压力容器(2).ppt

第二篇压力容器,第六章压力容器与化工设备常用材料第七章压力容器的薄膜应力、弯曲应力、二次应力第八章内压容器第九章外压容器与压杆的稳定计算第十章法兰连接第十一章人孔、手孔、视镜和液面计第十二章开孔补强与设备凸缘第十三章容器支座第十四章容器的焊接结果第十五章压力容器的监察管理与定期检验,1金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第一节金属的晶体结构,金属原子结构特点：最外层的电子数很少，一般只有一二个；最外层电子与原子核的结合力较弱，因此很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子。金属键：在金属中自由电子，在所有的金属正离子之间穿梭运动，把带正电的金属离子牢固地束缚在一起，这种金属原子之间的结合方式称为金属键。,一、金属原子结构特点与金属键,第一节金属的晶体结构,二、金属原子的晶体结构,金属是晶体金属晶体是以密堆积形成的。,实际使用的金属是多晶体组织，具有各向同性，实际强度比理论强度低几十倍甚至几百倍。,体心六方晶格,面心六方晶格,密排六方晶格,1金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第二节铁碳合金,-Fe：体心立方晶格结构（910）的铁称为-Fe,-Fe和-Fe可相互转变，-Fe经加热可转变为-Fe，反之高温下的-Fe冷却可变为-Fe，这种转变称“同素异构转变”。铁的同素异构转变是铁原子在固态下重新排列的过程，实质上也是一种结晶过程，构成铁碳合金一系列性能的依据，是钢进行热处理的依据。,体心立方晶格,面心立方晶格,1）铁,（二）碳,碳对铁碳合金性能的影响很大，铁中加入少量的碳，强度显著增加。碳在铁碳合金中的存在形式有三种：固溶体、化合物和混合物。,1.固溶体,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。,碳铁固溶体：碳原子挤到铁的晶格中间去又不破坏铁所具有的晶格结构。,第二节铁碳合金,第二节铁碳合金,铁素体：碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体-Fe原子间隙小，溶碳能力低（最大溶解度不超过0.02），铁素体的性质与纯铁相似，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。室温时，钢的组织中只有铁素体，没有奥氏体。,奥氏体：碳溶解在-Fe中形成固溶体称奥氏体。-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比-Fe中大得多（7230.8，11472.06）。奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。奥氏体有较大的溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。,第二节铁碳合金,铁碳合金中的碳不能全部溶入-Fe或-Fe中时，剩余的碳将和铁形成一种化合物（Fe3C），称为渗碳体。,渗碳体的硬度极高，塑性几乎等于零，是一个硬而脆的组织。,纯粹的渗碳体又硬又脆无法应用。但在塑性很好的铁素体基体上散布着这些硬度很高的微粒，将大大提高材料的强度。,含碳量越高，钢中的渗碳体越多，钢的强度和硬度越高，但塑性和韧性越低。通常C2.11%为铁。,当把刚加热至高温，铁素体转变为奥氏体，增加溶碳量,第二节铁碳合金,当铁碳合金中的碳含量较高（2.11%）时，不能溶解铁中的碳将由以石墨状态存在，这种合金称为铸铁。,3.混合物碳以石墨状态单独存在,石墨本身性软，且强度很低，所以铸铁的抗拉强度和塑性都比碳钢低。但是石墨的存在，并不削弱抗压强度，并且使铸铁具有一定消震能力。,铸铁中石墨的存在形式与分布,球状石墨,细片状石墨,粗片状石墨,铸铁中石墨的存在形式不同，球状石墨的铸铁称球墨铸铁，它的强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。,第二节铁碳合金,铁碳合金基本组织的性质及性能特点,第二节铁碳合金,珠光体：铁素体与渗碳体的机械混合物。珠光体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。,4.珠光体,莱氏体：珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。莱氏体具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。,5.莱氏体,第二节铁碳合金,马氏体：钢和铁从高温急冷下来的组织，含有过饱和碳的-Fe固溶体。马氏体具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。