第六章 化工设备常用材料和设计基础知识.ppt

第六章化工设备常用材料和设计基础知识,第一节化工设备常用材料主要性能和选用方法,一化工设备的使用环境：压力：真空低压中压高压超高压温度：低温中温高温介质：有毒；易燃；剧毒。,二金属材料的性能,（一）力学性能在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。强度及其主要指标.固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：容器爆裂；管道破裂;地脚螺栓拉断;炉管爆裂；.强度不够！,（二）物理性能,密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.线膨胀系数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)热变性不同固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大,2.弹性模量e与泊桑比,弹性模量e：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的。随着温度升高而降低。泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为=0.3。,（三）化学性能,金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。主要考虑的化学性能：1.耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；2.抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、co2、so2等。,（四）金属材料的工艺性能,可焊性能母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；铸造性能流动性、凝固收缩率等；可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；切削加工性能热处理性能,三金属材料的分类及牌号,（一）分类1.黑色金属1）生铁2）钢,按化学成分：,按质量分：,按用途分：,2.有色金属,(二)钢铁牌号及表示方法,1.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；产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。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,2钢号表示法,例：优质碳素钢:08f20r,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,低合金钢:16mnr16含碳量0.16%；mn合金元素；r容器钢。特殊性能钢:1cr18ni91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%。,四碳钢与铸铁,钢铁的组成=95%以上铁+（0.054%）碳+1%杂质铁碳合金：含碳量0.02-2%为钢；含碳量2%为铸铁；含碳量0.02%为工业纯铁；含碳量4.3%无实用价值。,（一）碳钢,1.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！,(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！,2.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#gb150-98规定使用材料,（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等。式中数字-含c量的万分数;g-锅炉钢；r-容器钢；,gb150-98规定使用材料！,（3）高级优质钢磷硫杂质极少p,s含量0.03%。表示法：如20a,（二）钢的热处理,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；,金属材料中的金相组织发生变化！,1常用热处理工艺,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。,热处理工艺曲线：,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,淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。回火又分为：低温回火（150250）；中温回火（300450）；高温回火（500680）。,淬火+高温回火称为调质处理。效果：强度、塑性、韧性均提高。,回火,将零件放在化学介质中进行加热-保温-冷却的过程。作用：使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。,2化学热处理,（三）铸铁,铸铁：铁+(2.54.0%)碳+si、mn、p、s等杂质1灰铸铁如ht150-330,ht200-400ht-灰铸铁第一个数字-抗拉强度（mpa)第二个数字-抗弯强度（mpa)特点：断口呈灰色，石墨呈片状；质脆，耐磨，抗压不抗拉，可铸性好，易切削；吸音减振，耐腐蚀性好。,用来制作机床的床身，压缩机机身,2球墨铸铁,如qt450-10.qt-球墨铸铁450-抗拉强度（mpa)10-延伸率（%）特点：碳以球状石墨存在，可铸性好，易切削；强度高，较好的塑性和韧性。,可制作重要轴类！,3高硅铸铁,如：stsi15r,stsi11cu2crr,stsi17r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%）。特点：耐腐蚀性好，质硬、脆，较难加工，一般采用铸造；导热性能差，膨胀系数大，受热易裂。用途：制造耐腐蚀泵、阀门、旋塞、冷却排管、辅助阳极、管道配件等。,五低合金钢及特殊性能钢,（一）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。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。,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。,（二）低合金钢,碳素钢与低合金钢比较,3.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。4.常用材料：16mnr，15mnvr,18mnmonbr,15crmor,14cr1mor.,（三）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。,“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-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12%。