化工设备机械基础 1章 材料.ppt

化工设备机械基础 48学时 教师 孙凤杰Email baiyu5415 Tel 13852472644123245136 2 1 确定设计原则 经济指标 生产可靠度 能力 材质 自动化程度 设备备用 进一步的发展等 2 确定设计基础 年操作时间 原材料 产品 消耗与回收 界区交接条件 公用工程规格等 3 工艺流程图设计 PFD 过程确定 系统合成 工艺计算 设备特性要求 控制要求等 4 带控制点的管道流程图 PID 5 工艺设备设计 设计温度 设计压力 结构设计 材质选择 壁厚确定等 化工设计主要内容 3 6 定型设备选型 7 设备布置设计 8 管道工程设计 9 保温工程设计 10 公用工程设计 自己具备了哪些基础知识和技能 4 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 5 一 课程主要内容 1 化工设备常用材料 化工设备常用材料性能 分类 热处理方法 2 中 低压化工容器设计 薄膜理论 内 外压容器设计方法 容器零部件选型设计 3 典型化工设备机械设计 列管式换热器 塔设备以及反应釜的结构及机械设计方法 6 二 学习本课程的目的与要求 目的 基本掌握化工设备常用材料的主要性能及选用方法 基本掌握中低压 外压容器及典型化工设备的设计方法 要求 1 重点掌握 设计概念及方法 2 掌握 化工设备的结构特点 3 领会贯通 课堂上讲授的内容 7 三 主要参考书及参考资料 1 化工设备机械基础 第五版 刁玉玮王立业编著 2 压力容器安全技术监察规程 1999 3 钢制压力容器 GB150 1998 4 管壳式换热器 GB151 1999 5 钢制塔式容器 JB4710 2002 8 第一篇化工设备材料 第一章化工设备材料及其选择 化学工业是国民经济的基础产业 各种化学生产工艺的要求各不尽相同 如 压力从真空到高压甚至超高压 温度从低温到高温以及腐蚀性 易燃 易爆物料等 使得设备处在极其复杂的操作条件下运行 由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求 因此 合理的选用材料是设计化工设备的主要环节 9 1 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 1 1概述 10 2 选用材料的一般要求 1 设备的操作条件 压力 温度 介质特性 操作特点 2 材料的使用性能 力学性能 物理性能 化学性能 3 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 4 经济合理性及设备结构 材料价格 制造费用和使用寿命 供货情况等 注 工设备选材还要符合容规要求 1 1概述 11 1 2金性材料的性能 12 一 力学性能力学性能是指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 1 强度及其主要指标2 塑性3 硬度4 韧性5 缺口敏感性 1 2金性材料的性能 13 一 力学性能1 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 容器爆裂 管道破裂 地脚螺栓拉断 炉管爆裂 强度不够 1 2金性材料的性能 14 14 一 力学性能1 强度及其主要指标 1 2金性材料的性能 15 15 一 力学性能1 强度及其主要指标 拉伸试验 1 2金性材料的性能 一 力学性能1 强度及其主要指标 拉伸试验结果显示 16 16 16 1 2金性材料的性能 17 17 17 一 力学性能1 强度及其主要指标拉伸试件标准 1 2金性材料的性能 18 18 18 18 18 一 力学性能1 强度及其主要指标 1 2金性材料的性能 19 19 19 19 一 力学性能1 强度及其主要指标 拉伸试验结果分析 1 2金性材料的性能 20 1 屈服点 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 材料发生屈服时的最小应力 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 1 屈服点 22 2 抗拉强度 sb 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 Mpa 压力容器设计常用的性能指标 屈强比 s b屈强比小 表明材料具有较大的塑性储备 脆性材料的抗拉与抗压性质不完全相同压缩时的强度极限远大于拉伸时的强度极限 脆性材料压缩时的力学性质 26 塑性材料和脆性材料力学性能比较 塑性材料 脆性材料 断裂前有很大塑性变形 断裂前变形很小 抗压能力与抗拉能力相近 抗压能力远大于抗拉能力 延伸率 5 延伸率 5 可承受冲击载荷 适合于锻压和冷加工 适合于做基础构件或外壳 材料的塑性和脆性会因为制造方法工艺条件的改变而改变 27 28 3 蠕变强度 sn 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 铅丝在常温下受重力作用而变长变细 蠕变强度 材料在高温下 抵抗发生缓慢塑性变形的能力 以sn表示 MPa 应力松弛在总变形量保持不变 初始弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象 称为应力松弛 3 蠕变强度 sn 3 蠕变强度 sn 铅做衬里时 注意加支撑 31 4 持久强度 sD 定义 在一定温度下 经过一定时间断裂时的应力 以sD表示 MPa sD 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105小时断裂时的应力作为持久强度 32 5 疲劳强度 r 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 符号 r MPa r min max 应力循环系数或应力比 106 107次不被破坏的应力 例 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 34 2塑性及其主要指标 金属的塑性 外力作用下产生塑性变形 而不破坏的性质 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 35 主要指标 1 延伸率 36 2 断面收缩率 y 如 纯铁的延伸率为50 20R的d5不小于25 16MnR的d5不小于21 1Cr18Ni9Ti的d5不小于40 化工设备材料一般要求 