化工设备常用材料(2).ppt

化工机器与设备,员 工 培 训,化工设备材料与防腐,从真空到高压,化工设备选材,操作条件的限制,压力,温度,介质,从低温到高温,腐蚀性、易燃易爆、有毒甚至剧毒,制造条件的限制,设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性能要好。,第一节 化工设备常用材料,3,金属,黑色金属,铸铁,钢,碳钢,合金钢,有色金属,非金属,材料,有机非金属,无机非金属,常用化工材料,AI、Cu、Ti、Ni等,4,力学性能（机械性能） 物理性能 化学性能 加工工艺性能,一、材料的性能,5, / ,材料的力学性能（机械性能）包括：,力学性能,强度 刚度 稳定性 塑性 韧性 硬度,6,密度 熔点 线膨胀系数 导热性、导电性,物理性能,7,指材料在所处介质中的化学稳定性。 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。（化学腐蚀、电化学腐蚀） 抗氧化性： 在高温下，钢铁不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还会与水蒸气，CO2、SO2等气体产生高温氧化与脱碳作用，使钢的力学性能下降，因此，高温设备必须选用耐热材料。,化学性能,8,可铸性：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。灰铸铁和青铜铸造性好； 可锻性 ：指金属承受压力加工（锻造）而变形的能力。低碳钢的可锻性好，铸铁不能锻压加工； 可焊性：指能用焊接方法使两块金属牢固地连接，且不发生裂纹，具有与母材相当的强度的熔焊性能。低碳钢的可焊性很好； 切削加工性：指金属是否易于切削。灰铸铁的切削性很好，低碳钢也有较好的切削加工性。,加工工艺性,9,（一）分类,金属,黑色金属（钢铁）,生铁,钢,碳钢,合金钢,有色金属：,二、 金属材料的分类与牌号,铜、铝、铅、钛及其合金,炼钢生铁,铸造生铁,合金生铁,10,碳钢：含碳2.11%,铸铁：含碳2.11%,铁与碳组成的合金铁碳合金,含碳0.02时称工业纯铁，其冶炼困难，价格昂贵，塑性很好，但强度很低，一般不用。 工业常用铁碳合金。,钢铁铁碳合金,11,低碳钢 按含碳量 高碳钢 镇静钢：Z 按脱氧方式 半镇静钢：b 普通碳素钢 按品质 高级优质碳素钢,中碳钢,沸腾钢：F,优质碳素钢,随着含碳量的增加，钢的强度硬度增加， 而塑性韧性降低。,镇静钢，脱氧完全，钢锭组织致密，质量好。,优质钢，S、P杂质含量低，质量好。,碳钢的分类,12,（二）钢的牌号与表示方法,钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。 国家标准钢铁产品牌号表示方法（GB221-79）中规定：我国钢号采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的表示方法。 钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si，Mn，Cr等。 产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示。如R、F等。 钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。,13,（三）碳钢,含碳量0.02%2%，另外还含有硫、磷、锰、硅等杂质。 常存杂质元素对钢材性能的影响 （1）硫：有害元素，“热脆”现象。 （2）磷：有害元素，“冷脆”现象。 （3）锰：有益元素，减少“热脆”现象。 （4）硅：既有有益的一面，又有有害的一面。,14,普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个品种十种钢号。,Q 235A F,质量等级为A，共分A、B、C、D四级,屈服极限s=235MPa,脱氧方式：有Z、TZ、F、b四种， 其中Z和TZ可省略。,屈,1. 普通碳素结构钢,含硫、磷杂质较多，钢的牌号由四部分组成。,15,表1-1 碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988),16,碳素结构钢新、老标准钢号对照,其中Q235-A，Q235-B有良好的塑性、韧性及加工工艺性，为化工容器常用材料。