容器设计的基本知识云南大学2010版.ppt

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,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）,（三）实践篇典型设备（换热器、塔设备、搅拌器）,1.这些设备要满足什麽生产工艺要求？结构如何才可以？ 2.用什麽材料，如何制作出来的？ 3.抵抗压力，温度的能力如何？安全性如何？ 4.经济性如何？,第一章 化工设备材料及其选择,教学重点： （1）材料的力学性能； （2）化工设备材料的选择。 教学难点： 材料的性能。,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 压力：真空低压中压 高压超高压 温度：低温中温高温 介质：有毒易燃剧毒 2.制造条件的限制 3.材料自身性能的限制,选材的原则 材料品种应符合我国资源和供应情况 材质可靠，能保证使用寿命 要有足够的强度，良好的塑性和韧性 对腐蚀性介质能耐腐蚀 便于制造加工，焊接性能良好 成本低,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。,金属材料的变形和破坏过程 （1）弹性变形阶段 （2）弹塑变形阶段 （3）断裂 A、韧性断裂 B、脆性断裂,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。,例如:容器爆裂；管道破裂; 地脚螺栓拉断; 炉管爆裂； 强度不够！,拉伸试验（屈服点和抗拉强度）,拉伸试样,拉伸试验机,拉伸试样的颈缩现象,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,材料的拉伸曲线,1、oe段：直线、弹性变性,4、b点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。,2、es段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。,3、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形,屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形。 屈服点： （s） 材料发生屈服时的应力 。 单位：MPa。 一些合金没有明显的屈服点,规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”。 记作0.2 。,其他塑性材料拉伸时的力学性能,脆性材料铸铁的拉伸应力应变曲线,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。,定义：金属材料在受力过程中， 发生断裂所达到的最大应力值， 以b 表示，单位MPa。 是压力容器设计常用的性能指标。 屈强比：s/ sb 屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备。,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。,“蠕变”现象： 高温高压的蒸汽管道下挠变形； 高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏； “蠕变极限（ sn ）”： 材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，以sn 表示，单位MPa 。,材料在给定温度下，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。,定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以sD 表示，单位MPa 。 -是一定温度和一定载荷下，材料抵抗断裂的能力。 材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。 规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。,设备的 设计寿命！,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。,构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂 疲劳。 “疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：-1 (MPa)。 例如： 频繁开、停车容器内压力或温度波动； 活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动； 离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。,载荷作周期性变化,交变应力与疲劳破坏,材料的疲劳极限及其测定,2、塑性： 金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。,因塑性不足引起材料破坏的例子： 锻件裂纹; 卷板裂纹; 焊缝热影响区裂纹,主要指标：,(1) 延伸率（）,如：纯铁的延伸率为50% 20R的5不小于25% 16MnR的5不小于21% 1Cr18Ni9Ti的5不小于40%。,（2）断面收缩率（y）,（3）冷弯性能,室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂纹或起层。 -是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,塑性指标的实际意义：,便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等； 使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。 压力容器及其零件都需要具备这个性质！,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,（1） 冲击韧性及指标（Ak）,材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,冲击韧性( notch toughness ):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）： Ak =G(H1-H2) 焦耳 ！吸收功的高低取决于 材料能否迅速塑性变形的能力。,冲击韧性值的试验确定,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。,冲击韧性与塑性区别何在？,（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,冲击韧性？ 是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。,4、硬度： 金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 硬度高材料强度也高，耐磨性较好! 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HB650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。,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),适用范围:,450HBS;,布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness ),适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,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,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。,金属及合金受热时，体积一般都要膨胀（即几何尺寸要伸长），这一特性称为热膨胀性。通常用线膨胀系数来定量，以L表示。,1.