化工设备材料及其选择.ppt

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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY pp化工设备的使用环境：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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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！ NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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！ NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY （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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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. NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 碳素钢与低合金钢比较 类别 品种 sb (MPa) ss (MPa) S/b 使用温度 （） 碳素钢 Q235-A 20 400 400 240 250 0.6 0.63 0350 -19475 低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74 -40475 -45450 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 7 7月月2020日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的日上午天水方大建材有限公司某生产车间内的4 4个压个压 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。由于下来。由于“肇事肇事”容器射出时磨擦力擦出火花，加之巨大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，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，生产车间有事发时，生产车间有1313名工人，其中名工人，其中4 4人不幸遇难，人不幸遇难，5 5人受伤人受伤 。 压力容器事故压力容器事故 一一 甘肃天水压力容器爆炸甘肃天水压力容器爆炸 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 山西嘉宝酒业锅炉爆炸山西嘉宝酒业锅炉爆炸 压力容器事故压力容器事故 二二 事故经过：事故经过：20002000年年1111月月2828日，宁波北仑发电厂发生锅日，宁波北仑发电厂发生锅 炉爆炸，造成炉爆炸，造成2 2人死亡，人死亡， 2 2人重伤，人重伤， 2 2人轻伤，直接经济人轻伤，直接经济 损失损失3030万元，间接损失万元，间接损失2020万元。万元。 事故原因：私自制造锅炉，自行安装投入使用，制造事故原因：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。安装人员均没有专业方面的知识。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 压力容器事故压力容器事故 三三 宁波北仑港电厂锅炉爆炸宁波北仑港电厂锅炉爆炸 事故经过：事故经过：19931993年年3 3月月1010日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆日，宁波北仑发电厂发生锅炉爆 炸，死亡炸，死亡2323人，伤人，伤2424人，直接经济损失人，直接经济损失778778万元，修复万元，修复132132 天少发电近天少发电近1414亿度。亿度。 事故原因：主要可能因为锅炉严重结渣，落渣进入水产事故原因：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。生蒸汽，蒸汽进入炉膛，造成压力升高。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY “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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 v用作受载荷大的耐蚀零件，如轴类，活塞杆、 螺栓、浮阀等。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 铬镍不锈钢 v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。 v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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 耐热钢 v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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 低温用钢 v 低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃 回收等。 v 普通碳钢在低温下（-20以下）变脆，冲击韧性显著下 降。 v 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； v 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 6.3.6.3.有色金属有色金属 铜及其合金： 纯（紫）铜 黄铜 （铜锌合金） 锡青铜 （铜锡合金） 铝青铜 （无锡青铜） 轻金属及其合金 铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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）。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 6.4 6.4 非金属材料非金属材料 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。 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 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。 NANJING