第8章 化工设备材料及其选择.ppt

1 第二篇材料与焊接 第8章化工设备材料 8 1概述根据物料和工作条件选材 原则 适用 满足要求 充足的货源 安全 在预定寿命范围内有足够的强度 塑性和韧性 经济合理 2 8 2材料的性能 力学性能物理性能化学性能加工性能 3 一 力学性能 材料的力学性能 材料在外力 或外加能量 的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 特征指标 强度 塑性 硬度 弹性 韧性等 4 1 强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性 屈服 加在材料上的载荷稳定时 材料继续变形的现象 屈服点 发生屈服现象时的最小应力 常用单位 MPa 符号 s 0 2 产生0 2 残余伸长时的应力 P 力 F 面积抗拉强度 材料在拉伸条件下 发生断裂时的最大应力 符号 b 单位 MPa屈强比 s b 5 蠕变 材料在一定的温度和应力作用下产生缓慢塑性变形的现象 即应变随着时间的增加而增加 蠕变极限 材料在一定温度下抵抗缓慢塑性变形发生的能力 符号 n 单位 MPa 表示 在工作温度下达到规定变形速度 v 1 10 5mm mm h 的应力值或在工作温度下 规定时间内发生规定的变形量的应力值 10万h 1 的变形量 疲劳极限 1 在交变载荷下循环试验106 108次不发生断裂的最大应力 要点 时间 很短 很长 应力 最大 最小 形变量 规定量 断裂 6 2 塑性材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 延伸率 断面收缩率 冷弯角 120 180 是否出现裂纹 化工设备材料一般要求 5 10 20 L d 5 7 3 硬度 局部抵抗能力在外力作用下 材料抵抗局部变形 塑性变形 压痕 划痕 的能力 测量方法 压入硬度 测定一定的压力 F 和规定的压头所形成的压痕深度或面积 布氏硬度 HBS 钢球 650 其他 维氏硬度 HV 和肖氏硬度 HS 反映材料弹性 强度与塑性的综合性能指标 8 4 冲击韧性 冲击韧度 k 使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积低温容器所用钢板 k值不得低于30J cm2 9 二 物理性能 比热容 c 熔点 tm 密度 r 线膨胀系数 l 导电性 热导率 磁性弹性模量 E 应力与应变比泊松比 0 3 横收与纵伸比 10 三 化学性能 1 耐腐蚀性金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力2 抗氧化性高温氧化 降低表面硬度和抗疲劳强度 选耐热材料 11 四 加工工艺性能 1 可铸性 收缩与偏析2 可锻性3 焊接性4 可切削加工性 8 3碳钢与铸铁 13 1 4碳钢与铸铁 铁碳合金 由铁 95 和碳 0 05 4 及杂质 1 所组成合金钢 含碳量0 02 2 铸铁 含碳量大于2 纯铁 工业纯铁 含碳量小于0 02 含碳量大于4 3 的铸铁极脆 14 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 15 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 16 铸铁 碳以石墨形式存在 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 17 2 纯铁的同素异构转变 Fe 体心立方晶格的纯铁称 Fe 面心立方晶格的铁称为 Fe加热变为 Fe 高温下的 Fe冷却变为 Fe 同素异构转变 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象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 18 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 这三种不同的存在形式 形成了不同的碳钢组织 19 1 铁素体 碳溶解在 Fe中形成固溶体称铁素体 F 2 奥氏体 碳溶解在 Fe铁中形成固溶体称奥氏体 A 3 渗碳体 碳和铁形成一种化合物 Fe3C 4 珠光体 P 铁素体与渗碳体的机械混合物 5 莱氏体 L 珠光体和初次渗碳体的共晶混合物 6 马氏体 M 碳原子在a Fe中过饱和的固溶体 20 二铁碳合金状态图 21 三 碳钢 1 常存杂质元素对钢材性能的影响 1 硫 有害元素 2 磷 有害元素 3 锰 脱氧剂 有益元素 4 硅 脱氧剂 有益的元素 5 氧 有害元素 6 氮 硬度 强度提高 易析出 固氮处理可消除时效倾向 7 氢 氢脆 白点等缺陷 22 2 分类与编号 按用途 建筑及工程用钢 结构钢 弹簧钢 轴承钢 工具钢和特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 