线膨胀系数,例如：异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏； 复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？ 设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？ 固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？ 碳钢表面电镀一层铜升温后会？,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 大 。对同一种材料，弹性模数E随温度的升高而 降低 。,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。,1.2.3 化学性能,化学性能,指金属材料与周围介质接触时抵抗 发生化学或电化学反应的性能。,耐腐蚀性指金属材料抵抗各种介质如大气、水汽、各种电解液侵蚀侵蚀的能力。,2. 抗氧化性指金属材料在高温下，抵抗气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀的能力。,耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等,抗氧化材料如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等等,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,1.2.4.金属材料的工艺性能,指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。,工艺性能,1.铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，,包括：流动性能、收缩性、偏析等。含碳量越高，铸造性越好。,2.焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。,3.锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。,含碳量越高，焊接性越差。,含碳量越高，锻造性越差。,加工性能？,4.切削加工性：指材料被切削加工成合格零件的难易程度。,包含：刀具耐用度较高；切削力较小，切削温度较低。,容易获得良好的表面加工质量。,容易控制切屑的形状或容易断屑。,5.冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。,含碳量太高，切削性差。含碳量太低，切削性也差。,含碳量越高，冲压性越差。,6.热处理工艺性：指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。,如：淬硬性、淬透性。,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,镇静钢 在浇注前用Si、Al等把钢液完全脱氧，把FeO中的氧还原出来，生成SiO2和A12O3，使得钢中含氧量不超过0.01，(通常是0.0020.003)。成材率较低，成本较高，重要用途的优质碳钢和合金钢大都是镇静钢。,沸腾钢 冶炼时只用弱脱氧剂脱氧，是脱氧不完全的钢，含氧量为0.030.07，其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生FeO+CCO+Fe的自脱氧反应，放出大量的CO气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。成材率高，成本低。 半镇静钢 介于镇静钢与沸腾钢之间,1.3.2 钢铁牌号及表示方法,一、钢号表示方法概述 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。我国的钢号表示方法，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即： 钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如：Si,Mn,Cr等。混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。 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，见表14。 钢中主要化学元素含量（）采用阿拉伯数字表示。,牌号的表示原则 依据国家标准GB221-2000,牌号中 化学元素化学符号或汉字表示（如：1铬13或1Cr13)； 产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示（如：Q235F F-沸腾钢）。 例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁 铸钢ZG 锅炉钢g或锅 容器钢R或容,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。 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45的钢，钢号为45。 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为 0.1的半镇静钢，其钢号为10b。,例：优质碳素钢 08F 20 R,沸腾钢,含碳量为0.08%；,容器钢,含碳量为0.2%,普通碳素钢,Q235-A,F,沸腾钢,类别为A,钢材屈服点(MPa),屈服点屈字的拼音首位字母,表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表,二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000）,2、合金（高强度）钢 合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素，比如Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，B等，从而提高钢的强度、耐腐蚀性、低温性能，如大型化工容器常用16MnR，15MnVR，15MnTi 来代替碳素钢制造容器，可以在保证强度的情况下，使容器壁厚减少，从而节省钢材30%45%左右，主要用于壳体或锅炉承压元件。 如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。,合金钢的表示方法 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。 钢中主要合金元素，一般以百分之几表示。 当平均合金含量1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4等。例如18Cr2Ni4WA。 钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。,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,特殊性能钢表示方法 钢号中碳含量以千分之几表示。 例如“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2，若钢中含碳量0.03或0.08者，钢号前分别冠以“ 00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18Ni9等。 对钢中主要合金元素以百分之几表示， 而钛、铌、锆、氮等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。,低合金钢 16MnR 16含碳量0.16%（万分数）； Mn合金元素； R 容器钢。 特殊性能钢 1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）； Cr,Ni主要合金元素； 18含铬量18%； 9 含镍量9%。,1.4 碳钢与铸铁,钢铁的组成=95以上铁 +（0.054）碳+1杂质 铁碳合金 含碳量0.022为钢； 含碳量2为铸铁； 含碳量0.02为工业纯铁； 含碳量4.3极脆，无实用价值。,铁碳合金！