与其它课程的联系。设备的安全运行是工艺过程顺利实施的保障。工艺和设备都熟练的人更容易成功。生产企业遇到的技术问题往往是综合性的。注重实际知识的学习。保证出勤率，提高课堂效率，认真完成作业。压力100MPa低温到高温制冷和深冷设备普冷：高于-120℃深冷：低于-120℃1000℃真空到超高压压力外高内低真空干燥生产条件的复杂性决定过程设备常用材料的多样性！生产条件温度压力介质合成金刚石、宝石超高压食品杀菌釜处理量一般介质和易燃、易爆、有毒及强腐蚀性介质材料性能物理性能力学性能加工工艺化学性能强度塑性硬度冲击韧性耐腐蚀性抗氧化性线膨胀系数熔点密度导热系数导电性焊接性能铸造性能可锻性切削加工性8.1化工设备常用金属材料的基本性能8.1.1材料的力学性能强度强度是指在受到外力作用时，材料抵抗塑性变形和断裂的能力。常用表征方法：sb屈服强度抗拉强度这两个指标是确定材料许用应力的主要依据。材料不发生塑性变形的极限。材料承受载荷的极限。omnl图4.11应力－应变曲线高强钢的屈强比数值较大，σs和σb比较接近，屈服后的强度裕量较小。低强钢的屈强比数值较小，σs和σb相差较多，屈服后的强度裕量较大；sb：屈强比反映材料屈服后强化能力的高低。sb塑性塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。常用表征方法：延伸率断面收缩率指材料在破坏前变形能力的大小化工设备的制造离不开冷作加工成型工艺，要求材料必须具有良好的塑性。可在拉伸试验中同时测得。若用塑性差的材料制造设备，往往在没有明显变形的情况下而突然破坏。危险性很大。压力容器所用材料一般要求：δ5＝15％一20％以上用=5d的标准试件所得的延伸率因此，从化工设备的加工制造和安全运行角度考虑，要求材料的塑性要好。硬度硬度是指金属材料的软硬程度，也即金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。它表示材料在一个小的体积范围内，抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的能力。常用表征方法：HB布氏硬度√HRC洛氏硬度HV维氏硬度硬度大小反映材料的耐磨性能和切削加工的可能性。例1：在螺栓连接法兰密封结构中，要求螺栓的硬度大于螺母的硬度。一般硬度越高，耐磨性能好，但切削加工性能较差。过程设备中的某些相互连接的配合结构，其零部件的硬度有不同的要求：原因：①使螺母成为易损件②避免螺栓和螺母咬死例2：管壳式换热器中管子与管板胀接时，要求管板的硬度比管子的硬度高。胀接管孔结构冲击韧性指材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。常用表征方法：AKV吸收功工程上通常用摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性，金属夏比缺口冲击试验原理如图所示：是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。图11.2冲击韧性的测定用一定尺寸和形状的金属试样，在规定类型的冲击试验上受冲击负荷折断时，试样刻槽处单位横截面上所消耗的冲击功。冲击韧性k目前常用的10×10×55mm，带2mm深的V形缺口夏氏冲击试样。标准上直接采用冲击功（J焦耳值），而不是采用k值。因为单位面积上的冲击功并无实际意义。k——MJ/m2韧性对压力容器材料是十分重要的，是压力容器必检的项目！塑性好的材料一般韧性也好，但塑性指标较高的材料，却不一定具有较高的韧性。原因：在静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能够迅速地塑性变形。韧性好的材料，即使存在缺口，也有较好的防止发生脆断和裂纹快速扩展的能力。图11.3温度对碳钢力学性能的影响当温度超过350℃时：强度降低，塑性提高。温度对材料力学性能的影响一般金属材料的力学性能随温度的升高会发生显著的变化。材料在高温下承受某一固定拉伸应力时，会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性变形,这种现象称为蠕变。