关于化工设备机械基础课件（全套课件470p）

化工设备机械基础,化工设备机械基础是一门综合性机械类程。包括力学知识、材料知识、设备结构、零部件标准、压力容器安全技术监察规定等知识。,第一篇力学基础,研究对象： 化工设备 对化工设备要求是： 1、强度在外力作用下抵抗破坏的能力。 2、刚度在外力作用下抵抗变形的能力。 3、稳定性在外力作用下维持构件原有 平衡形式的能力。,构成化工设备的元件杆件、平板、壳体。,核心由已知力求解未知力。 一、必须掌握的基本概念 1力、力矩、力偶、力偶矩的定义。 2力和力偶的性质。 3. 约束的特点及 “约束反力”的表达方法。 4力的平移定理的内容、实质、应用。 二、刚体受力分析,第一章刚体的受力及平衡规律,三、力系的简化与平衡 1、平面汇交力系的平衡条件： X=0 Y=0 2、平面一般力系的平衡条件 X=0 Y=0 M0(F)=0,第一次课要求 掌握 1力的定义、基本性质 2. 二力平衡公理与作用反作用公理的区别 3. 刚体受力分析 约束的特点及 “约束反力”的表达方法。,1-1力的概念 及其性质,一、力的概念 1、力物体间的 相互作用称之为力 2、力的作用效果 运动状态改变外效应 产生形状改变内效应。 刚体受力后不发生变形的物体。,3、 力的三要素： 力的大小 方向 作用点。 4、力的单位： N; 1 kgf=9.8N 5、是一矢量：用有向线段表示。 刚体受力后不发生变形的物体。 在对构件进行受力分析时，都把物体视为刚体。,二、力的基本性质,（1）二力平衡公理：当物体上只作用有两个外力而处于平衡时，这两个外力一定是大小相等，方向相反，作用线重合。（只用于刚体） 二力杆只在两个力作用下处于平衡的构件。,*二力杆上的两个外力：其力作用线必与二力作用点的连线重合，而于二力杆的实际几何形状无关。,（2） 加减平衡力系公理与力的可传性,作用在刚体上的力，可以沿其作用线移动到刚体上的任意点而不改变对刚体的外效应。（只用于刚体）,（3） 力的可合、可分性（合成与分解）力的平行四边形法则,作用在某一点的两个力，可以用一个合力代替，合力的大小、方向和作用线可由两个分力为邻边所画出的平行四边形的对角线表示。,两个力合成一个力时，只有唯一解；一个力分解为两个力时有无穷多解。 合力的作用与它的分力的同时作用效果是相同的，故合力一定大于分力。( ) 反例：,（4）力的成对性（作用反作用公理）,二物体间的相互作用力大小相等、方向相反、作用于同一直线上。,（5）二力平衡公理与作用反作用公理的区别：,相同点：二力等值、反向、共线 不同点： 二力平衡公理中的二力作用在同一物体上。 作用反作用公理中的二力分别作用在两个物体上。 P24: 1-1,1-2刚体的受力分析,一、约束和约束反力 作用机器设备上的外力分为两类：,主动力引起零件运动状态改变，或使零件具有改变运动状态的趋势。 约束限制物体运动的物体。约束力：阻碍物体改变运动状态的力。 确定约束反力的原则总是和该约束所能限制的运动方向相反,1、柔软体约束,形成：由绳索、链条、皮带。 特点：只有拉直时才能起到 约束的作用。 只能限制非自由体沿绳索伸直的方位向外运动。 约束反力方向：沿柔软体中心线背离研究对象。,2、光滑接触面约束,二接触面忽略摩擦形成的约束。 约束反力方向：沿接触面的公法线指向研究对象。,3、铰链约束,（1） 构成：由一个带圆孔的零件和孔中插入的一个圆柱体构成。 （2）特点：只能发生相对转动，不能产生相对移动。 （3）约束反力方向： 待定；作用线过 销钉中心。,画出指定物体的受力图,小结：刚体的受力分析要领,1、研究对象：单个零件、几个零件，整个构件。当取几个零件或整个构件为研究对象时，各零件之间相互作用的力是内力，不能表示在受力图上 2、画受力图，不是施力图。 3、除重力、电磁力外，只有直接与研究对象接触的物体才有力的作用。,4、约束反力的画法只取决于约束的性质，不要考虑刚体在主动力作用下企图运动的方向 5、 画约束反力重要的是确定力线方位，力的指向在无法判定时可以任意假定。 6、利用二力杆定力线方位，不能确定时可用两个正交分力代替。,第二次课要求,掌握： 1、刚体受力分析要领 2、平面汇交力系的平衡条件： X=0 Y=0 3、平面汇交力系的平衡条件的应用,力系,平面力系：作用于刚体上的外力均处于同一 平面内。 平面汇交力系：平面力系中各力汇交于一点。,1、刚体处于平衡状态： 是指外力对刚体所产生的外效应正好相互抵消，也就是这几个外力对刚体的总效应等于零。 2、使刚体处于平衡的条件是： 作用于刚体上的所有外力的合力等于零。,1-3平面汇交力系的简化与平衡,一、平面汇交力系的简化 1、求取一个力系合力的过程力系的简化。 2、解析法： 解析法的基础是力在坐标轴上的投影。,投影的大小表示此力沿该轴分力的大小。 X=Fcos Y=Fsin,（1）力在坐标轴的投影,(2)合理投影定理,合力在某一轴上的投影等于各分力在同一轴投影的代数和。,二、平面汇交力系的平衡,平面汇交力系的平衡条件： X=0 Y=0 例题1-3,小结：,1、研究对象应既包括已知外力、又包括待求外力。 2、凡是在平衡方程中出现的数值和符号都必须标注在分离体受力图上。 