《化工设备材料基础》PPT课件.ppt

化工设备机械基础 u压力容器的常规设计方法 u内压、外压（中、低压） u几类常用化工设备 u换热设备、塔设备、搅拌 设备 参考书目 u化工容器及设备，余国琮主编，北京：化学工业 出版社，1980 u化工容器设计，化工设备设计全书编委员会，上 海：上海科学技术出版社，1987 u过程设备设计，郑津洋等主编，北京：化学工业 出版社，2005 uGB150-98钢制压力容器，北京：学苑出版社， 1998 uGB151-99钢制管壳式换热器，北京：学苑出版社 ，1999 绪论 一、问题的提出 二、课程内容 （一）设备是工艺的基础 （二）材料是设备的基础 （一）基础篇材料 材料的性能 碳钢 特殊性能钢合金钢 常用三类钢 内压容器外压容器的失稳 （二）理论篇中低压容器设计（内压和外压） 换热器搅拌器塔设备 （三）实践篇典型设备（换热器、塔设备、搅拌器） 第一章 化工设备材料及其选择 教学重点： 化工设备材料的选择。 教学难点： 材料的性能。 第一篇 化工设备材料 第一节 概述 一、化工设备选材的重要性和复杂性 1.操作条件的限制 2.制造条件的限制 3.材料自身性能的限制 二、选材要遵循 适用、安全和经济的原则 第二节 材料的性能 一、力学性能 材料在外力（或外加能量）作用下抵抗外 力所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力 作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能 力。 硬 度 强 度 塑 性 韧 性 金属材料承受载荷作用 ，当载荷不再增加或缓 慢增加时，仍继续发生 明显的塑性变形，这种 现象就称为屈服。 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。 持久强度D 蠕变强度n 屈服强度s(0.2) 抗拉强度b 疲劳极限n 常温拉应力下20号钢的拉抻试验 l0=10d0 l0= 5d0 或 从开始加载到发生断裂所能 达到的最大应力值，叫做抗 拉强度。 开始出现塑性变形时的应 力，称为“屈服点”ss sb 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。 金属在拉伸条件下 ，从开始加载到发 生断裂所能承受的 最大应力值，叫作 抗拉强度。 持久强度D 蠕变强度n 屈服强度s(0.2) 抗拉强度b 疲劳极限n 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。 材料在高温下，在 一定的应力下，抵 抗发生缓慢塑性变 形的能力。 持久强度D 蠕变强度n 屈服强度s(0.2) 抗拉强度b 疲劳极限n 材料在高温下，抵抗 发生断裂的能力。 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。 持久强度D 蠕变强度n 屈服强度s(0.2) 抗拉强度b 疲劳极限n 材料在交变载荷作用下， 会在远低于材料本身的屈 服点时就已经断裂了，这 种现象就是疲劳。我们把 经过106108次循环试验 而不发生断裂的最大应力 ，作为疲劳强度。 1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变 形和断裂的特性。 持久强度D 蠕变强度n 屈服强度s(0.2) 抗拉强度b 疲劳极限n 2、塑性： 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的 能力。 主要有两个塑性指标： 延伸率 断面收缩率 3、韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量 的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。 承受静载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性 承受动载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性 冲击功 ，而冲击韧度 （F为面积） 图1-1冲击试样的安放 1-摆锤 2-试样 3-机座 图1-2 冲击试验原理 1-摆锤 2-试样 （1）冲击韧度 韧性高的材料，塑性好；塑性较高 的材料，韧性也好。 问题 判断正误并说出理由 注意！韧性是材料在外加动载荷 突然袭击时的一种及时和迅速塑性 变形的能力。韧性高的材料，一般 都有较高的塑性指标；但塑性较高 的材料，却不一定都有高的韧性。 其所以如此，就是因为静载菏下能 够缓慢塑性变形的材料在动载荷 下不一定能迅速塑性变形。 （2）缺口敏感性 指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件 下，抵抗裂纹扩展的能力。 图1-3 冲击试验的标准试样 10 2 8 10 55 R1 (a) U型缺口 10 45 8 10 55 R0.25 (a) V型缺口 4、硬度： 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力 。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。 布氏硬度HB（一般在HB450以上就不能使 用) 、 洛氏硬度HR (可以用于硬度很高的材 料) 、 维氏硬度HV ( 比洛氏硬度更适合于测 定极薄试样的硬度) ，显微硬度。 材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性 、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位 ，但使用时要考虑温度的变化。 T T 小结小结 二、物理性能 相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、 弹性模数与泊桑比等。 2、弹性模量E 材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即E，这个 比例系数E称为弹性模量，表示金属材料在弹性变形阶段 的应力和应变关系。 