按含碳量 低碳钢 中碳钢和高碳钢按脱氧方式 镇静钢和沸腾钢按品质 普通钢 优质钢和高级优质钢 23 1 普通碳素钢 Q235 A 屈服强度数值 MPa 质量等级A B C D 脱氧方法为F b Z TZ 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 24 2 优质碳素钢 S 0 03 0 045 P 0 04 08 10 15 20 25 30 35 40 45 50 80等 平均含碳量的万分之几 45号钢中含碳量平均为0 45 0 42 0 50 45Mn 锰含量较高的优质非合金钢 25 优质低碳钢 含C 0 25 如08 10 15 20 25 塑性好 焊接性能好 壳体 接管 优质中碳钢 含C量0 3 0 60 如30 35 40 45 50与55 45号钢搅拌轴优质高碳钢 含C 0 6 如60 65 70 80 60 65钢主要用来制造弹簧 70 80钢用来制造钢丝绳等 26 3 高级优质钢 S 0 02 0 03 P 0 025 均 0 03 它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字 如20A 27 3 碳钢的品种及规格 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 4mm 6mm厚度间隔为0 5mm6mm 30mm厚度间隔为lmm30mm 60mm厚度间隔为2mm一般碳素钢板材有Q235 A Q235 A F 08 10 15 20等 28 2 钢管 无缝钢管和有缝钢管 无缝钢管有冷轧和热轧 普通无缝钢管常用材料有10 15 20等 专门用途的无缝钢管 如热交换器用钢管 石油裂化用无缝管 锅炉用无缝管等 有缝管 水煤气管 分镀锌 白铁管 和不镀锌 黑铁管 两种 29 3 型钢 有圆钢 方钢 扁钢 角钢 等边与不等边 工字钢和槽钢 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 30 4 铸钢和锻钢 铸钢用ZG表示 ZG25 ZG35等 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 锻钢有08 10 15 50等牌号 石油化工容器用20 25等制作管板 法兰 顶盖等 31 四 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 32 1 退火和正火 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 正火是置于空气中冷却 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 33 2 淬火和回火 加热至淬火温度 临界点以上30 50 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 34 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150 250 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 35 中温回火温度是300 450 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500 680 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 36 时效热处理 材料经固溶处理或冷塑变形后 在室温或高于室温条件下 其组织和性能随时间而变化的过程 时效可进一步消除内应力 稳定零件尺寸 它与回火作用相类似 37 3 表面淬火 使零件表面层比心部具有更高的强度 硬度 耐磨性和疲劳强度 而心部则具有一定的韧性 38 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 39 五 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 40 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sb值表示 如HT100 其中100表示sb 100MPa 常用灰铸铁牌号有HT100 HT150 HT200 HT250 HT300 HT350 41 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sb 400MPa 18表示d 18 42 3 高硅铸铁 有高的耐蚀性能 含硅量增加耐蚀性增加 强度低 脆性大及内应力大 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 否则容易产生裂纹 常用于各种耐酸泵 冷却排管和热交换器牌号有 