3、应使坐标轴的方位尽可能与较多的力线平行或垂直。 4、方程的建立必须以分离体受力图为基准。当选取两个分离体时，应指明方程与受力图的对应关系； 5、建立方程时，如果可能，宜首先建立只包含一个未知量的方程，并及时将该未知量解出后再建立第二个方程；,第三次课要求,掌握： 1、力的平移定理的内容、应用。 2、力矩、力偶、力偶矩的定义。 3、力偶的性质 4、平面一般力系的平衡条件 X=0 Y=0 M0(F)=0,1-4、力偶、力的平移定理,一、力矩 1、矩心转动中心称为矩心 2、力矩表示：Mo(F)=+Fd 3、符号规定：逆时针转向的力矩为值 顺时针转向的力矩为负值,二、力偶概念： 1、定义：一对等值、反向、力作用线不重合的力。,2、效果：只使物体转动不使物体移动。,M(F,F/)=M0(F)+ M0(F/) =F(x+d)- F/x =Fd M(F,F/)= +Fd,3、力偶的性质,（1）等效变换性： 在保持力偶矩的大小及其转向不变的前提下： *力偶的位置可以在其作用平面内任意移动或转动。 *任意改变力的大小和臂的长短,（2）基本物理量：,任何两个力均可以为一个力所等效代替，唯独力偶不能合成一个合力。 （3）可和性：合力偶的力偶矩等于分力偶矩的代数和。 m=m1+m2+mn = m,三、力的平移定理,力向某一点平移时，除了本身的外力外，还要附加一个力偶。,1-5平面一般力系的简化与平衡一、平面一般力系的简化,平面一般力系的平衡条件 X=0 Y=0 M0(F)=0 矩心的位置可以任意选定，通常选择在两个未知力作用线的交点为矩心。,例题：1-6升降操作台，其自重G1=10kg，工作载荷F=4kg，在C点处和操作台相连接的软索绕过滑轮E，末端挂有重量为G的平衡重物，装在台边上的A、B两滚轮能使工作台沿轨道上下滚动。试求软绳的拉力和作用在A、B两轮上的反力（不计摩擦力）,Y=0 T-F-G=0 T=14kN Mc(F)=0 1NB-1.2G1-1.5F=0 NB=18kN X=0 NB + NA =0 NA =- NB =-18kN （负值说明NA的实际 指向与图示相反。）,第四次课要求,1、掌握平面一般力系的平衡条件 X=0 Y=0 M0(F)=0 2、掌握平面一般力系的平衡条件的应用,三、固定端约束的受力分析,例题：求塔机座对塔的约束反力,X=0 qh-XA=0 XA =qh Y=0 YA-W=0 YA= W M0(F)=0 qh.h/2-mA=0 mA= qh2/2,1-6静力学问题求解方法小结,一、如何确定研究对象 在所选定的研究对象中应既包括已知外力、又包括待求外力。使未知力数目尽量少。一般情况下可优先考虑整个构件作为选取的研究对象之一,二、如何画分离体受力图,分离体受力图上，每个力矢的符号及有关的几何量都必须标注齐全，凡是在平衡方程中出现的数值和符号都必须标注在分离体受力图上。,三、如何建立直角坐标系,应使坐标轴的方位尽可能与较多的力线平行或垂直。,四、如何应用静力平衡方程,1方程的建立必须以分离体受力图为基准。当选取两个分离体时，应指明方程与受力图的对应关系； 2建立方程时，如果可能，宜首先建立只包含一个未知量的方程，并及时将该未知量解出后再建立第二个方程；,3力矩方程M(F)0只能用于平面一般力系中，矩心应尽量选在两个未知力作用线的交点处。 4解出结果是负值时，表明力的实际指向与图示指向相反，这时切勿更改受力图上原假设的力的指向。,静力学能够解决的问题的范围,未知力的数目=有效平衡方程的数目,第五次课要求,1、掌握弹性变形、塑性变形概念及二者的区别 2、掌握内力与变形的关系 轴力与变形关系 L S L/ EA 3、重点掌握拉压直杆横截面上的正应力计算。,第二章 金属的力学性能,金属的力学性能金属受到外力作用时的“表现” 2-1弹性体的变形与内力 一切物体都是变形体，它们在外力作用下都会发生变形。,杆件的基本变形形式,一、变形与内力的概念,反映变形的性质 1、弹性变形外力撤掉后可完全恢复的变形。 2、塑性变形外力撤掉后不可恢复的变形。 3、内力在外力作用下构件内部相连两部分间的作用力。 只有弹性变形才会产生内力；,4、内力与外力间的关系：,（1）内力随外力产生而产生。 （2）外力无限内力有限，达一限度构件就要破坏。 二、变形的度量 1、杆的绝对伸长量：L=l1-l 2、杆的相对变形：线应变=L/l,3、轴力与变形(弹性线应变)之间的定量关系,L S L/ EA S EALL；应用范围是小于比例极限p,三、直杆受拉伸（压）时的内力,1、轴力直杆受拉伸（压）时产生的内力。用符号S表示。 符号规定：拉为正；压为负。,2、轴力的计算,截面法： （1）假想将杆截开 （2）取其中一半为研究对象画受力图（设正） （3）列平衡方程求解内力。,1-1截面： S1=p-Q=100-200 =-100N 2-2截面： S2=-Q=-200N,四、受拉（压）直杆内的应力,1、受拉直杆横截面上的正应力 =S/A 2、简单拉伸直杆斜截面上的应力 =cos2 =(/2)sin2,结论：,（1）最大正应力位于杆的横截面内。 （2） 最大剪应力位于杆的450和1350斜截面内。 