,1.4.1 铁碳合金的组织结构,1、金属的组织与结构 在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。,1.纯铁在不同温度下的晶体结构：,电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构 不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格,面心立方晶格塑性比体心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。,2. 纯铁的同素异构转变：,-Fe -Fe,910,（体心立方晶格）,（面心立方晶格）,固态下铁原子重新排列,在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。 纯铁的同素异构转变是在910恒温下完成的。在固态下重新排列、结晶过程。是钢进行热处理的依据。,3、碳钢的基本组织,碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。 固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。 这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。,（1）铁素体(F),碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。,（2）奥氏体(A),碳溶解在-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 -Fe原子间隙较大，碳的溶解度比a-Fe中大得多，如在723时可溶解0.8，在1147时可达最大值2.06。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。奥氏体的特点是强度、硬度高，塑性低、韧性较好，且无磁性。,（3）渗碳体(C),碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。熔点约1600，硬度高，塑性几乎等于零。 渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。 铁碳合金含碳量小于2时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。 含碳量大于2时，部分碳可分解为游离石墨+铁，称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。,铁碳合金中含碳量2%时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁。 组织结构特点 性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。,（4）珠光体(P),铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。,（5）莱氏体(L),珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。 具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。,（6）马氏体(M),钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。,1.4.2 铁碳合金状态图,略,1.4.3 碳钢,1、常存杂质元素对钢材性能的影响 （1）硫 FeS和Fe形成低熔点(985)化合物。钢材热加工11501200，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。 高级优质钢：S0.02%0.03%； 优质钢：S0.03%0.045%； 普通钢：S0.055%0.7%以下。,有害元素！,（2）磷,虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。 使冷加工及焊接性变坏， 高级优质钢： P0.025%； 优质钢： P0.04%； 普通钢： P0.085%。 有害元素！,（3）锰,形成MnS(1600)，部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。 在0.5%0.8%以下时，看成是常存杂质。优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%0.8%；高锰结构钢可达0.7%1.2%。,有益元素！,（4）硅,脱氧剂,硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%0.37%，沸腾钢中只含有0.03%0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。,有益元素！,（5）氧,在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。,有害元素！,（6）氮,长时间放置或在200300加热氮以氮化物形式的析出，硬度、强度提高，塑性下降，发生时效(即氮化物析出）。 钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。,有害元素！,（7）氢,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！,1.4.4 钢的热处理,钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理。,热处理工艺实例： 缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软； 建筑用铁线用火烧软； 泵轴调质内韧外硬； 扁铲淬火提高硬度和韧性 ； 容器焊后退火消除内应力； ,热处理工艺曲线：,金属材料中的金相组织发生变化！,（1）常用热处理工艺,退火：缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却。 目的：细化晶粒，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。 正火:置于空气中冷却，晶粒变细，韧性可显著提高。 铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1） - 退火； 空气中冷却（曲线2）-正火 ； 作用：降低硬度，增加塑性，改善机械性能； 使组织均匀化，消除内应力。 【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度) 以上3050。,容器焊缝处产生内应力吗？,淬火是加热至淬火温度(临界点以上3050)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。 淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。 碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。,缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3）； 淬火剂: 水，盐水-用于 碳钢； 油-用于合金钢。 作用：提高硬度、强度和耐磨性。,淬火,回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。 在150250范围内的回火称“低温回火”。回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。刃具、量具，要进行低温回火处理。,回火,中温回火温度是300450。 有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。 轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。 高温回火温度为500680。 综合性能：强度、韧性、塑性等都较好 淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。 