第六章 化工设备材料及其选择

Nanjing University of Technology,食品机械基础第二篇 化工设备材料,授课教师：仲兆祥,第六章 化工设备材料及选择,碳钢,1,2,低合金钢及化工设备用特种钢,4,非金属材料,3,有色金属材料,化工设备的使用环境：压力：真空低压中压 高压超高压温度：低温常温中温高温介质：腐蚀性；有毒；易燃；剧毒。氨合成的压力有的达到32MPa高压聚乙烯生产压力为300MPa乙烯生产工艺中裂解炉温度高达1200乙烯深冷分离温度需降到-167,高压反应器,6.1 碳钢,一.碳钢中杂质对其性能的影响1）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。有益元素。2）硫(S) 来源矿石和焦炭。 存在形式：FeS。 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”。有害元素！,3) 磷(P) 来源矿石。 作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。 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”裂纹源,有害元素！,二.碳钢的分类、牌号,（1）普通碳钢含P、S等有害杂质较多（S0.055% P0.045%)常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F Q235-B, Q235-C, Q275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,（2）优质碳素钢特点：含硫、磷等杂质较少，均0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。常用有：08,10,15,20,20g,20R,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 特点：磷硫杂质极少 P,S含量0.03%。 表示法：如20A,6.2 低合金钢及特殊性能钢,合金元素对钢的影响为改善钢材性能特意在碳钢中加入合金元素，以改变钢材性质，即为合金钢。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。,1.成分特点：由碳素钢+Si、Mn、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：强度提高；耐腐蚀性能提高；低温性能提高。,低合金钢,6.2 低合金钢及化工设备用特种钢,3.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，农业机械等。5.常用材料： 16MnR，15MnVR,18MnMoNbR, 16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR.,碳素钢与低合金钢比较,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。,3.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，18MnMoNbR。,7月20日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的4个压力容器中一个不明原因脱离阀门，巨大的冲击力将该容器弹射出十余米，撞向生产车间后墙并将墙撞了个窟窿后才停了下来。由于“肇事”容器射出时磨擦力擦出火花，加之巨大的冲击力将电源震坏，因此事故现场上空火光一片。经查，事发时，生产车间有13名工人，其中4人不幸遇难，5人受伤。,压力容器事故 一甘肃天水压力容器爆炸,山西嘉宝酒业锅炉爆炸压力容器事故 二,事故经过：2000年11月28日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆炸，造成2人死亡， 2人重伤， 2人轻伤，直接经济损失30万元，间接损失20万元。,事故原因：私自制造锅炉，自行安装投入使用，制造安装人员均没有专业方面的知识。,压力容器事故 三宁波北仑港电厂锅炉爆炸,事故经过：1993年3月10日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆炸，死亡23人，伤24人，直接经济损失778万元，修复132天少发电近14亿度。,事故原因：主要可能因为锅炉严重结渣，落渣进入水产生蒸汽，蒸汽进入炉膛，造成压力升高。,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； Cr13-含铬13%。组织成分：铬固溶于铁素体的晶格中形成固溶体。,“不锈”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，对钢材起保护作用。,性能特点： 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，不锈钢中碳含量越低越好。,铬的作用： 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，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而塑性、韧性降低。用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、螺栓、浮阀等。,铬镍不锈钢,常用铬镍不锈钢型号:06Cr19Ni10 式中 06-含碳量的千分数,C0.08%； Cr19-含铬量17-19%； Ni10-含镍量8-11%左右。 通常以铬镍平均含量“18-8”标志这种钢。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。,性能特点: 耐腐蚀性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜； 组织为单一的奥氏体，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。 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。 ！不能反复施焊，否则必须进行热处理。 不耐氯离子腐蚀。,耐热钢,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400以下。如20钢 500时屈服点只有50MPa,变得很软，钢中的Fe3C分解出石墨碳（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。,高温设备对材料的要求：化学稳定性。抵抗高温气体（O2、H2S、SO2 等)腐蚀的能力。加入Cr、Al、Si等合金元素，钢的表面能生成致密的氧化膜，保护钢的表面。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。热强性抗高温蠕变能力 热强钢抗蠕变，有一定抗氧化能力 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等,低温用钢,低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。普通碳钢在低温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下降。低温用钢的基本要求： 具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性能和可焊性；低温用钢的组织成分特点： 含碳量尽可能低，以形成单相铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。,6.3.有色金属,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。浓硝酸设备、热交换器、食品工业设备等,铝及其合金,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。用途：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）。,2.黄铜铜与锌的合金。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。用途：深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。化工常用材料：H80,H68,H62等。,铜含量%,代号,3.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。,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。,6.4 非金属材料,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，管件等。,2.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。,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。,常用材料：硬聚氯乙烯塑料聚乙烯塑料耐酸酚醛塑料聚四氟乙烯塑料玻璃钢,塑料瓶底的数字,一般矿泉水瓶子，底部标