其板材用作低压容器的壳体和零部件，棒材和型钢用作螺栓、螺母等。,17,硫、磷含量较普通碳素钢低。 牌号：用两位数字表示，表示平均含碳量的万分数。如 45 钢，含碳量为 0.45 % 左右。 有08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。,2. 优质碳素钢,普通含锰量,较高含锰量,如45Mn，较高含锰量优质碳素钢。,优质钢,18,低碳钢（含碳0.25%），如08、10、 15、20、25；强度低，塑性好，冷冲压和焊接性能好，在石油化工设备中广泛应用。常用20钢，可做壳体、接管。 中碳钢（含碳量0.3%0.60%），如30、35、40、45、50与55；综合机械性能良好； 常用45钢，可做齿轮、传动轴、搅拌轴、连杆等。 高碳钢（含碳0.6%），如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。,按含碳量可分为：,19,优质碳素钢的化学成分和性能,摘自GB/T699-1999,20,硫、磷含量更低。 表示方法：在优质钢号后面加一个A字，如20A。 4.专用钢材 压力容器用钢：在钢号后冠以 “ R ”，如 20R； 锅炉用钢：在钢号后冠以 “ g ”，如20g； 桥梁用钢：在钢号后冠以 “ Q” 焊接气瓶专用钢板：HP245HP365；,3. 高级优质钢,21,铸钢用 ZG表示，如 ZG25、 ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、50等牌号。石油化工容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。,铸钢和锻钢,22,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，以改善某些性能得到的钢 合金钢。 常加的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)，铝(Al) 等。 合金钢的分类,（四）合金钢,低合金钢：合金总含量10%,按合金元素总含量分：,合金结构钢 低合金结构钢、渗碳钢 、调质钢 等。 合金工具钢 刃具 、模具、量具钢。 特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。,按用途分：,23,在优质碳素钢的基础上加入少量合金元素而成。 在低合金结构钢中常加入：Mn、Si、Cr、Mo、V、Cu、P等。 典型牌号：16Mn、 16MnR 、 15MnV、 09Mn2V、 18MnMoNbR等。,1. 低合金钢（低合金高强钢）,24,新牌号 如Q345B、Q345C Q：屈服强度 345： 指屈服极限S = 345MPa C：质量等级，A、B、C、D、E 旧钢号（仍常用） 如16Mn、16MnR 16：平均含碳量的万分数，含碳0.16 %左右。 Mn：合金锰1%左右。,普通低合金结构钢牌号,25,(摘自GB/T1591-1994),26,少量合金可提高钢的强度 16Mn与Q235-A、20两种钢材相比，含碳量接近，但强度要高1/3，大型化工容器用16MnR制，质量比碳钢轻 l/3（南京长江大桥）；而用15MnVR制造球形贮罐可节省钢材约45%。 少量合金可提高钢的耐低温能力 如09Mn2V(-70)、06MnNb(-90) 少量合金可提高钢的耐腐蚀能力 16MnCu钢耐海洋大气及海水腐蚀， 12MnAlV钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。,低合金高强度钢性能,27,一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢，称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢。习惯上这两种钢统称为不锈钢。 不锈钢按钢的金相组织可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体双相不锈钢和马氏体不锈钢等。,2. 不锈钢与不锈耐酸钢,28, 铬 Cr 是主要的耐蚀元素。耐蚀机理：当Cr 12.5%时，生成致密氧化膜，且Cr含量越高耐蚀性越好。 镍 Ni 能提高不锈钢的耐蚀范围，耐电化学腐蚀。 