用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,4、化学热处理,有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性； 渗铝可提高耐热、抗氧化性； 氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性； 渗硅可提高耐酸性等。,1.4.4 碳钢的分类,（1）.普通碳钢 含P、S等有害杂质较多（S0.055% P0.045%) 化工压力容器用钢一般选用镇静钢。 普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。 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 磷硫杂质极少 P,s含量0.03%。 表示法：如20A,GB150-98规定使用材料！,1.4.5 铸铁,含碳量2%以上，含有 S、 P、 Si、 Mn等杂质。 脆性材料，抗拉强度较低，但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质(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、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。,1、灰铸铁,2.7%4.0%，片状石墨形式，断面暗灰色。 有优良的铸造性、减振性能，支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。 在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。 HT和抗拉强度b值表示，如 HT100，其中100表示b100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。,用来制作机床的床身，压缩机机身如何？,2、球墨铸铁,简称球铁。 在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。 用QT、抗拉强度值、延伸率表示，如QT400-18，其中400表示b400MPa，18表示=18%。,可制作重要轴类！,3、高硅铸铁,有高的耐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。 特点：耐腐蚀性好； 质硬、脆，较难机加工，一般采用铸造； 导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。 常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器 牌号有：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,式中 ST-高硅耐蚀铸铁， Si15-含硅15%左右， Cu2-含铜2%左右 R -混合稀土元素（0.1%）,45号钢、球墨铸铁、灰铸铁的机械性能比较,1.5 合金钢,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。 按合金元素总含量分： 合金含量10%，高合金钢,表示方法： 一种是汉字牌号，如35铬钼； 另一种是用国际化学符号，如35CrMo。 表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%)，含 Cr、Mo在1%左右。 当平均质量分数1.5%、2.5%，3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。,1.5.1 合金元素对钢的影响,为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。 目前常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。,1、铬,提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。 含量达到13时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。 提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。,2、锰,提高强度和提高低温冲击韧性。 3、镍 提高淬透性，有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。 镍基合金具有更高的热强性能。 镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。,4、硅,提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。 硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。 5、铝 强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。 提高抗氧化性和耐热性，对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。 价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。,6、钼,提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。 7、钒 于固溶体中提高高温强度，细化晶粒，提高淬透性。 铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。,8、钛,强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。 在不锈钢中稳定碳，防止晶间腐蚀 提高耐热性。 9、稀土元素 提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,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。,1.5.2 低合金钢,碳素钢与低合金钢比较,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.,大型化工容器16MnR，质量比碳钢轻 l/3； 与碳钢相比，用15MnV制造球形贮罐可节省钢材约45%。 根据容器的具体操作条件(温度、压力)和制造加工(卷板、焊接)要求，选用,1.5.3 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。 4.标准： 压力容器用钢板GB6654-1996 压力容器用碳素钢和低合金厚钢板YB/T40-87,1.5.4 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-含碳量的千分数见表1-5(1-4）； 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。,2）铬镍不锈钢,常用铬镍不锈钢型号:0Cr18Ni9 0Cr18Ni10Ti 式中 0-含碳量的千分数；（见表1-5） Cr18-含铬量18%左右； Ni9-含镍量9%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。见P298附录五 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。,1.5.5 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。钢的表面能生成致密的氧化膜。 Cr、Al、Si 抗氧化钢抗高温氧化，强度不高。 Cr13SiAl， Cr25Ti， Cr25Ni12等。 热强性。抗高温蠕变能力。 Cr、Mo、V、Ti 热强钢抗蠕变，有一定抗氧化能力。 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。,元素 Cr提高抗氧化性，强化并稳定金相组织。 Mo提高高温强度，强化并稳定金相组织，提高再结晶温度。 Ni形成奥氏体组织，提高高温强度和耐腐蚀性。 