,6.马氏体,第二节铁碳合金,第二节铁碳合金,三.过冷奥氏体的恒温转变,钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727oC以下时秉承不稳定的过冷奥氏体。,第二节铁碳合金,四、钢的热处理,热处理：将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理目的：改进钢的加工工艺性能，充分发挥钢材的潜力，提高其使用性能，节约成本，延长工件的使用寿命。热处理工艺不仅应用于钢和铸铁，亦广泛应用于其它材料。,热处理,普通热处理,表面热处理,退火,正火,淬火,回火,表面淬火,火焰加热表面淬火,感应加热表面淬火,化学热处理,：渗碳、渗氮、碳氮共渗,第二节铁碳合金,正火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，置于空气中冷却。正火目的：细化晶粒，提高韧性，有比退火更高的强度与硬度。正火与退火不同之处：正火的冷却速度要比退火快一些，因而晶粒变细，钢的韧性可显著提高。铸件、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,1.退火和正火,退火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的一种热处理工艺。退火目的：消除组织缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷加工、消除内应力、防止工件变形。,第二节铁碳合金,2.淬火和回火,淬火：把钢（工件）放在炉中缓慢加热至淬火温度(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，可增加硬度、强度和耐磨性。针对不同的钢种，淬火剂有空气、油、水、盐水，其冷却能力递增。一般碳钢在水和盐水中淬火，合金钢导热性能比碳钢差，一般在油中淬火。,第二节铁碳合金,回火：把淬火后的钢件重新加热到一定温度，经保温烧透后再行冷却的一种热处理操作。回火目的：可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。回火分类：低温回火、中温回火、高温回火低温回火：在150250范围内的回火。目的是不降低硬度消除内应力。刃具、量具，要进行低温回火处理。中温回火：300450回火。目的是消除内应力降低硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。高温回火：500680回火。可以获得塑性、韧性和强度均较高的优良综合机械性能。调质处理：淬火后的高温回火。可提高钢材的综合机械性能，广泛用于各种重要零件中。,第二节铁碳合金,3.化学热处理,化学热处理：把钢放在一定介质中加热到一定温度，使介质原子渗入钢内改变钢表面层化学成分和组织结构，从而获得某些特殊性能。种类：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金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第三节碳素钢,一、碳钢的分类和编号,按质量分类普通碳素钢钢号由屈服限Q、质量等级（A-D），脱氧方法组成优质碳素钢两类31个钢号，钢号的数字代表碳平均含量的万分值,按含碳量分类低碳钢：0.6%强度及硬度较高，塑性较差，用于制造弹簧、钢丝等。,1.碳钢的分类,第三节碳素钢,思考：（1）请完整描述Q215-A.F所代表的意思？,（2）15Mn、70Mn、15三个钢号有什么区别？,第三节碳素钢,容器专用钢板20R锅炉专用钢板和钢管钢板钢号：20g钢管钢号：20G焊接气瓶专用薄钢板HP245HP365船用钢板A、B,3）专用钢材,第三节碳素钢,二、碳钢的性能,碳钢的力学性能与钢的含碳量、热处理条件、零件尺寸、使用温度有关。P108-110,1.力学性能,碳钢有较好的制造工艺性能，可以进行铸造、锻压、焊接、切削等各种形式的冷、热加工。,2.制造工艺性能,3.耐腐蚀性,碳钢的耐腐蚀性较差，在盐酸、硝酸、稀硫酸、醋酸氯化物溶液及浓碱中均能被腐蚀。耐浓硫酸、浓度1000）时需要耐热钢。,耐热钢：在高温下不发生氧化，并且有较高热强性的钢。钢的耐热性包括抗氧化性(热稳定性)和高温热强性(蠕变强度)两个方面。热安定性：抵抗高温气体（O2、H2S、SO2等)腐蚀的性能。高温热强性：高温对机械载荷的抵抗能力（强度）,第四节合金钢,耐热钢的组成：铬、硅、铝、Mo、W、Ti等合金元素。铬、硅、铝等元素在高温下与氧作用，在钢表面形成一层致密的高熔点氧化膜(Cr2O3、Al2O3、SiO2)，能有效地保护钢在高温下不被氧化，提高热稳定性。Mo、W、Ti等元素可阻碍晶粒长大，提高钢的高温热强性。