STSi11Cu2CrR STSi15R STSi15Mo3R等 43 8 4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 一 分类与编号按合金元素总含量分 合金含量10 高合金钢 44 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 45 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 二 合金元素对钢的影响 1 铬 提高耐腐蚀性能和抗氧化性能 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 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 47 5 铝 提高冲击韧性 抗氧化性和耐热性 6 钼 提高高温强度 硬度 抗氢腐蚀 7 钒 于固溶体中提高高温强度 8 钛 可提高强度 韧性 耐热性 9 稀土元素 48 低合金钢及化工设备用特种钢 碳含量通常小于0 25 有较高的屈服强度 300 1000MPa 和屈强比 ss sb 0 65 0 95 较好的冷热加工性能 良好的焊接性能 较低的冷脆倾向以及较好的抗大气 海水等腐蚀能力 49 低合金高强度钢按性能和用途分类 高强度钢 低温钢和耐蚀钢1 高强度钢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用于船舶 车轴 压力容器 锅炉 输送管线等的焊接结构件 50 2 低温钢主要有09Mn2V 70 06MnNb 90 3 耐蚀钢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 51 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 52 四 专业用钢 锅炉用钢 压力容器用钢 焊接气瓶用钢等 在钢号后面分别加注g R或HP等 如20g 16MnR和15MnVHP等 质地均匀 杂质含量低 能满足某些力学性能的特殊检验项目要求 53 五 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢和高温合金及低温用钢1 不锈钢不锈钢和耐酸钢的统称 也称不锈耐酸钢不锈钢 耐空气 蒸汽和水等弱腐蚀介质耐酸钢 耐酸 碱 盐等强烈腐蚀性介质 54 通常按钢的金相组织分为铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢 奥氏体 铁素体双相不锈钢和马氏体不锈钢等 55 2 耐热钢和高温合金 例如石油化工的乙烯裂解 氨的合成等 温度往往达到1000 以上 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 56 3 低温用钢 深冷分离 空气分离等 温度 20 目前国外低温设备用的钢材主要是以高铬镍钢为主 也有使用镍钢 铜和铝等 我国无铬镍的低温钢材系列 16MnDR 07MnNiCrMoVDR 15MnNiDR 09Mn2VDR 09MnNiDR 8 5有色金属材料 58 一 铝及其合金 1 变形铝合金 1 工业纯铝 2 防锈铝 强度比纯铝高2 铸造铝合金用来铸造管件 泵 阀门 汽缸 活塞 59 二 铜及其合金 半贵重金属1 纯铜 紫铜 2 铜合金黄铜 铜与锌的合金称黄铜白铜 镍的质量分数含量低于50 的铜镍合金青铜 其它合金 锡青铜 无锡青铜 60 三 钛及其合金钛的密度小 4 507g cm3 强度高 耐腐蚀性好 熔点高 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 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 8 6非金属材料 62 一 无机非金属材料 1 化工陶瓷 耐腐蚀性 热性和高强度 导热性差 热膨胀系数较大 2 化工搪瓷 具有优良的耐腐蚀性能 力学性能和电绝缘性能 但易碎裂 3 辉绿岩铸石 对各种酸 碱 盐都具有良好的耐腐蚀性能 除氢氟酸和熔融碱 4 玻璃 硼玻璃 耐热玻璃 或高铝玻璃 63 1 工程塑料 高分子合成树脂加入添加剂 1 硬聚氯乙烯 PVC 塑料 2 聚乙烯 PE 塑料 3 耐酸酚醛塑料 PF 4 聚四氟乙烯 PTFE 塑料 塑料王 5 玻璃钢 玻璃纤维增强塑料 2 涂料3 不透性石墨 树脂浸渍石墨消除孔隙 二 有机非金属材料 64 8 7化工设备的腐蚀及防腐措施 金属的腐蚀 化学腐蚀 高温氧化 钢的脱碳 氢脆 氢腐蚀电化学腐蚀 腐蚀原电池 浓差极化 65 金属腐蚀形式与防护 腐蚀形式均匀腐蚀局部腐蚀 点腐蚀 晶间腐蚀 表面下腐蚀腐蚀防护保护层保护电化学保护腐蚀介质处理 66 8 8化工设备材料选择 从设备结构 制造工艺 使用条件和寿命等方面考虑 而且还要从设备工作条件下材料的物理性能 力