最大剪应力在数值上是最大正应力的一半。,第六次课要求,1、掌握金属材料的力学(机械)性能定义 2、了解低碳钢拉伸试验过程 3、掌握反映材料的强度指标、塑性指标、硬度及耐磨程度、韧性及对裂纹敏感程度等指标。,2-2材料的力学（机械）性能,力学（机械）性能是指材料在外力作用下在强度与变形方面所表现出来的性能。 如：强度、硬度、弹性、塑性韧性等。 试验有：拉伸、压缩、弯曲、冲击、疲劳、硬度等试验。,一、低碳钢拉伸试验 1、试件的准备与试验的进行,对圆形截面 l0=10d l0=5d,2、试验结果的整理：,拉伸图 应力应变图,3、从拉伸试验中得到的力学性能参数,（1）弹性变形与虎克定律： /=tg=E =E L S L/ EA 比例阶段：Q235-A e=210MPa （2）屈服阶段：Q235-A s =235MPa （3）强化阶段：Q235-A b =380MPa （4）颈缩阶段,（5）材料的塑性 延伸率： =(l1-l0)/ l0 % 截面收缩率： =(A0-A1)/ A0 %,4、试件的中途卸载与重新拉伸,冷加工硬化 在强化阶段卸载， 短时间内重新加载 后，屈服极限提高 延伸率下降的现象。,*塑性材料与脆性材料的判别,*铸铁的拉伸压缩试验：抗压强度远远大于 抗拉强度。,根据延伸率的大小区分塑性材料和脆性材料, 5% 塑性材料 5% 脆性材料 低碳钢： =20-30%,二、温度对材料机械性能的影响,1、温度对短时静载试验所得结果的影响 （1）2600C以前：随着温度的升高b增大、在减小。 2600C以后：随着温度的升高b减小、在增大。 （2）材料的塑性指标随温度降低而减小低温脆断。,构件的低温脆断是使用材料中一个必须引起严重注意的问题，因为低温下工作的构件，往往在应力远未达到材料屈服限之前就遭破坏。 （3）在化工容器中，凡是在一200C(包括一20)以下操作的容器，且其器壁应力又达到材料常温屈服限的六分之一时，则专门定为低温压力容器。,低温条件下选材注意：,（1）材料的使用温度是否高于材料的脆性转变温度。 （2）材料在使用温度下的冲击功是否大于规定值。,2高温时的蠕变与应力松驰,(1)蠕变现象与蠕变极限 A、所谓蠕变就是金属试件在高温下承受某一固定的应力时，试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性变形。 B、发生蠕变必须具备两个条件： 一是要有一定的高温 二是要有一定的应力,C、生产上是用控制构件工作应力的办法来控制蠕变速度。 D、规定：把在某一高温下。为使试件在10万小时内的塑性应变值不超过1%，允许试件能够承受的最高应力值，称作材料在该温度、该蠕变速度条件下的蠕变极限。,（2）持久强度限,把试件在某一高温下，在规定的时间内不断裂所允许试件承受的最高应力，称作材料在该温度下、该持续时间内的持久强度限，用D表示。,（3）应力松弛,在总变形量保持不变，初始的弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象叫应力松弛。,三、金属的缺口冲击试验,1、测冲击功目的：,（1）冲击功的大小能够在一定程度上反映材料的抗脆断能力。 （2）低碳钢和低合金钢都有明显的冷脆现象。确定材料的脆性转变温度,2、材料的脆性转变温度,设备是在低于或等于一20条件下工作。 应考虑材料的脆性转变温度是否低于设备的工作温度，并保证材料具有在所使用低温下所必须达到的冲击功AKv值。,四、硬度试验,硬度是表示材料抵抗他物压入的能力。 衡量材料抵抗塑性变形能力大小的一种指标。,1、布氏硬度 符号HB,凹印愈小，布氏硬度值愈高，说明材料愈硬。,测定方法：,2洛氏硬度：,金属越硬，压痕深度越小，洛氏硬度值则越高。 根据压陷器所用材料和主压力大小的不同，有三种洛氏硬度，分别用HRC，HRB及HRA表示。 常用的是 HRC,五、弯曲试验,检查试样背面有无裂纹、裂缝或断裂，借以了解材料(或焊接接头)承受塑性变形的能力。,小结,1、反映材料强度高低的指标有：屈服极限s(或0.2)强度极限b，蠕变极限n，持久强度限D 2、反映材料塑性好坏的指标有：延伸率(或0.2)：断面收缩率 屈服限与强度限之比值(简称屈强比)；弯曲角度,3、反映材料韧性及对裂纹敏感程度的指标有：冲击功AKv，冲击韧性aKV 4、反映材料硬度及耐磨程度的指标有：布氏硬变HB，洛氏硬度HRC。 5、反映变形性质的弹性极限e。,第七次课要求,一、掌握强度条件的表达式： =S/A 二、强度条件的应用 1、强度校核 =S/A 2、确定截面尺寸 A S/ ； Amin = S/ 3、确定许可载荷 S A； Smax = A,第三章受拉（压）构件的强度计算与剪切构件的实用计算,3-1受拉直杆的强度计算 一、强度条件的建立与许用应力的确定 1、受拉直杆的强度 =S/A ,2、许用应力,塑性材料 = ts / ns =t0.2 /ns 脆性材料 =b /nb,二、强度条件应用举例,1、强度校核 =S/A 2、确定截面尺寸 A S/ ； Amin = S/ 3、确定许可载荷 S A； Smax A,小结,强度条件的应用 1、强度校核 =S/A 2、确定截面尺寸 A S/ ； Amin = S/ 3、确定许可载荷 S A； Smax = A,第八次课要求,1、掌握静不定问题的判定及其解决途径 2、建立补充方程： 3、热应力产生的原因 4、减少或防止热应力的方法 5、热应力的自限性,3-2拉压中的静不定问题,一、静不定问题的判定及其解决途径 1、静不定问题的判定 这种仅根据平衡方程尚不能确定全部未知力的问题称为静不定问题。