《化工设备常用材料》PPT课件.ppt

化工机器与设备 员 工 培 训 化工设备材料与防腐 2 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 p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) 牌号等级 化学成分 脱氧 方法 w(C) % w( Mn) % w( Si) % w(S ) % w( P) % 不大于 Q195 0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,Z Q215A / B 0.09-0.150.25-0.550.300.050 / 0.0450.045F,b,Z Q235 A 0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,Z B 0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,Z C 0.180.35-0.800.300.0400.040Z D 0.170.35-0.800.300.0350.035TZ Q255A / B 0.18-0.280.40-0.700.300.050 / 0.0450.045Z Q275 0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z 16 GB/T700-1988 标准 GB700-79 标准 化学成分和力学性能均须保证 A 类钢 保证力学性能， B 类钢 保证化学成分， C 类钢 保证化学成分及力学性能。 Q195 A1；B1 Q215 A2；C2 Q235 A3；C3 Q255 A4；C4 Q275 C5 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 p硫、磷含量较普通碳素钢低。 p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。 p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 钢号 化学成分，% s ，MPa CMnSiSP 08F 10 20 35 40 45 50 60 65 0.05-0.11 0.07-0.13 0.17-0.23 0.32-0.39 0.37-0.44 0.42-0.50 0.47-0.55 0.57-0.65 0.62-0.70 0.25-0.50 0.35-0.65 0.35-0.65 0.50-0.80 0.50-0.80 0.50-0.80 0.50-0.80 0.50-0.80 0.50-0.80 0.03 0.17-0.37 0.17-0.37 0.17-0.37 0.17-0.37 0.17-0.37 0.17-0.37 0.17-0.37 0.17-0.37 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 钢号旧钢号 主 要 化 学 成 分，%机械性能 CMnSi，s ，MPab ，MPa5 ，% Q295 09MnNb 12Mn 0.16 0.80 1.50 0.5529557023 Q345 16Mn 16MnR 0.18 0.20 1.00 1.60 0.553456302122 Q390 16MnNb 15MnTi 0.20 1.00 1.60 0.553906501920 Q420 14MnVTiRE 15MnVN 0.20 1.00 1.70 0.554206801819 Q460 14MnMoV 18MnMoNb 0.20 1.00 1.70 0.5546072017 常用低合金结构钢的牌号、成分、性能 (摘自GB/T1591-1994) 26 少量合金可提高钢的强度 p16Mn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 p如09Mn2V(-70)、06MnNb(-90) 少量合金可提高钢的耐腐蚀能力 p16MnCu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 n 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。 n 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 p是主要的耐蚀元素。耐蚀机理：当Cr 12.5%时时，生成致 密氧化膜，且Cr含量越高耐蚀蚀性越好。 镍 Ni p能提高不锈钢的耐蚀范围，耐电化学腐蚀。 钼 Mo p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 p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。 p1Cr13 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。 p3 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 日本（JIS）美国（AISI）中国（GB） SUS 3043040Cr18Ni9 SUS 304L304L00Cr19Ni10 SUS 309S309S0Cr23Ni13 SUS 310S310S0Cr25Ni20(1Cr25Ni20Si2) SUS 3163160Cr17Ni12Mo2 SUS 316L316L00Cr17Ni14Mo2 SUS 3173170Cr19Ni13Mo3 SUS 317L317L00Cr19Ni13Mo3 SUS 3213210Cr18Ni10Ti SUS 4304301Cr17 SUS 4104101Cr13 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b表示 如 HT100，其中100表示b100MPa。 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 p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。 p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1.8 2.1g/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 p 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。 p 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