钼 Mo 能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力；提高钢的耐热强度。 钛 Ti和铌Nb 防止焊接用不锈钢产生晶间腐蚀。,（1）不锈钢中的合金元素,29,元素符号,元素符号,合金元素符号,合金元素百分含量,含碳量千分数,如：0Cr13，00Cr19Ni10，1Cr18Ni9Ti等,注意：含碳量：1指含碳0.080.15% 0指含碳0.030.08% 00指含碳0.03%,（2）不锈钢的牌号,30,马氏体不锈钢是指在室温下具有马氏体组织的铬不锈钢，其碳含量较高，如2Cr13、3Cr13等。 1Cr13 2Cr13：含碳量低具有良好的综合机械性能，可进行深冲、卷边、焊接等，可制汽轮机叶片等。 3 Cr13、 4Cr13 ：硬度高、焊接性差，可做耐蚀工件如医疗工具，轴承等。,（3）马氏体型不锈钢,（4） 铁素体不锈钢,化学成分: 含碳：0.1 %左右，含铬：1730 % 牌号: 1Cr17、1Cr17Ti等。 用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。,31,奥氏体不锈钢的基本型是Cr18Ni810（亦称18-8钢）。 化学成分特点： 含碳 0.14 %、含铬： 1719 %、 含镍： 810 %、Cu、Ti、Mo等。 含C量低，耐蚀性好，好的冷变形性能，好的韧性，焊接性。优异的综合性能，包括优良的力学性能和耐腐蚀性能，耐高温、耐低温能力。 牌号：0Cr18Ni9 、 1Cr18Ni9 、 0Cr18Ni9Ti 、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni13Mo3等。,（5）奥氏体不锈钢,32,我国和美国、日本常用不锈钢钢号的近似对照,含碳量2.11%以上，大多碳以石墨形式存在，并含有 较多S、 P、 Si、 Mn等杂质。 铸铁是脆性材料，抗拉强度b较低，但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质如浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等中有相当好的耐腐蚀性能。 铸铁可分为灰铸铁、球墨铸铁和特殊性能铸铁等。,（五）铸铁,34,常用含碳2.5%4.0%，80 %以上碳以片状石墨存在，断面暗灰色，故得名。 牌号：HT+抗拉强度sb表示 如 HT100，其中100表示sb100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。 力学性能：强度低，硬度高，塑性很差。 工艺性能：优良的铸造性，切削性好，能焊接，锻造性差。,1. 灰铸铁,35,简称球铁，球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂，浇注后得到球状石墨的铸铁。 力学性能：在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。 牌号： 如QT400-18，其中400表示b400MPa， 18表示=18%。 常用：QT400-17、 QT420-10、QT500-5、 QT600-2、 QT700-2、 QT800-2等。,2. 球墨铸铁,36,耐蚀铸铁（牌号ST为首），是加入大量Si、Cr、Al 等合金元素的合金铸铁。 高硅铸铁含Si14.5%，能耐硝酸、硫酸、醋酸等腐蚀，随含硅量增加耐蚀性增加。 牌号：STSi11Cu2CrR、STSi15R等。 性能：强度低、脆性大及内应力大，易于脆性断裂； 热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备，否则容易产生裂纹。 应用：常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器,3. 高硅铸铁,37,钢铁以外的金属称非铁金属，也称有色金属。 常用的有色金属有： Al、 Cu、Ti 、Ni、Pb及其合金。 有色金属的共性：耐腐蚀性好，低温塑性、韧性好。但价格比较昂贵。,（六）有色金属,38,铝及铝合金的性能特点： 密度小，熔点低，导电性、导热性好； 在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化； 耐腐蚀性好，可耐硫酸盐、氨水、多种有机介质的腐蚀； 切削性好，塑性好、可冷成型，但强度低。