5 10 20 37 3 冷弯性能 室温下对试板以一定的内半径 R 0 5 3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 38 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 试件的中途卸载与重复拉伸 在强化阶段卸载后 如重新加载曲线将沿卸载曲线上升 对试件预先加载 使其达到强化阶段 然后卸载 当再加载时试件的线弹性阶段将增加 而其塑性降低 称为冷作硬化 40 3硬度的概念 金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力 硬度高材料强度也高 耐磨性较好 综合性能指标 布氏硬度试验示意图 41 常用硬度指标 布氏硬度 HBS 较软 洛氏硬度 HRA HRB HRC 较硬 维氏硬度 HV 等 硬度和强度间有一定关系 如 低碳钢sb 3 6HBS 用硬度计测量 42 4 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 这一指标有何意义 43 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 44 材料的冲击韧性高 其塑性也高 反之 材料塑性高 其冲击韧性不一定高 静载荷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 本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够迅速发生塑性变形 吸收冲击能量 冲击韧性与塑性区别何在 容规 规定 低温容器用材料要提供夏比冲击功Akv 45 5缺口敏感性 在带有一定应力集中的缺口条件下 材料抵抗裂纹扩展的能力 韧性范畴 静载荷下抵抗裂纹扩展的性能 冲击韧性 是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力 46 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 泊松比等 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 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 47 2 弹性模量E与泊松比 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 泊松比 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 温度对短时静载试验结果的影响 由图可见 s随温度升高而下降 超过400 时 低碳钢的 s就测不出来了 b在250一350 以前虽有所升高 但以后则迅速下降 所以低碳钢超过400 就不能使用了 弹性模量E也是随着温度升高而下降 在260 以前随着温度的升高 延伸率和横截面收缩率减少 但过了260 反而增加 260 以前的这种特征 并不是所有钢材都如此 有些钢的强度极限从一开始就是随温度的升高而降低 材料在使用时需注意 高温蠕变现象低温冷脆现象化工设备中使用的低碳钢和低合金钢都有明显的冷脆现象 而不锈钢和铜 铝等则无此现象 3 密度单位体积内的质量 如要求质量轻和惯性小的零件 均采用密度小的铝合金制造 4 熔点熔点是金属或合金从固态向液态转变时的温度 熔点高的金属材料可以用来制造耐高温零件 5 导热性金属传导热量的能力称为导热性 一般说 金属纯度越高 其导热能力就越大 制造散热器 热交换器与活塞等零件时 常选用导热性好的金属 6 导电性金属传导电流的性能 纯金属的导电性比合金好 常用纯铜 纯铝做导电材料 用导电性差的铜合金和铝合金作电热元件 7 磁性金属在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的能力 铁磁性材料 在外加磁场中 能被强烈磁化到很大程度 顺磁性材料 在外加磁场中呈现十分微弱的磁性 抗磁性材料 能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料 铁磁性材料可用于制造变压器 电动机 测量仪表等 抗磁性材料则可用作要求避免磁场干扰的零件和结构材料 54 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 热加工 如热卷 锻造 焊接 热处理 热冲压 铸造等等 56 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 加工性能 57 看容器加工工艺 制造压力容器的材料须具备什麽性能 卷筒 焊后矫圆 压制封头 煨制弯管 组对与焊接 钢板校平 1 3金属材料的分类及牌号 一 分类 钢的分类 60 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 61 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 62 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 2020 2 19 63 1 4碳钢与铸铁 铁碳合金 由95 以上铁和0 05 4 碳及1 左右杂质元素所组成合金一般含C量 质量分数 0 02 2 称为钢 2 称为铸铁 当含C量 0 02 时称纯铁 工业纯铁 含C量大于4 3 的铸铁极脆 2020 2 19 64 一 铁碳合金的组织结构 1 金属的组织与结构在金相显微镜下看到的金属的晶粒 简称组织 65 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 体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好 而后者的强度高于前者 立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子 立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子 2020 2 19 66 铸铁中的 C 以石墨形式存在 有不同的组织形貌 球墨铸铁强度最高 细片状石墨次之 粗片状石墨最差 2020 2 19 67 2 纯铁的同素异构转变 a Fe加热可变为g Fe 反之高温下的g Fe冷却可变为a Fe 