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:0cr18ni90cr18ni10ti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。,耐腐蚀性好cr含量12%，表面形成氧化膜；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。,性能特点:,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。,（四）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。,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。抗氧化钢抗高温氧化cr13sial,cr25ti,cr25ni12等。,高温设备对材料的要求：,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。,（五）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。,（六）钢材的品种和规格,1钢板2钢管无缝钢管表示法：如f21910其中219-钢管的外径,mm；10-钢管名义壁厚,mm。公称直径dn有缝钢管由板卷焊接而成用于水管，蒸汽管等。,3型钢,圆钢方钢扁钢等边角钢不等边角钢工字钢槽钢,4铸钢和锻钢,钢水铸造成型-铸钢如：zg200-400式中200-屈服极限400-抗拉强度。,精密铸造！,钢坯锻压成型-锻钢,六有色金属材料,（一）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）。（3）防锈铝lf（深冷设备，分离塔等）。,2常用铝材：,（二）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）特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。,（三）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。,七非金属材料,（一）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。,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。,（二）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,2.涂料高分子胶体的混合物溶液。用途：设备防腐常用涂料：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。,八化工设备的腐蚀及防腐措施,（一）金属的腐蚀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。,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。,3.电化学腐蚀,金属与电解液接触发生电化学反应。,三个环节：,发生电化学腐蚀必备条件：,（1）同一金属中有不同电位的组织成分或存在不同电位的金属；（2）阳极和阴极互相连接；（3）阳极和阴极同处在连通的电解液中。,4晶间腐蚀和应力腐蚀,均属于电化学腐蚀。（1）晶间腐蚀腐蚀性介质沿晶粒间渗入金属深处，腐蚀破坏金属晶粒间的结合力，使之强度和塑性完全丧失。“内部瓦解”作用。,不锈钢有晶间腐蚀可能：在450-850之间，生成(crfe)23c6，沿晶界析出，晶界成为贫铬带。在电化学行为中，贫铬带成为阳极，晶粒成为阴极，形成微电池。,解决办法：1）钢中加入ti和nb元素；2）减少不锈钢中的碳含量。,（2）应力腐蚀,亦称腐蚀开裂金属在腐蚀性介质和拉应力共同作用下产生的破坏形式。腐蚀断裂过程分三个阶段：（1）孕育阶段机械裂纹。（2）裂纹扩展裂纹尖端为高度应力集中区，出现微电池。（3）破坏阶段。,裂纹扩展应力腐蚀：,（二）金属腐蚀破坏的形式,危险性较小，壁厚有保证即可。,危险性较大，隐蔽；穿孔泄漏；局部应力过大。,（三）金属设备的防腐措施,1.衬覆保护层（1）金属保护层电镀，喷镀，衬里等。（2）非金属保护层非金属衬里瓷砖，石墨板，水玻璃胶泥；防腐涂料防腐漆，环氧树脂等。2.电化学保护（1）阳极保护被保护设备接直流电源阳极，生成“钝化膜”。,（2）阴极保护,牺牲阳极保护。,3.添加缓蚀剂,腐蚀性介质中加入少量缓蚀剂，降低或停止腐蚀作用。注意！1）不影响产品（介质）质量；2）种类和用量要经试验确定。,九化工设备材料选择的一般原则,要考虑：设备的操作条件压力、温度、介质特性、操作特点；材料的使用性能力学性能、物理性能、化学性能；加工工艺性能焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；经济合理性及设备结构材料价格、制造费用和使用寿命。,选材一般原则：,1压力容器用钢材应符合gb150-1998钢制压力容器的要求，设计压力不大于35mpa。接受压力容器安全技术监察规程的监督。2压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围：,3设计温度应在允许使用温度范围内。4耐腐蚀5经济性好,6.其他（1）高压设备应优先选用低合金高、中强度钢，从而节省钢材。（2）承受刚度控制的设备，不宜采用高强度材料。,一压力容器的基本结构与分类1基本结构一般容器的结构以卧式容器为例,第二节容器设计基本知识,2压力容器分类（1）按工艺要求分类：盛装或储存储罐、计量槽、压力缓冲器；实现化学反应合成塔、反应釜、变换炉等；实现传热加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、废热锅炉、水洗塔等；实现传质、分离分馏塔、吸收塔、干燥塔、过滤器、分离器等。,低压容器0.1p1.6mpa中压容器1.6p10mpa高压容器10p100mpa超高压容器p100mpa,（2）考虑安全性按承压（表压）高低分类,按容器壁温分：,常温容器-20壁温2000c;高温容器碳钢，低合金钢4200c，奥氏体不锈钢5500c。低温容器壁温-200c-200c-400c为浅冷容器，壁温-400c为深冷容器。,1标准化的意义设计无需计算和制图，按已有标准图选择。制造有利于成批生产，降低成本，保证产品质量，提高竞争力。维修备件规格尺寸通用，实现互换性。通商贸易国内、国际间通用，消除贸易障碍。我国已实现容器零部件标准化的有：圆筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。,二容器零部件的标准化,2容器零部件标准化的基本参数,公称直径（dn)公称压力(pn)。规定:（1）圆筒体的公称直径：板卷制的筒体内径；无缝钢管制的筒体外径。（2）法兰与其相配的管子或筒体的pn、dn相一致。注意：钢管的dndi,d0,1压力容器安全监察的范围同时具备如下条件：(1