,2、静不定问题的解决途径,（1）列静力平衡方程,（2）建立变形协调方程,（3）借助物理关系建立补充方程,二、化工设备与管道中的热应力,1、蒸汽管道中的热应力,（1）静力平衡关系 Q1= Q2=Q （2）变形几何关系 lt= lQ （3）物理关系 lt =l(t1-t0) lQ =Ql/EA （4）求应力 t=Q/A=E (t1-t0),（一）由t=Q/A=E (t1-t0)得出的结论,（1）两端固定的管道温度每升高10C，就会在管道的截面内产生2.3MPa的热应力。 （2）热应力的大小与管道的长度无关。 （3）热应力的大小与管道的横截面面积无关。,（二）减少热应力的措施,将管子弯成各种回折形状，大直径的管子可装膨胀节。 注意： 1、不可因管道短 不考虑热应力。 2、增加壁厚 不能减少热应力。,2、固定管板管壳式换热器中的热应力 (1)变形关系,小结,1、静不定问题的判定 仅根据平衡方程尚不能确定全部未知力的问题称为静不定问题。 2、静不定问题的解决途径 关键是建立补充方程 （1）轴向力引起的弹性变形： LQ=Ql/EA （2）温度变化引起的热变形： Lt =l.(t1-t0) 3、热应力：不是受到外载引起的应力，也不是由于热变形引起的。,4、热应力产生的原因：由于限制相邻构件的热变形而引起自身产生了弹性变形。即热变形受到限制引起的。 5、减少或防止热应力的方法： 减少热变形的限制如：壳体上加膨胀节；高温管道法兰螺栓把没有螺纹部分车细等 6、热应力的自限性： 热变形被限制越厉害热应力也越大。限制过大，达到屈服极限时热应力反而停止增长,第九次课要求,1、熟悉拉（压）杆连接部分的剪切和挤压强度计算 名=Q/A jy = Pjy/A jy 2、会判定剪切、挤压面,3-3拉（压）杆连接部分的剪切和挤压强度计算,一、剪切变形及其强度计算 1、剪切变形 2、剪力 X=0 Q=P 3、剪切强度条件：名=Q/A ,二、挤压与挤压强度计算,1、挤压现象 2、挤压力 X=0 Pjy=Q 3、挤压强度条件 jy = Pjy/A jy,4、挤压面积的计算,1、挤压面为平面 A=lh/2 2、挤压面为曲面 A=d,解：,例：已知 解：,小结,1、拉（压）杆连接部分的剪切和挤压强度条件可解决三类问题 名=Q/A jy = Pjy/A jy 2、剪切、挤压面的判定 剪切面与外力平行，挤压面与外力垂直。,第十次课要求,1、掌握梁的受力特点和变形特点及梁的类别。 、会计算指定截面的剪力和弯矩及剪力和弯矩的正负规定，判断危险截面,4-弯曲概念与梁的分类,一、弯曲变形的宏观表现与实例 、直梁的的弯曲,受力及变形特点：,外力均与梁的轴线垂直（外力彼此相距较远）或在杆轴平面内受到外力偶作用时，杆的轴线由直线变为曲线。,、板、壳的弯曲,二、梁的几何形状和名称,三、梁上的外力、梁的支座及分类,、外力分为三种： （）集中力 （）集中力偶 （）分布力,、梁的支座形式,、梁的分类,简支梁 外伸梁 悬臂梁,4-梁的内力分析,一、梁横截面内的两种内力 剪力Q和弯矩M,二、剪力和弯矩的计算,外力的计算: RA = RB Y=0 Q=RA Mc(F)=0 M= RA x 、剪力的正负规定： 左上右下剪力为正 左下右上剪力为正 、弯矩的正负规定：凹为正；凸为负,三、剪力图和弯矩图,Mx=-P(l-x) x=0 M=-Pl x=l M=0,小结,1、掌握梁的受力特点和变形特点及梁的类别。 2、梁的内力分析： （1）梁横截面上的两种内力：剪力和弯矩 剪力的正负规定：左上右下剪力为正 左下右上剪力为正 弯矩的正负规定：凹为正，凸为负 （2）剪力与弯矩的计算： 利用平衡方程 （3）剪力图与弯矩图的绘制： 判断梁的危险截面及最大弯矩的计算,第十一次课要求,、会算实心矩形截面的轴惯性矩和抗弯截面模量。 、能熟练运用弯曲正应力强度条件解决三类强度计算问题： 即校核梁的强度；确定梁的截面形状与尺寸；决定梁所允许承受的最大集中载荷或均布载荷。,4-3纯弯曲时梁的正应力及正应力强度条件,一、梁横截面任意指定点处的正应力 1、纯弯曲的概念 梁横截面只有弯矩没有剪力的弯曲。 2、中性层的概念,3、梁横截面任意指定点处的正应力,=My/Iz E弹性模量 y横截面上的某点 到中性轴的距离 轴线的曲率半径,4、最大正应力,max =Mymax/Iz max=M/(Iz/ymax)= M /Wz,5、截面的Iz、Wz,二、正应力的强度条件,max=Mmax /Wz 安全,三、梁的合理截面,依次为：工字形、 空心矩形截面 矩形截面立放 矩形截面平放,小结,、实心矩形轴惯性矩和抗弯截面模量。 、弯曲正应力强度条件解决三类强度计算问题：即校核梁的强度；确定梁的截面形状与尺寸；决定梁所允许承受的最大集中载荷或均布载荷。