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 2020 2 19 68 3 碳钢的基本组织 C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 三种不同的存在形式 形成了不同的碳钢组织 69 组元 纯铁 Fe3C 基本组织 单相组织 F A Fe3C莱氏体Ld A Fe3C 在共晶点上得到 塑性韧性很差 是硬而脆的组织珠光体P F Fe3C 在共析点上得到 具有良好的力学性能 2020 2 19 70 1 铁素体 ferrite C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 硬度低 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 2020 2 19 71 2 奥氏体 Austenite C溶解在g Fe铁中形成固溶体称奥氏体 g Fe原子间隙较大 C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 由于奥氏体有较大的溶解度 故塑性 韧性较好 且无磁性 2020 2 19 72 3 渗碳体 Cementite 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 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C量大于2 时 部分C以石墨形式存在 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 2020 2 19 73 4 珠光体 Pearite 铁素体与渗碳体的机械混合物 F Fe3C 用符号P表示 力学性能介于铁素体和渗碳体之间 综合了铁素体和渗碳体优点 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 其组织为层片状结构 其综合力学性能好 2020 2 19 74 5 莱氏体 Ledeburite 莱氏体是由A Fe3C组成的一种机械混合物 用符号Ld表示 其组织结构为渗碳体基体上分布的奥氏体 主要体现了渗碳体特点 硬度很高 塑性极差 几乎为零 是一种较粗而硬的金相组织 存在于白口铸铁 高碳钢中 2020 2 19 75 6 马氏体 白色 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 2020 2 19 76 铁碳合金状态图 77 1 常存杂质元素对钢材性能的影响硫 磷 锰 硅 氧 氮 氢 1 硫S有害元素 FeS和Fe形成低熔点 985 化合物 钢材热加工1150 1200 进行轧制或锻造时 过早熔化而导致工件开裂 称 热脆 高级优质钢 S 0 02 0 03 优质钢 S 0 03 0 045 普通钢 S 0 055 0 7 以下 如何消除此恶劣影响 四 碳钢 2020 2 19 78 2 磷P 有害元素 形成Fe3P虽能使强度 硬度增高 但塑性 冲击韧性显著降低 特别是在室温 100 时 使钢材显著变脆 称 冷脆 使冷加工及焊接性变坏 P 0 04 高级优质钢 P 0 025 优质钢 P 0 04 普通钢 P 0 085 有什么好处 易切削 79 3 锰Mn 炼钢时的脱氧剂 有益元素 MnS 熔点1600 部分消除硫的有害作用 与S亲合 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 25 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 2020 2 19 80 4 硅Si 脱氧剂 有益的元素 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 17 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 2020 2 19 81 5 氧O 有害元素 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 2020 2 19 82 6 氮N 长时间放置或在200 300 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 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 2020 2 19 83 7 氢H 氢脆 白点等缺陷 变脆 氢化物变形小白点 组织缺陷处扩散氢 时间长 84 2 碳钢的分类 牌号 1 普通碳钢含P S等有害杂质较多 S 0 055 P 0 045 常用有 Q215 A Q235 A Q235 A F Q235 B Q235 C Q275 参见表1 6 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 85 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 86 五 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 热处理工艺曲线 金属材料中的金相组织发生变化 87 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30 50 容器焊缝处产生内应力吗 88 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 89 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 150 250 中温回火 300 450 高温回火 500 680 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 90 2 化学热处理 将零件放在化学介质中进行加热 保温 冷却的过程 使零件表面改性 方式 渗碳 渗氮 渗铬 氰化等 91 六 铸铁 铁 2 5 4 0 碳 Si Mn P S等杂质铸铁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 某些介质中耐腐蚀性好 用来制作机床的床身 压缩机机身如何 92 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 在强度 塑性和韧性方面大大超过灰铸铁 