蠕变在高温下工作的零件往往因蠕变而发生事故。如：容器、管道直径逐步增大或壁厚不断减薄。碳素钢420℃400-500℃低合金钢一定的应力作用发生蠕变应力松弛常温下工作的零件，发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种现象称为应力松驰。蠕变应力松弛高温应力时间泄漏材料的冷脆性某些材料在低温下，韧性明显下降，材料由塑性转变为脆性，这种现象称为材料的冷脆性。具有体心立方晶格的金属，如碳素钢和低合金钢具有面心立方晶格的材料，如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。低温变脆的金属：低温仍有很高韧性的金属：低温变脆——非常危险！8.1.2物理性能线膨胀系数熔点密度导热系数导电性线膨胀系数：指材料在温度变化1℃时单位长度的伸缩变化量，单位为℃-1。导热系数：指当温度梯度（温度差与器壁厚度的比值）为1℃/m，每小时通过每平方米传热面积传过的热量，单位为W/(m·K)。其值可从机械设计手册中查取。材料使用场合的不同，对其物理性能要求也不同。对衬里或复合钢板所制设备，应尽量使不同材料的线膨胀系数相等或接近。如换热设备要求换热管材料有很好的导热性，同时由于管、壳的温差，计算温差应力时线膨胀系数是一个主要物理性能参数。8.1.3化学性能金属的化学性能主要指金属在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力。耐腐蚀性金属和合金对周围介质（如大气、水汽、各种电解液）侵蚀的抵抗能力称为耐腐蚀性。耐蚀性指在一定条件下（介质种类、浓度、温度、压力、流速等）相对耐蚀，迄今为止还没有在任何腐蚀环境中均耐蚀的材料。因此，是否耐蚀必须针对具体使用条件来确定。表11-1常用金属材料在不同介质中的耐腐蚀性抗氧化性化工生产中，许多设备是在高温下操作的，如氨合成塔、硝酸氧化炉、工业锅炉、汽轮机等。高温下，钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀，使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的氧化皮，还会与水蒸气、二氧化碳、二氧化硫等气体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降，特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度。因此，高温设备必须具有抗氧化能力。8.1.4加工工艺性能为使加工工艺简便并保证质量、降低成本，要求材料具有良好的加工工艺性能。金属材料的加工工艺性能包括可焊性、可锻性、可铸性、切削加工和热处理性能等。对化工设备用材的加工工艺性要求，取决于设备的结构和加工方式。例如：多数设备的壳体用板材卷焊制造而成，要求材料具有良好的塑性、良好的切削加工性能和焊接性能等。管道的弯管需要冷弯成型，也需要管材有良好的塑性。腐蚀是材料在各种环境作用下发生的破坏和变质。自然环境人为环境腐蚀造成的经济损失：全球：（1995）年7000亿美元/年，约占各国国民生产总值（GNP）的2%~4%。•美国：1995年3000亿美元，人均1100美元。•我国：1997年，2800亿人民币，约占我国GNP的4%。人均：215元/年8.2金属材料的腐蚀与防护据统计，腐蚀损失为自然灾害（地震、风灾、水灾、火灾等）损失总合的6倍。直接损失：造成资源的大量浪费•全球每年有约30%的钢铁产品因腐蚀而报废，其中的三分之一（10%）的钢铁几乎变为无用的废铁。•我国，每年因腐蚀而损失的钢铁约1000万吨，几乎相当于首钢全年的钢产量。间接损失•停产，更新设备•产品和原材料的流失•泄漏造成的环境危害•能源浪费：腐蚀产物和污垢致使锅炉、换热器等设备传热效率下降所带来的能源浪费。•其它：如腐蚀产物给产品质量带来的影响，在生物、制药等工业中尤显突出。化工生产中由腐蚀造成的设备跑、冒、滴、漏以及废水、废渣、废气等造成的环境破坏，除短期效益受损外，更有对人类生存环境所带来的严重破坏。