,第十二次课要求,1、会计算几种常用截面梁剪切弯曲时的最大剪应力。 2、运用查表的方法计算梁的挠度和转角，并可根据刚度条件，解决与强度条件类似的三类问题。,4-3 直梁弯曲时的剪应力,一、矩形截面,例：求最大剪应力,解：,二、工字形截面,1,1,4-4梁的变形梁弯曲时的位移,1,小结,1、常用截面梁剪切弯曲时的最大剪应力。 2、梁的变形挠度和转角，并可根据刚度条件，解决与强度条件类似的三类问题,第十三次课要求,一、掌握转速、功率和外力偶的关 系 二、掌握扭矩的正负符号判定法则 三、正确理解剪切虎克定律的表达 式,第五章 圆轴的扭转,实例,5-1圆轴的扭转时所受外力的分析与计算,一、搅拌轴的三项功能 1、传递旋转运动 2、传递扭转力偶矩 3、传递功率,二、转速、功率、外力偶的关系,m=9550 Pk /n （1）Pk一定时， n 越高，m越小 （2） n 一定时， Pk 随m的增高而增大。 （3） n增加，必增加Pk 。有可能使电机过载。,5-2圆轴在外力偶作用下的内力、应力计算,1、内力的计算,例 解：,2、圆轴扭转时的应力,1,5-2纯剪切、角应变、剪切虎克定律,一、纯剪切 圆轴在扭转时横截面上只有垂直半径方向的剪应力，而没有正应力。,二、角应变,三、剪切虎克定律,小结,一、转速、功率和外力偶的关系 m=9550Pk/n 二、扭矩的正负符号判定法则： 右手螺旋法则 三、剪切虎克定律的表达式： =G,第十四次课要求,一、掌握圆轴扭转时的强度条件及其应用 max= MT /Wp 二、熟悉圆轴扭转时的刚度条件及其应用 MT.180/GIp,5-4圆轴扭转时的强度条件与刚度条件,一、圆轴扭转时的强度条件 max= MT /Wp 塑材 =（0.5-0.8） 脆材 =（0.8-1.0）,二、圆轴扭转时的刚度条件,单位长度的变形 =/l= MT. l /GIp 刚度条件 MT.180/GIp 规定：,试校核电动机满负荷运转的强度,解：,解：（1）,解：（2）,小结,一、圆轴扭转时的强度条件及其应用 max= MT /Wp 二、圆轴扭转时的刚度条件及其应用 MT.180/GIp,第十五次课要求,1、熟悉碳钢与铸铁的主要组成元素及碳钢、合金钢分类、牌号、用途。 2、了解钛金属的特点与用途 3、了解常用的热处理形式 4、了解常见的几种腐蚀及防止方法。,第二篇 化工材料,第六章 化工设备常用金属材料 黑色金属、有色金属、非金属材料 金属材料的主要性能： 1、机械性能 2、物理性能 3、耐腐蚀性能 4、制造性能,6-1铁碳合金碳钢与铸铁,一、铁碳合金的组织结构与其性能的关系 （一）铁的同素异构转变对钢材性能变化所起的作用。 1、铁 9100C以下为体心立方晶格铁,9100C以上为面心立方晶格铁 同素异构转变由于温度变化而引起的晶格类型的变化,2、碳,碳在铁碳合金的存在形式： (1)固溶体：铁素体与奥式体都具有良好的塑性。 （2）碳与铁形成化合物：碳化铁（Fe3C）其晶体组织叫渗碳体。硬度极高、塑性为零。 （3）碳以石墨状态单独存在：石墨很软，且很脆。,（二）钢在加热和冷却时组织的变化及其对钢性能的影响,1、碳钢在加热时所发生的相变： 相变温度：723-9100C 2、钢的不同冷却速度对钢组织性能的影响 钢的强度和硬度随冷却速度的加快而有所增加 马氏体过饱和碳的-Fe固溶体 强度和硬度均高，塑性低,（三）钢的热处理,二、碳钢与铸铁的分类、牌号、性能及应用（一）碳钢的分类与牌号,1、按含碳量分,2、按钢的质量,（1）普通碳素结构钢,压力容器的分类,*,（2）优质碳素钢,（二）碳钢在化工设备上的应用,1、钢板 （1）必须使用规定的钢板 （2）普通碳素结构钢板必须按表6-5使用 （3）设备出厂必须有主要受压元件材质证明书,2、钢管,（1）钢管的种类与材质 有缝的焊接管Q195、Q215、 Q235 无缝钢管10、20 （2）钢管的尺寸 无缝钢管尺寸 焊接管尺寸,无缝钢管尺寸系列,焊接管尺寸系列,1,3、锻件,适合：压力容器上的接管法兰、容器法兰、平板封头及整体补强的接管。 焊接锻件：20 不需焊接锻件：35、45 4、圆钢 Q235A、20、35、45,6-2 合金钢,一、低合金钢 1、合金元素与钢号 为了提高钢材的性能，在碳钢中加入一些合金元素就成为合金钢。目前常用的合金元素有：铬、镍、钼、硅、锰、硼、铝、钒、钛、铌、钨和稀土元素。,低合金钢的钢号：,以碳含量的万分数为字首，后边依次为合金元素符号及每种元素含量的百分数。 16Mn,2、分类与应用,（1）普通低合金钢,普通低合金钢是在普通碳素结构钢的基础上加入少量合金元素而成，用一般方法冶炼而成。广泛用于制造桥梁，汽车、轮船，锅炉和化工设备等。,（2）不锈钢,不锈钢是指在空气中耐腐蚀的钢，耐酸钢是指能抵抗酸和其它强腐蚀介质作用的钢，耐酸钢一般都具有不锈钢的性能，故习惯上也称为不锈钢。,三、主要元素对钢材组织和性能的影响,1、碳含碳量小于2.11%碳钢，随着含碳量的增如，钢的强度和硬度都增加，而塑性和韧性财降低。（但当含含碳量超过77%时。钢的强度反而降。）