甚至接近钢材 可制作重要轴类 93 45号钢 球墨铸铁 灰铸铁的机械性能比较 94 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 见书表1 15 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 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 1 5合金钢及特殊性能钢 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 分类与编号按合金元素总含量分 合金含量10 高合金钢 按用途分 合金结构钢调质结构钢 表面硬化钢低碳马氏体钢 非调质结构钢合金工具钢特殊性能钢不锈钢和耐热钢等 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35 或0 35 含Cr Mo在1 左右 牌号命名 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 除个别微合金元素外 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 专门用途的合金结构钢 钢号冠以 或后缀 代表该钢种用途的符号 例如铆螺专用的30CrMnSi钢 钢号表示为ML30CrMnSi 1 合金元素对钢的影响 目前常用的合金元素 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 99 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 2020 2 19 101 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 102 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 103 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 2020 2 19 104 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 105 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 25 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 2低合金钢 106 碳素钢与低合金钢比较 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 碳素钢与低合金钢比较 3 常用材料形式 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 350MPa强度级 典型牌号为16Mn 400MPa强度级 典型钢号为14MnMoV500MPa强度级 典型12MnNiCrMoVCu 109 一 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 110 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 87 111 二 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铁素体不锈钢 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 112 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 113 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 114 2奥氏体不锈钢 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 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 115 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400 850 期间 碳生成Cr23C6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 10MnPNbRE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 防止晶间腐蚀的方法 1 降低含碳量 0 06 时不易产生 0 03 时可靠地克服 超低碳不锈钢 如00Cr19Nil0 2 稳定碳原子 加入Ti Nb V Mo稳定剂 广泛用 0Cr18Nil0Ti 0Cr18NillNb 3 形成双相组织 加入铁素体促成元素Ti Al Si Mo 铁素体含铬高 补充快 5 以内 阻断腐蚀通路 4 控制热规范 快速加热和冷却 或非常缓慢 5 补充热处理稳定化退火 免疫处理 850度保温2小时 充分扩散高温淬火水冷 固熔 1100度左右加热后淬火 单相奥氏体 加入Mo提高对氯离子Cl 的耐蚀能力 lCr18Nil2Mo3Ti 同时加入Mo Cu 则在室温 浓度为50 以下的硫酸中也具有较高的耐蚀性 也可提高在低浓度盐酸中的抗腐蚀性 0Cr18Nil8Mo2Cu2Ti 118 三 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650 800 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 300 350 即需选用耐热钢 一般耐热钢工作温度都在700 以下 700 1000 用高温合金 119 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 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 热强钢 抗蠕变 有一定抗氧化能力 12CrMo Cr5Mo 1Cr18Ni9Ti Cr25Ni20等 120 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 高温合金 铁基合金 镍基合金 钴基合金 铁基耐热合金工作温度 700 含有相当高的Cr Ni成分和其他强化元素 