实例：3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N等。,重点理解机理！,1金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第六节锻件与紧固件,一、锻件,1.锻件的名称和形状,六种：筒形、环形、饼形、碗形、长颈法兰锻件、条形（P123）,2.锻件的分类与应用,锻件分为、四个等级材质：碳素钢、低合金钢锻件、不锈钢锻件等（检验的标准P124）压力容器上使用的锻件不得低于级。,第六节锻件与紧固件,二、紧固件,1.紧固件的分类：专用级和商品级2.专用级紧固件：由专用材料制造的螺栓、螺柱、螺母（据材料性质规范其性能）（表6-24）。3.商品级紧固件：根据紧固件的实测力学性能来标记其性能等级。,紧固件主要用于法兰连接,法兰连接标准,容器法兰连接标准,管法兰连接标准,第六节锻件与紧固件,（1）商品级螺栓、螺钉、螺柱,性能等级代号：用“”隔开的两部分数字表示,实例：36,整数部分表示抗拉强度的1/100,小数部分表示屈强比：公称屈服强度/公称抗拉强度,表示b=300MPa，s/b=0.6，s=180MPa,36，46，56：可用低碳钢制造48，58，68（低合金钢或中碳钢制造），88，98109，129,1金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第七节铸铁,铸铁：含碳量（质量分数）一般在2%4.5%，并含有S、P、Si、Mn等杂质的铁碳合金。铸铁中碳和硅的含量均高于钢。一、铸铁特性及其分类：铸铁是脆性材料，抗拉强度较低，但具有良好的铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。铸铁在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中具有相当好的耐腐蚀性能。铸铁生产成本低廉，因此在工业中得到普遍应用。,：耐蚀铸铁、耐热铸铁、耐磨铸铁,铸铁,普通铸铁,合金铸铁,：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁,第六节锻件与紧固件,二、灰铸铁,牌号：HT（汉语拼音“灰铁”)+数字（抗拉强度）,含碳量2.7%4.0%，石墨呈片状，断面呈暗灰色。灰铸铁强度较低，脆性较大，抗压不抗拉，有优良的铸造性和减震性，易切削。生产工艺简单，价格低廉，应用广泛。,实例：HT100，b=100MPa。（数量级）常用灰铸铁牌号有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350。,第六节锻件与紧固件,（1）一般应用高温生长性减震性能缺口敏感性（2）应用压力容器毒性容器及易燃介质：不能盛装毒性为极度、高度和中度危害的介质以及设计压力大于0.15MPa的易燃介质压力与温度：设计压力不得大于0.8MPa，设计温度范围为0-250许用应力：受压元件强度设计许用应力为设计温度下的抗拉强度除以安全系数10.0,灰铸铁的应用：,第六节锻件与紧固件,牌号（GB/T1348-1988）：QT+抗拉强度值+延伸率实例：QT400-18，表示b=400MPa，=18%。,三、球墨铸铁,球墨铸铁简称球铁，碳以球状石墨形式存在。,球墨铸铁在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁，甚至接近钢材。球墨铸铁耐酸性介质蚀性较差，但耐其它介质腐蚀性比灰铸铁好。,球墨铸铁价格低廉，兼有普通铸铁与钢的优点，成为一种新型结构材料，可用于一些重要的零件，如曲轴、连杆、主轴、中压阀门等,第六节锻件与紧固件,（1）牌号必须符合国家标准（2）不得盛装有毒介质以及压力大于0.15MPa易燃介质压力容器的受压元件（3）设计压力不得大于1.6MPa，设计温度范围10350（4）受压元件强度设计的许用应力，取设计温度下抗拉强度除以安全系数8.0,球墨铸铁用于压力容器应遵守的条件：,第六节锻件与紧固件,四、可锻铸铁,可锻铸铁：白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而得到的具有团絮状石墨的一种铸铁。,与灰铸铁相比，可锻铸铁具有较高的强度、较高的韧性和塑性、高延展性、低铸造性，不能用于压力加工。可锻铸铁应用于大批量生产的动态载荷下要求塑性和韧性较高，壁厚30mm以下的中小零件。,可锻铸铁实际上也是不能进行锻造加工，只是因为较灰铸铁有一定的韧性，才称为可锻铸铁。,第六节锻件与紧固件,高硅耐蚀铸铁、高铬耐蚀铸铁、高镍耐蚀铸铁,五.耐蚀铸铁,STSi11Cu2CrR：ST-耐蚀铸铁，Si11-含硅11%左右，Cu2-含铜2%左右，R-混合稀土元素（0.1%）,1）高硅耐蚀铸铁,有很好的耐含氧酸腐蚀性能，含硅量增加耐蚀性增加。强度低、脆性大、内应力大，易于脆裂、热导率小，线膨胀系数大，不适于制造温差较大的设备。