,2、锰、铬元素对钢材性能的影响,锰可与硫形成MnS,降低硫对钢的有害作用 铬不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。当钢中铬含量超过12时，钢的耐蚀性可大幅度提高，所以不锈钢中的铬含量都在12以上。,3、镍、钼元素对钢材性能的影响,镍： 可扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高耐碱能力可使钢材在室温下仍保持为奥氏体组织 钼：能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力能提高钢的耐热强度。 钛：为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加入的元素。,4、磷元素对钢材性能的影响,磷是一种有害元素。溶于铁素体内使铁的晶格剧烈歪扭，使钢的强度和硬度增高，塑性、韧性降低，特别在低温影响更为显著，这种现象叫冷脆。,5、硫元素对钢材性能的影响,硫是一种有害元素。与铁形成共晶体熔点低（9850C）。钢在1000-12000C进行压力加工，由于共晶体已融化，使各个晶粒分离，引起金属的破坏，这种现象叫热脆。,四、有色金属 钛及钛合金,钛及钛合金具有低温时塑性和韧性好的特殊性能。 钛可作设备衬里或制成钛复合钢板，但因钛的热膨胀系数比钢小1/4，钛衬里或用钛复合钢板制的设备操作温度应低于2500C，防止因温度升降时热膨胀不同而分离。,6-4 金属的腐蚀与防护,一、腐蚀的定义与分类 1、定义：指金属在周围介质（常见的是液体和气体）作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而产生的破坏。 2、分类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理溶解,二、常见的几种腐蚀及控制方法,（一）均匀腐蚀 （二）电偶腐蚀 （三）应力腐蚀 （四）缝隙腐蚀 （五）小孔腐蚀 （六）晶间腐蚀 （七）高温腐蚀,*,腐蚀类型,均匀腐蚀,小孔 腐蚀,晶间 腐蚀,局部 腐蚀,1,双金属腐蚀,避免双金属腐蚀 的措施,1,避免缝隙腐蚀所采用的联接形式,设计的容器要使液体完全排净,1设计的容器要使液体完全排净,容器底部及出口管结构,小结,1、碳钢与铸铁的主要组成元素及碳钢、合金钢分类、牌号、用途。 2、钛金属的特点与用途 3、常用的热处理形式 4、常见的几种腐蚀及防止方法。,第十六次课,复习 答疑,第十七次课要求,1、掌握薄膜应力的含意 2、掌握最大薄膜应力表达通式 3、决定薄膜应力大小的基本因素有两个,第七章压力容器中的薄膜应力,7-1回转壳体中的薄膜应力 一、容器壳体的几何特点 1、什么是容器 各种设备外部壳体的总称,2、容器的结构,*,(一）圆筒形壳体的薄膜应力,*薄膜应力的含意：是器壁上的应力沿壁厚均布。是由于壳体的环向与经向“纤维”受到拉伸引起的。 =pD/2 m= pD/4 应用条件是： D0.2,(二)圆球形壳体的薄膜应力, =pD/4 m= pD/4 圆筒形壳体与 圆球形壳体上 各点的薄膜应力 均相同： 球壳m 圆筒的2m。,(三)椭球形壳体的薄膜应力,标准椭球形封头a/b=2: = m =pDa/4b = pD/2 标准椭球壳上的最大拉伸薄膜应力位于顶点的纵截面内，最大压缩薄膜应力作用在赤道处的纵截面内。,(四）圆锥形壳体的薄膜应力：,锥形壳的最大 薄膜应力在锥 体大端纵截面内 m= pD/4 .1/COS = pD/2. 1/COS,7-2圆形平板承受均布载荷时的弯曲应力,小结,1、最大薄膜应力可用如下通式表达： max= pKD/2 K：圆筒形和标准椭球形壳体：K=1； 球壳：Ko5； 圆锥形： K=1/COS 2、决定薄膜应力大小的基本因素有两个：一是压强p，二是壳体的截面几何量D值。壳体的不同形状对薄膜应力的影响则反映在上述的系数K中。,第十八次课要求,1、掌握二次应力产生的原因 2、了解二次应力的自限性和 二次应力的局部性 3、了解危险点薄膜应力的强度条件、按塑性失效准则建立的强度条件及安定准则建立的强度条件,7-3边界区内的二次应力,一、边界应力产生的原因,两个相连接的零部件的连接处,由于自由变形不协调相互限制而产生的应力。,*,二、影响边界应力大小的因素,两个相连接的零部件,相互限制越大边界应力越大,*,三、边界应力的性质,1、应力的自限性 只出现在具有良好塑性的材料上 2、二次应力的局部性 边界应力最大值出现在两种几何形状壳体的连接处。,四、回转壳体内部的边界应力,7-4强度条件,一、对薄膜应力的限制 1、薄膜应力的相当应力 =S/A ,2、强度理论简介,（1）一点处的应力状态,（2）强度理论,最大拉应力理论（第一强度理论） 最大剪应力理论（第三强度理论） 形状改变比能理论（第四强度理论） 按第三强度理论建立的强度条件： 3r= t,二、对一次弯曲应力的限制,1、极限载荷、极限应力、极限设计法的概念 极限载荷：当板的内部相继屈服，直到整个板全部进入塑性状态。 极限应力：与极限载荷相对应的应力。 极限设计法的概念：整个截面上各点的应力均到达屈服极限结构失效。