为防止腐蚀，化工设备大量采用含铬、镍的不锈钢以及铜、铝、锌、铅、钼、钛等金属，这些金属大多数在地球上已所剩无几，只够人类开采几十年。从长远考虑，加强防腐工作，对减少材料的损失，防止地球上有限的矿产资源过早枯竭具有深远意义。单纯的机械作用所引起的破坏，不属于腐蚀。按作用机理，可将腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀。1.化学腐蚀：金属与干燥气体和非电解质溶液直接发生化学作用而引起的破坏。金属腐蚀是金属及其合金与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏。特点：直接反应，过程中无电流产生。例如：金属的高温氧化、高温硫化和氢腐蚀。8.2.1腐蚀的原理Fe+1/2O2=FeO4Fe+3O2=2Fe2O33Fe+2O2=Fe3O4不同温度下的氧化膜有不同的组成：碳钢（Fe,C,Fe3C）1)铁碳合金的高温氧化与脱碳高温氧化加入Cr,Si,Al等元素－－提高抗氧化能力。低于570℃，氧化物中不含FeO，由Fe3O4和Fe2O3构成。氧化层组织致密、稳定，附着在钢材表面上不易脱落，能起到保护膜的作用。高于570℃时，生成由FeO、Fe2O3、Fe3O4组成的结构疏松的氧化膜，起不到保护作用，使碳钢被腐蚀。脱碳同时由于气体的析出，破坏了钢表面膜的完整性，使耐腐蚀性进一步降低。钢的脱碳是指在高温气体作用下，钢的表面在产生氧化皮的同时，金属表层发生渗碳体减少的现象。高于700℃时，钢中的渗碳体Fe3C与O2、CO、H2O发生反应：Fe3C＋O2=3Fe＋CO2Fe3C＋CO=3Fe＋2COFe3C＋H2O=3Fe＋CO＋H2钢材脱碳材料表面的碳含量降低力学性能下降特别是降低了表面硬度和抗疲劳强度铁碳合金在高温下的氢腐蚀：分氢脆和氢侵蚀2）氢腐蚀氢脆阶段：温度、压力较低或高温高压但接触时间不长此阶段氢只是以原子的形式渗入到钢中，向钢材内部扩散，被钢的基体溶解吸收，但并不发生反应。只是由于氢的渗入使材料的韧性降低，材料变脆。可通过低压加热或常温静置从钢材中除去。钢材受高温高压的氢气作用而变脆甚至破裂的现象称为氢腐蚀氢侵蚀阶段：氢气环境和一定压力下，在200℃～600℃时，低碳钢或低合金钢发生表面脱碳和皮下鼓泡或微裂纹的现象称为氢侵蚀。Fe3C+2H23Fe+CH4随着反应的进行，生成的甲烷在钢材内部积聚，形成局部高压，使钢材内部出现大量细小裂纹和气泡，造成应力集中，钢材的机械性能大为降低，甚至开裂，导致设备破坏。还有人认为，由于Fe3C转变为Fe后，体积缩小会使内部开裂。氢腐蚀的危险性：产生氢腐蚀的钢材，由于裂纹很小且数目很多，从外观上很难凭肉眼直接观察到明显的痕迹，往往设备突然出现破裂。所以，氢腐蚀十分危险。为了防止氢腐蚀的发生，可以降低钢中的含碳量，使其没有碳化物(Fe3C)析出。也可在钢中加入合金元素，如铬、钛、铝、钨、钒等，与钢中的碳元素形成稳定的碳化物，以避免氢腐蚀的发生。锆制压力容器锆有强烈的吸氢性能，可作贮氢材料。锆合金对核燃料有良好的相容性，广泛用作水冷动力堆的包壳材料和堆芯结构材料。耐稀盐酸、稀硫酸腐蚀，在50%的氢氧化钠溶液中耐腐蚀性优于钽，在化学工业中有广阔的前途。电极电位低的金属被腐蚀。CuZn稀H2SO42.电化学腐蚀金属与电解质溶液接触时，由电化学作用而引起破坏。特点：两极相对独立而又同时发生化学反应（一极为氧化，一极为还原）；同时伴随着电子迁移。阳极：ZnZn2++2e阴极：2H++2eH2同时伴随着电子移动eIZn2+H+H2宏观腐蚀电池示意图同一种金属在电解质（可导电）溶液中，由于金属化学成分、结构、物理状态不均匀，或介质的浓度、温度、流速等的不同，都会发生电化学腐蚀。因为在不均匀处或在有浓度差、温度差、压力差时，各部分具有不同的电极电位，形成微电池。微电池引起微电池腐蚀的原因：1)化学成分不均一：如黄铜(铜锌合金)的脱锌。2)组织结构不均一：如铸铁的铁素体和渗碳体,铁素体电极电位低，为阳极；渗碳体高，为阴极。在水中，铁素体被溶解。3)物理状态不均一：如金属在