镍基耐热合金是目前在700 900 使用最广泛的一种高温合金 这类合金的Ni含量通常在50 以上 钴基耐热合金的高温强度主要靠固溶强化获得 钴价格昂贵 应用受到很大的限制 一般在1000 以上才用 四 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 09Mn2V 70 06MnNb 90 124 五 钢材的品种和规格 1钢板 P320附录十 2钢管 P306附录七 无缝钢管表示法 如f219 10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 125 3型钢 圆钢方钢扁钢等边角钢不等边角钢工字钢槽钢 126 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 1 6有色金属材料 128 1 6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 129 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 130 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 用途 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 变形纯铜的牌号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 132 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 常用的黄铜牌号有H80 H68 H62等H80大气 淡水及海水中有较高耐腐蚀性 加工性能优良 可作薄壁管和波纹管 H68塑性好 可在常温下冲压H62在室温下塑性较差 但机械强度较高 易焊接 价格低廉 可做深冷设备的筒体 管板 法兰及螺母等 锡黄铜HSn70 l含有1 的锡 能提高在海水中的耐蚀性 称海军黄铜 134 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 锡青铜典型牌号ZQSn10 1 有高强度和硬度 能承受冲击载荷 耐磨性很好 具有优良的铸造性 比纯铜耐腐蚀 镍的质量分数含量低于50 的铜镍合金称为简单 普通 白铜 再加入锰 铁 锌或铝等元素的白铜称为复杂 特殊 白铜 4 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 136 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 钛的密度 4 507g cm3 工业纯钛牌号有TA0 TA2 TA3 编号愈大 杂质含量愈多 2020 2 19 137 四 镍及其合金 高强度和塑性 好的延伸性和可锻性 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 2020 2 19 138 五 铅及其合金 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 硬铅的主要牌号为PbSb4 PbSb6 PbSb8和PbSb10 2020 2 19 139 铅和硬铅在硫酸 化肥 化纤 农药 电器设备中可用来做加料管 鼓泡器 耐酸泵和阀门等零件 铅耐辐射 可用作X g射线的防护材料 铅合金的自润性 磨合性和减振性好 噪音小 是良好的轴承合金 铅合金还用于铅蓄电池极板 铸铁管口 电缆封头的铅封等 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20 30年来发展的复合材料 玻璃钢 不透性石墨等 141 1 7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 142 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 143 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 144 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 145 常用工程塑料 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 二 有机非金属材料 146 1 硬聚氯乙烯 PVC 塑料使用温度为 10 55 当温度在60 90 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 147 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 200 250 148 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 149 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 150 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 151 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 如氯碱生产中应用的换热器和盐酸合成炉 1 腐蚀定义 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 1 8化工设备的腐蚀及防腐措施 153 1 8化工设备的腐蚀及防腐措施 一 金属的腐蚀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 154 1 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 155 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 156 脱碳反应 Fe3C O2 3Fe CO2Fe3C CO2 3Fe COFe3C H2O 3Fe CO H2 温度 700 时 脱碳作用 力学性能下降 157 2 氢腐蚀 铁碳合金发生氢腐蚀的开始温度和压力 第一阶段 氢脆 以原子状态侵入钢材内部 聚集 使钢变脆 与氢在钢中的溶解度成正比 158 第二阶段 氢侵蚀 发生化学反应 Fe3C 2H2 3Fe