,2、极限弯矩与极限应力的计算,*,小结,1、二次应力产生的原因 2、二次应力的自限性和二次应力的局部性 3、r3=t：第三强度理论建立的薄膜应力强度条件 4、Mmax1.5t：按塑性失效准则建立的一次弯曲应力强度条件 5、Mmax3t： 按安定准则建立的二次应力的强度条件。,第七章压力容器中的薄膜应力,学习要点 一、薄膜应力掌握的要点 1、薄膜应力的含意：是器壁上的应力沿壁厚均布。真实的应力分布并非如此，所以薄膜应力的计算公式的应用条件是D0.2,作用在壳体的纵截面上、m作用在壳体的锥截面内。 圆筒形壳体与圆球形壳体上各点的薄膜应力均相同： 球壳m 圆筒的2m。,2、薄膜应力是由于壳体的环向与经向“纤维”受到拉伸引起的：,3、最大薄膜应力可用如下通式表达：,max= pKD/2 K：对于圆筒形壳体和标准椭球形壳体：K=1； 对于球壳：Ko5； 对于圆锥形壳体：K=1/COS,4、决定薄膜应力大小的基本因素有两个：,一是压强p，二是壳体的截面几何量D值。壳体的不同形状对薄膜应力的影响则反映在上述的系数K中。,5、锥形壳体与椭球壳上各点处的薄膜应力不相同。,锥形壳的最大薄膜应力在锥体大端纵截面内 标准椭球壳上的最大拉伸薄膜应力位于顶点的纵截面内，最大压缩薄膜应力作用在赤道处的纵截面内。,二、一次弯曲应力掌握的要点,1、环向弯曲应力与径向弯曲应力产生的原因： 圆环上每条环向“纤维”产生拉伸或压缩变形引起。 平板的径向“纤维”产生拉伸或压缩变形引起。,2、影响弯曲应力的几何因素是 (D)2,Mmax=KpD2/2 对周边简支的圆板： K=0.31 对周边简支的圆板： K=0.188,三、二次应力应掌握的要点,1二次应力产生的原因与一次应力的区别； 在压力容器中，无论是桶身、封头还是接管，在制造装配时均连接在一起，在承压变形时相互制约，从而在连接部位附近不可避免地引起附加应力。这种应力就是二次应力。 一次应力是由介质内压产生。,2、二次应力“自限性”,“自限性”：施加的限制增大到材料的屈服限，相互限制的器壁金属发生局部的塑性变形，限制缓解，相互限制所引起的应力会自动地停止增长。这种性质为二次应力所特有，称为二次应力的自限性。,3、二次应力“局部性” ：,边界应力最大值出现在两种几何形状壳体的连接处，离开连接处，边界应力会迅速衰减。,四、三种不同的应力有“三种不同的限制条件”的要点,r3=t：第三强度理论建立的薄膜应力强度条件 Mmax1.5t：按塑性失效准则建立的一次弯曲应力强度条件 Mmax3t： 按安定准则建立的二次应力的强度条件。,简单应力状态与复杂应力状态的区别,简单应力状态指单向应力状态 复杂应力状态指二向和三向应力状态 “主平面”只有正应力没有剪应力的平面。 “主应力” 主平面上的正应力。 “相当应力” 了解为什么要引出这一应力。,第十九次课要求,1、了解强度计算的主要内容 2、掌握内压圆筒壁厚的确定以及内压圆筒的应力计算与最大允许压力的计算,第八章压力容器的强度计算,8-1概述 一、压力容器的主要受压元件：桶体、封头等 二、强度计算的主要内容 1、设计压力容器 2、校核在用容器,8-2容器的设计,一、内压圆筒壁厚的确定,*,*,*,*,*,*,*,二、内压圆桶的计算应力与最大允许压力,*,*,解：,小结,1、通用的强度条件： =pKDi/2t 2、计算厚度公式 = pKDi /2t 3、计算应力公式 =pKDi/2e 4、计算压力公式 p=2e t/KDi,第二十次课要求,1、掌握内压凸形封头壁厚的设计 2、了解锥形封头、平板形封头壁厚的设计,*,封头的种类,简式：= pDi /4t,8-2容器的设计,*,Dg相当于DN,*,*,5、凸形封头的设计厚度 名义厚度,*,*,*,解,四、内压锥形封头壁厚的确定,*应用,*,四、内压锥形封头壁厚的确定,不但满足强度条件同时满足边界应力强度条件时：,3、 4、 5、 五、,小结,第二十一次课要求,1、掌握设计参数的确定原则 2、熟悉在用压力容器的强度校核。,六、设计参数的确定,1、设计压力： 定义：设计温度下确定容器壁厚及元件尺寸的压力。公式中的压力 最大工作压力：由工艺操作条件确定 最大允许压力： p=2et/Kdi 容器的设计压力应高于最大工作压力安全阀的开启压力,（1）装有安全阀的容器爆破膜压力、最大操作压力,安全阀的开启压力由调节螺栓控制，取最大操作压力的1.05-1.1倍。用于重要的化工容器,（2）装有爆破膜容器,*设计压力大于爆破片压力上限 爆破膜用于盛装易燃、易爆、粘度高、腐蚀性强的场合。取最大操作压力的1.1-1.3倍,（3）盛装液化气的容器,*,2、设计温度,设计温度是指容器在正常操作情况，在相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度。 对于由蒸汽、热水或其它液体介质加热或冷冻的壁，取装入介质的最高或冷冻介质最低温度。,3、容器直径,*,4、许用应力,许用应力=材料在设计温度时的极限应力/安全系数,5、焊缝系数,焊缝系数反映焊缝质量的优劣，它与焊缝结构形式、焊缝的检验方法等因素有关。 焊缝系数的取值大小主要取决于焊缝的探伤比例。 