对不同材料，材料的弹性模量越大使它产生一定量的弹 性变形的应力也越 。对同一种材料，弹性模数E随温 度的升高而 。 1、线膨胀系数 3、泊桑比 泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸 长之比，以表示。对于各种钢材它近乎为一个常数 ，即0.3。 三、化学性能 1、耐腐蚀性 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液 侵蚀的抵抗能力叫做耐腐蚀性。 2、抗氧化性 在现代工业生产中的许多高温化工设备，在高温工作 条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气 体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此 锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的 含量对钢的氧化是有一定影响的。 表1-1 几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性 耐耐沸104010355沸任钛 300气20 干燥 气 (110)(浓) 50 (20) 75 (96) 铅 (40)(10)3550(55)(27) 20 (20) 60 (80100) 铜 300气1002010 (30) 60 (8095) 95 铝 100 溶液 与 气体 100250饱10090 40 (40) (80100) (10) 沸 (沸) 40 50 (6080) 95 18-8型 不锈钢 (70)20080 120 260 480 35 70 100 20 (70) 7080 (80100) 碳钢 (沸)(25)耐耐100潮湿耐耐(100)(34)30(35)12050100 沸 70 40 40 高硅铸铁 STSi15R (480)(任) 20 (70) 7080 (80100) 灰铸铁 ()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)()(%) 氨尿素硫化氢硫酸铵氢氧化钠盐酸硫酸硝酸 介质 材料 金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、 可 焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化 工 设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料 时 必须考虑的因素。 良好的冷热加工性能 良好的焊接性能 四、加工工艺性能 第三节 金属材料的分类及牌号 一、分类 1、金属的分类 铸造生铁 金属 黑色金属 有色金属 生铁 钢 炼钢生铁 合金生铁 铜及其合金 轻金属及其合金 其它有色及其合金 纯铜（紫铜） 铜锌合金（黄铜） 铜锡合金（锡青铜） 无锡合金（铝青铜等） 铝及铝合金 钛及钛合金 镁及镁合金 铅、锡及其合金 锌及其合金 镍、钴及其合金 2、钢的分类 二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000） 1、碳素结构钢： 1）普通碳素结构钢（GB700-88） 代表钢材屈服点的字母 屈服点的数值 材料质量等级符号 脱氧方法符号， 常用Q235B，Q235C，Q235AF 2）优质碳素结构钢（GB711-88） 较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。 常用10、15 、20g、20R和20等。 表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表 钢钢板 牌号 使用温 度 设计设计 压压力 MPa 壳体钢钢 板厚度 mm 其它限制 Q235-B 0350 1.6 20 不得用于毒 性程度为为高 度或极度危 害介质质的压压 力容器 Q235-C 0400 2.5 30 二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000） 2、合金（高强度）钢 在碳素钢的基础上加入少量合金元素。 特别：锅炉钢和容器钢 主要用于壳体或锅炉承压元件。 如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。 性能指标等见附录。 二、钢铁牌号及表示方法： 3、特殊性能钢 主要指不锈耐酸钢 铬不锈钢，如1Cr13 铬镍不锈钢，如0Cr18Ni9 节镍不锈钢 第四节 化工设备的腐蚀及防腐 一、金属的腐蚀 1.定义： 金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的 破坏现象。 2.类型（腐蚀过程有无电流产生） 1）化学腐蚀（如氢腐蚀） 2）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀） 二、常见腐蚀类型 1. 氢腐蚀 氢气在较低温度和压力(200，5.0MPa)下 对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但 是 在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材 料 的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种 现 象常称为“氢腐蚀”。 二、常见腐蚀类型 2. 晶间腐蚀 图1-1 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 发生在晶界，晶粒之间结合力下降，与元素Cr的含量有关。 奥氏体不锈钢晶粒阴极 晶粒边界析出的碳化铬 贫铬区阳极 晶粒边界 二、常见腐蚀类型 3. 应力腐蚀 图1-2 应力腐蚀的裂纹扩展 金属在腐蚀介质 和拉应力的共同 作用下产生的一 种破坏