常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器常用牌号：STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,第六节锻件与紧固件,2）高铬耐蚀铸铁,含铬20%35%，耐硝酸、亚硫酸、磷酸、NaOH、KOH等介质腐蚀，不耐盐酸、氢氟酸等还原性介质。,机械性能优于高硅铸铁，可进行机械加工，不适用于温度急变场合。,3）高镍耐蚀铸铁,含镍14%35%，少量Cr、Cu、Mo等元素。耐多种酸，镍含量18%时，对NaOH等碱液有很好的耐腐蚀性，耐海水腐蚀和冲蚀。强度和韧性高于灰铸铁，有良好的铸造性和加工性。,第六节锻件与紧固件,六.耐热铸铁,耐热性：高温抗氧化性高温抗生长性（热生长）：铸铁高温下体积产生不可逆胀大氧化性气体进入铸铁内部，与Si反应生成SiO2，使体积变大，高温下渗碳体分解为石墨，使体积变大。,解决办法：向铸铁中添加Si、Al、Cr等元素，高温下在铸铁表面形成致密的SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜，防止内部被继续氧化。,分类：铬系耐热铸铁、硅系耐热铸铁、硅铝系耐热铸铁、铝系耐热铸铁。,P133,1金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第八节铜与铜合金,一、加工铜,特性：良好的导电性、导热性低温下保持较高的塑性和冲击韧性良好的耐蚀性：耐稀硫酸、亚硫酸、盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等介质，耐淡水、大气、碱类溶液的耐蚀。强度较低,用途：用于制作深冷设备和高压设备的垫片,加工铜：,供压力加工用的纯铜。但强度不高,第八节铜与铜合金,纯铜牌号：Tl、T2、T3、TU1、TU2、TP1、TP2等。T1、T2是高纯度铜，用于制造电线，配制高纯度合金。T3杂质含量和含氧量比T1、T2高，主要用于一般材料，如垫片、铆钉等。TU1、TU2为无氧铜，纯度高，主要用作真空器件。TP1、TP2为磷脱氧铜，多以管材供应，主要用于冷凝器、蒸发器、换热器、热交换器的零件等。,第八节铜与铜合金,二、加工黄铜,1.普通黄铜：铜与锌的二元合金称普通黄铜,特性：铸造性能良好；较高的力学性能,黄铜牌号：H+数字,黄铜代号,黄铜含量（%）,实例：H80,普通黄铜常见的腐蚀方式：脱锌和季裂,脱锌：,季裂：,电化学反应,应力腐蚀,消除方式,260-300oC退火,消除方式,少量（0.02%0.06%）As,第八节铜与铜合金,2.多元黄铜：为改善黄铜的某些性能，在黄铜中加入锡、铝、硅、锰、铅等元素所形成的合金。,命名：在黄铜前冠以第三种元素的名称,符号：HSn70-1锡黄铜,（1）砷锡黄铜：有良好的力学性能、冷热态加工性能良好在大气、蒸汽、海水、油中有高的耐蚀性；,（2）铅黄铜：提高黄铜的切削性能和耐磨性；,（3）砷铝黄铜：铝在合金表面形成氧化膜，增强耐蚀性；,（3）铁黄铜：细化晶粒和提高合金强度、韧性及耐磨性。,第八节铜与铜合金,三、白铜,白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者，抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好，是海水冷凝管的理想材料。,白铜：镍与铜形成的合金,简单（普通）白铜：仅由镍与铜形成的合金,复杂（特殊）白铜：普通白铜中加入锰、铁、锌或铝等元素的形成的合金，主要有锰白铜、铁白铜、锌白铜、铝白铜。,牌号：B30、BFe30-1-1、BFe10-1-1,白铜代号,镍30%,铁1%,锰1%,第八节铜与铜合金,四、青铜,青铜：用除锌和镍以外的元素作为主要合金元素与同组成的合金统称为青铜。,特性：硬度高达350400，耐疲劳，无磁性,特性：锡青铜具有很高的耐腐蚀性和良好的抗磨性,（1）锡青铜：铜与锡的合金称为锡青铜；,（2）铝青铜,特性：锡青铜具有很高的耐腐蚀性和良好的抗磨性，冲击不产生火花，,（3）铍青铜,第八节铜与铜合金,五、铸造铜合金,ZCuSn3Zn8Pb6Ni1,铸造铜合金以Z开头,元素后面数字代表百分含量,六、铜及铜合金用于压力容器时的规定,（1）用作受压元件，必须采用退火状态,（2）焊接接头系数的取值比钢制容器的取值低0.1,1金属的晶体结构2铁碳合金3碳素钢4合金钢5压力容器用钢板的检验6锻件与紧固件7铸铁8铜及铜合金9铝及铝合金10钛及钛合金,第六章压力容器与化工设备常用材料,第九节铝及铝合金,一、变形铝及铝合金的分类与牌号,工业上用铝及其合金主要有两类：,变形铝及其合金；铸造铝合金,1.变形铝,2.变形铝合金,工业纯铝，其杂质元素不超过1%，根据含量分为工业用高纯铝及工业用纯铝,以L字头，顺序号越大，纯度越低,以LG字头，顺序号