设计新容器时，焊缝系数必须按表81的规定选取。,6、钢板负偏差、钢管壁厚负偏差：,钢板负偏差：设计厚度比名义厚度小。（钢板出厂时） 用C1表示,7、腐蚀裕量,腐蚀裕量根据腐蚀速度和容器的设计寿命确定，碳钢、普低钢：,解：,8-3在用压力容器的强度校核,*,*,1、思路 （1） （2） （3） 2、公式,（1）,*,设计寿命、剩余寿命、检验周期 关系：,n=(cmin -) / n检验周期 cmin受压元件实测最小壁厚 计算厚度 介质对钢材实测的年腐蚀率 mm/年,小结,强度计算所解决的实际问题包括(1) 确定新容器的名义厚度 n+ C1+ C2+ 或 nmin+C2+ (2)确定在役旧容器的剩余寿命 n=(min -) / (3)确定新容器的厚度系数=e /,(4)判定受检的在用容器能否在下次检验以前，按所给定的条件进行操作 (5) 确定安全阀的最高开启压力pk=2et/KDi 对新容器：en-C1-C2 对旧容器： emin-2n,(6)、为监控使用的容器规定限制条件 容器的最大允许压力及最高工作压力 : p= 2et/KDi pw(09095)p(使用安全阀时) 如果原来工作温度较高，也可降温使用。也可以既降压，又降温。,第二十二次课要求,1、掌握稳定、长圆桶和短圆桶的概念 2、从临界载荷的计算公式理解影响构件稳定性的几何因素与材料性能因素 3、利用算图进行稳定计算,第九章容器与压杆的稳定计算,9-1稳定的概念与实例,只有受压缩的薄壁壳体、薄壁构件或细长杆件才需要考虑稳定性,*,9-2外压圆桶的的环向稳定计算,*,*,计算长度,*,*,*,*,*,*,*,小结,*,第二十三次课要求,1、掌握封头的稳定计算过程 2、掌握欧拉公式的适用条件压杆的稳定计算 3、了解拉杆的强度计算与压杆的稳定计算的区别,9-3封头的稳定计算,*,*,*,二、外压锥形封头,步骤：,*,防止失稳： 符合,*,9-4压杆稳定简介,一、理想压杆的临界载荷 Pcr=EI/(L)2 二、临界应力 欧拉公式的适用范围 cr =2E/ 2p 不计较个别截面的局部削弱,三、 p的压杆临界应力的计算,*,解：,解：,*,*,小结,1、拉杆的强度计算与压杆的稳定计算作对比 （1）压杆的稳定计算 cr =2E/ 2p 不计较个别截面的局部削弱 （2）拉杆的强度计算： =P/A 其中：杆危险截面的应力,强度条件中的许用应力： 主要取决于材料的性质。 稳定条件中的许用应力cr ：不仅与材料的性质有关而且还决定于压杆的柔度，同一种材料，不同柔度的压杆，其cr将有很大的不同。这种不同集中体现在折减系数上。,2、内压壳体的强度计算与外压壳体的稳定计算对比,（1）内压壳体的强度计算： =pKDi/2t （2）外压壳体的稳定计算： pp P设计外压 p许用外压,*,新容器的设计：,（1）用图9-7所示曲线由D0/e、L/ D0查出cr 转折点处所对应的纵坐标值，就是该筒的临界长度与外径之比值。 （2）用图9-8由A B曲线。 若A值所在点位于曲线的左边 按 B=2/3Ecr 算，,若A值所在点位于曲线的右边，从曲线查得B。 （3） p= Be/D0 （4）比较是否 pp调整壁厚，直到pp为止,第二十四次课要求,1、 了解峰值应力产生的原因、 影响峰值应力大小的因素、应力集中对容器安全使用的影响 2、熟悉容器上开孔的规定 3、了解用补强圈补强时应满足的条件；不另行补强应满足的条件 4、掌握法兰的密封原理、压力容器法兰的类型、密封面形式及应用,第十章容器的结构,10-1容器的开孔补强结构 一、容器接管附近的应力集中 1、单向受拉平板小孔边缘处的应力集中现象,2、影响峰值应力大小的因素,（1）开孔孔径的相对尺寸越大，应力集中越严重 （2）被开孔壳体越小，应力集中越严重 （3）增加接管厚可减少应力集中。 （4）球壳上的应力集中系数小于筒体。,3、应力集中对容器安全使用的影响,若容器内的压力有较大的波动，或有周期性的变化、或容器需频繁的开、停车：金属在高应力作用下产生反复的塑性变形，产生疲劳裂纹。,二、补强结构,*,*,*,三、容器上开孔及补强的有关规定,1、开孔尺寸的限制,2、开孔位置的限制,3、尽量不要在焊缝上开孔 如果避不开必须在焊缝上开孔时，则在以开孔中心为圆心，以1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊缝，必须进行100%的探伤。,4、用补强圈补强时应满足：,(1)钢材的标准常温抗拉强度b540MPa。 (2)补强圈的外径允许缩小，但补强圈的厚度不得超过壳体或封头名义厚度的15倍。 (3)壳体的名义厚度n38mm。,6、在圆筒、球壳、锥壳凸形封头上开孔时，不另行补强应满足：,（1）相邻开孔中心距(曲面间距以弧长计算)不小于两孔直径之和的两倍 （2）在名义厚度n12mm的壳体上，安置DN80mm的接管；或在n12mm的壳体上安置DN50mm的接管。 （3）容器的设计压力25MPa。 （4）不补强接管的外径及其最小壁厚应符合表103的规定。,10-2法兰联接结构,一、法兰联接的密封原理,1、法兰的密封原理： （1）预紧密封比压： 法