铸铝合金的铸造性能好； 不会产生火花，可用于制作易挥发性介质的容器； 不沾污物品，不改变物品颜色，导热性好，适合作换热器. 常用的有防锈铝、铝硅合金及铸造铝合金等。,1. 铝及铝合金,39,良好的耐蚀性和低温力学性能。 纯铜（紫铜）对大气、水、海水、碱类溶液的耐蚀能力很好，但不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液的腐蚀。 黄铜（铜-锌合金）力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比纯铜好，价格便宜，应用较广。 纯铜及黄铜主要用于制冷设备。 青铜（锡青铜、铝青铜等）耐腐蚀、耐磨性好，可用作轴承、轴套等。,2. 铜及其铜合金,40,性能：很高的强度和塑性，良好的延伸性和可锻性。很好的耐腐蚀性，用于制造处理碱介质的化工设备。 牌号为 NCu28-2.5-1.5的蒙乃尔耐蚀合金（Cu28%，Ni70%左右，Si2.5%，Fe1.5%）应用最广。蒙乃尔合金能在500时保持高的力学性能，能在750以下抗氧化，在非氧化性酸、盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐蚀性。,3. 镍及其合金,41,密度大、硬度低、强度小，不宜单独作为设备材料，只适于做设备的衬里。 热导率小；纯铅不耐磨，非常软。但在许多介质中，特别是在硫酸(80%的热硫酸及92%的冷硫酸)中铅具有很高的耐蚀性。 铅与锑合金称为硬铅，硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳定性也比纯铅好。可用来制造管件、泵壳、叶轮等。,4. 铅及其合金,42,5. 钛及其合金,密度小、熔点高，纯钛是纯白色轻金属，钛合金的密度也较小。 加工性能好，强度高，低温韧性好。 纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛合金的强度很高，b最高可达1400Mpa，与某些高强度合金钢相近。还具有良好的高温、低温机械性能。 抗腐蚀性能好。 钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜，具有优良的抗蚀性。,43,（一） 无机非金属材料 1.化工陶瓷 可耐除氢氟酸、硅氟酸、强碱及热磷酸外介质的腐蚀，一定的耐热性和一定机械强度。导热性差，热膨胀系数较大，受碰击或温差急变易破裂。 2.化工搪瓷 由含硅量高的瓷釉通过900左右的高温煅烧，使瓷釉密着在金属表面。具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和电绝缘性能，但易碎裂。 热导率不到钢的1/4，热膨胀系数大。不能直接用火焰加热，以免损坏搪瓷表面，可以用蒸汽或油浴缓慢加热。,二、化工常用非金属材料,44,4.玻璃 化工用玻璃不是一般的钠钙玻璃，而是硼玻璃（耐热玻璃）或高铝玻璃。 耐腐蚀性好、清洁、透明、阻力小、价格低等特点，但质脆、耐温度急变性差，不耐冲击和振动。 可作管道、管件、隔膜阀、视镜、液面计等。 5.不透性石墨 由各种树脂浸渍石墨消除孔隙后得到。 热膨胀系数小，耐温度急变性好；不污染介质，能保证产品纯度；加工性能良好。机械强度较低、性脆。 常被用来作腐蚀性强介质的换热器，如氯碱生产中应用的换热器和盐酸合成炉。,45,1.工程塑料 是用高分子合成树脂为主要原料，加入添加剂以改善产品性能。 热塑性材料遇热软化或熔融，冷却后又变硬，可反复多次。如聚氯乙烯、聚乙烯等。 热固性塑料固化后不能用加热的方法使之再软化，如酚醛树脂、氨基树脂等。 性能：有良好的耐腐蚀性能、一定机械强度、良好的加工性能和电绝缘性能，能焊接，耐温范围低，价格较低。,（二）有机高分子材料,46,硬聚氯乙烯（PVC）塑料 在大部分酸碱盐类溶液中耐蚀。 使用温度为10+55。当温度在6090时，强度显著下降。 成型加工性能好并可进行焊接，还有一定的电气绝缘、隔热、阻燃等性能。 可代替不锈钢、铅、橡胶等，用做塔器、储槽、泵、阀门、管道。,47,聚乙烯（PE）塑料 在室温下，除硝酸外，对各种酸、碱盐溶液均稳定，对氢氟酸特别稳定。 具有优良的绝缘、防水和化学稳定性。 