Ti稳定金相组织，不锈钢中能减少铬与碳的化合。 Al,Si提高高温抗氧化性，本身生成致密的氧化膜。,各元素的作用：,1.5.6 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。 低温用钢的组织成分特点： 一般低温（-40-20 )钢含碳量很低（0.080.18）的铁素体组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。 如 16MnDR，09MnNiDR等。 深冷（-40以下)用钢含碳量低的奥氏体组织。如 15Mn26Al4。,1.5.7 钢材的品种及规格,品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢 （1）钢板（压力容器用热扎厚钢板） 4mm6mm厚度间隔为0.5mm 6mm30mm厚度间隔为1mm 30mm60mm厚度间隔为2mm 一般碳素钢板材有 Q235-A、Q235-AF、08、10、15、20等。,2）钢管P306附录七 无缝钢管表示法： 如 f21910 其中 219-钢管的外径,mm； 10-钢管名义壁厚,mm。 有缝钢管 由板卷焊接而成。用于水管，蒸汽管等。 如 1吋,1/4吋,3/4吋等。,3）型钢,圆钢 方钢 扁钢 等边角钢 不等边角钢 工字钢 槽钢,圆钢与方钢主要用来制造各类轴件； 扁钢常用作各种桨叶； 角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。,4）铸钢和锻钢,钢水铸造成型-铸钢。 如：ZG200-400 式中200-屈服点 400-抗拉强度。,精密铸造！,钢坯锻压成型 -锻钢,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。,1.6 有色金属材料,1.6.1 铝及其合金 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。,1）纯铝：高纯铝L01，L02（浓硝酸设备）； 工业纯铝L1，L2，L4（换热器，塔，储罐，深冷设备等）。 2）铸造铝ZL（泵，阀门，离心机等）由铝锰系或铝镁组成的铝合金。 3）防锈铝LF（深冷设备，分离塔等）铝、硅合金。,2.常用铝材：,1.6.2 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。 用场：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。 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。,1.6.3 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。,1.7 非金属材料,既可用作结构材料，又能作设备的保护衬里、涂层，还可做设备的密封材料、保温材料和耐火材料。 非金属材料分为无机非金属材料（陶瓷、搪瓷、岩石、玻璃等）及有机非金属材料（塑料、涂料、橡胶等）及近2030年来发展的复合材料（玻璃钢、不透性石墨等）。,1.7.1 无机非金属材料（主要成分为粘土） 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。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。使用温度为-30270。 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。,3、 辉绿岩铸石 用辉绿岩熔融后制成，可制成板、砖等材料作设备衬里，也可做管材。 铸石除对氢氟酸和熔融碱不耐腐蚀外，对各种酸、碱、盐都具有良好的耐腐蚀性能。,4、玻璃 化工用的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，它们有好的热稳定性和耐腐蚀性。 有耐腐蚀性、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。 目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道，来弥补其不足。,1.7.2 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,（1）硬聚氯乙烯（PVC）塑料 使用温度为-10+55。当温度在6090时，强度显著下降。 （2）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。 （3）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。,PVC棒,PE棒,PE罐,（4）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，还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。,（5）玻璃钢 又称玻璃纤维增强塑料。 用合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，按一定成型方法制成。 具有优良的耐腐蚀性能，强度高和良好的工艺性能，是一种新型非金属材料。 树脂不同而差异很大。 环氧玻璃钢（常用）、酚醛玻璃钢（耐酸性好）、呋喃玻璃钢（耐腐蚀性好）、聚酯玻璃钢（施工方便）等。,2、涂料,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。 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。,常用涂料： 防锈漆； 底漆； 大漆； 环氧树脂漆； 酚醛树脂漆等,3. 不透性石墨,各种树脂侵汲石墨，消除孔隙而成。 特点：1）较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好； 2）不污染介质； 3）加工性能好，相对密度小； 4）力学性能较低，性脆。 用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，爆破片等。,1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施,腐蚀 金属材料表面由于受到周围介质的作用而发生状态变化，从而使金属材料遭受破坏的现象称为腐蚀。如铁生锈、铜发绿锈、铝生白斑点等。按照腐蚀反应进行的方式，金属的腐蚀可分为化学腐蚀与电化学腐蚀两类。,1.金属腐蚀的评定方法： 1）质量变化评定法 试验测定，单位表面、单位时间腐蚀引起的质量变化量。 2）腐蚀深度评定法 用每年金属厚度的减少量表示腐蚀速度。,1根据质量变化评定金属腐蚀 通过实验的方法测出试件在单位表面积、单位时间腐蚀而引起的质量变化。当测定试件在腐蚀前后质量减少之后，可用下式表示腐蚀速度。 式中：K-腐蚀速度，g/（m2h）； m0-腐蚀前试件的质量，g； m1-腐蚀后试件的质量，g； F-试件与腐蚀介质接触的面积，m2； t-腐蚀作用的时间，h。,2 根据腐蚀深度评定金属的腐蚀 为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度的减少量，即腐蚀深度来表示腐蚀速度。 按腐蚀深度评定金属的耐腐蚀性能有三级标准，见表1-26。,表1-26 金属腐蚀性能三级标准,2.化学腐蚀,金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生的腐蚀。 特点：1）腐蚀产物在金属表面； 2）腐蚀过程中无电流产生。 腐蚀产物特性： 1）致密而稳定，与金属结合牢固钝化膜钝化作用； 2）不稳定，与金属结合不牢固脱落活化作用。,在化工生产中，有很多机器和设备是在高温下操作的，如氨合成塔、硫酸氧化炉、石油气制氢转化炉等，金属在高温下受蒸汽和气体作用，发生金属高温氧化及脱碳就是一种高温下的气体腐蚀，是化工设备中常见的化学腐蚀之一。,（1）金属的高温氧化及脱碳,金属在高温下的气体腐蚀。,解决方法：冶炼时加入铬，硅或铝 不起皮钢,脱碳反应： Fe3C+O2=3Fe+CO2 Fe3C+CO2=3Fe+CO Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2,温度700时脱碳作用（指在高温气体作用下，钢的表面在生产