可作为管子、管件、阀门、泵等的材料，或作为衬里、防腐涂层。,48,耐酸酚醛塑料（PF） 使用温度为-30+130。这种塑料性质较脆、冲击韧性较低。 可作耐蚀、耐高温的密封元件。 聚四氟乙烯（PTFE）塑料 耐强腐蚀性介质腐蚀。甚至超过贵重金属金和银，有“塑料王”之称。 常用作耐腐蚀、耐高温密封元件及高温管道。 有良好的自润滑性，可以用作无油润滑压缩机的活塞环。 有突出的耐热和耐寒性，使用温度范围为200250。,49,又称玻璃纤维增强塑料。玻璃纤维是由熔融的玻璃经快速拉伸,，冷却所形成的纤维。 用合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，以层压或缠绕的方法成型，以这样的方法制作得到的复合材料又称为玻璃钢。 玻璃钢质轻、强度高、耐腐蚀，导热系数小，良好的工艺性能，可与金属焊接，并且有优良的电绝缘性、耐候性。是一种新型非金属材料。,玻璃钢,50,玻璃钢的强度非常高，可达到某些合金钢的水平，比重1.82.1g/cm3，只有钢铁的15左右，即材料的比强度很高。 玻璃钢具有特殊的耐化学腐蚀性能，在存储各种酸、碱、盐、油 类及有机溶剂等化学腐蚀性介质时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性； 可用作设备衬里、整体玻璃钢设备、管道、阀门等。,玻璃钢,51,通过改变树脂增强材料，可调整玻璃钢容器的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要； 环氧玻璃钢：常用，耐水、耐碱性好，与金属粘接力强，机械强度高； 酚醛玻璃钢：耐酸、耐溶剂性好； 呋喃玻璃钢：耐酸、碱、溶剂性好，耐温较高； 聚酯玻璃钢：耐稀硫酸、油性好，施工方便。,玻璃钢,玻璃钢风机,亚硫酸吸收塔,52,通过结构层厚度、缠绕角和工艺铺层结构的设计可调整罐体的承载能力，制成不同压力和某些特殊性能的玻璃钢容器或装置，这是各向同性的金属材料无法与其相比的； 玻璃钢的缺点是它的刚性不如钢铁，即受力后易发生形变。另外，玻璃钢耐高温性能较差，当温度超过40时，强度不易保持。,玻璃钢,玻璃钢管道,53,有天然与合成两大类。 性能：高弹性，永久变形很小，有良好的储能性。 应用：主要用于动、静密封。如作为各种油封、轴衬、垫片等，用于转轴、管道和法兰的密封。也可作为金属设备的防腐蚀衬里。还可与其他材料（金属、纤维）复合，用作传输软管、输送胶带、三角皮带等。,2. 橡胶,54,品种多，选择范围广、适应性强、使用方便、价格低、适于现场施工等。 涂层较薄容易脱落，应用受到了限制。 防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些塑料涂料，如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。 用静电喷涂。涂料利用率高，容易进行机械化、自动化的大型生产，减少溶剂和涂料的挥发和飞溅，涂膜质量稳定。,3. 涂料,55,第二节 化工设备的腐蚀与防护,腐蚀对化工生产的危害极大，故选材时应注意材料的腐蚀与防护。,56,1. 金属的腐蚀 当金属与周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。 金属腐蚀可对设备造成严重后果，引起跑、冒、滴、漏，直至最终破坏。,一、金属材料的腐蚀,金属腐蚀,化学腐蚀,电化学腐蚀,57,金属腐蚀,均匀腐蚀,非均匀腐蚀 （局部腐蚀）,孔蚀（点蚀）,缝隙腐蚀,应力腐蚀,晶间腐蚀,2. 金属破坏形式,58,缝隙腐蚀,59,二、金属设备的防腐蚀措施,1.合理选择耐蚀材料 根据工作温度、介质，查腐蚀数据手册，一般应选用腐蚀速度 0.1毫米/年的材料； 2.设计合理的设备结构 注意防壁流、防积液、防间隙、防死角。 3.衬覆保护层 在金属表面生成或衬覆保护性覆盖层，可以将金属与腐蚀介质隔离开，是普遍采用的防腐蚀措施.,60,衬覆保护层 金属保护层 电镀(Cr、Ni、Sn、Pb、Zn、Cd等）、热镀（Zn、 Sn、Al）、包镀（Al、Ni），还可采用金属衬层保护，如衬不锈钢、衬铅等。或采用不锈钢复合钢板。,61,非金属保护层 分为涂层和衬层，涂层又有无机涂层和有机涂层。 无机涂层指搪瓷、玻璃、硅酸盐和水泥涂层。 有机涂层包括涂料（油漆）、塑料涂层和硬橡皮层。常用的涂料有酚