设备管理_化工设备材料及其选择知识

第1章化工设备材料及其选择 一 化工设备概述 二 材料的机械性能 三 材料的物理化学性能 四 金属材料的分类与牌号 五 碳钢与铸铁 六 特种钢 有色金属与非金属 七 化工设备防腐及防腐措施 八 化工设备选材的原则 一 化工设备概述 按压力分类 1 设备的分类 内压容器 低压容器 L 0 1 P 1 6MPa 中压容器 M 1 6 P 10MPa 高压容器 H 10 P 100MPa 超高压容器 U P 100MPa 外压容器 容器 按温度分类 容器 高温容器 高温容器指在壁温达到材料蠕变温度下工作的容器 对碳素钢或低合金钢容器 温度超过420 合金钢超过450 奥氏体不锈钢超过550 常温容器 20 200 中温容器 温度介于高温与常温之间的容器 低温容器 浅冷容器 40 t 20 深冷容器 t 40 有足够的力学性能 具有良好的加工性能 具有良好的耐腐蚀性能 经济合算 其它各种性能符合设计要求 2 设备选材的基本要求 基本概念 应力 Stress 应力定义为 单位面积上所承受的力 按照载荷 Load 作用的形式不同 应力又可以分为拉伸压缩应力 弯曲应力和扭转应力 当材料在外力作用下不能产生位移时 它的几何形状和尺寸将发生变化 这种形变称为应变 Strain 二 材料的机械性能 硬度 屈服点 强度 机械性能 塑性 韧性 抗拉强度 蠕变强度 持久强度 疲劳强度 延伸率 断面收缩率 冷弯性能 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 冲击韧性 应力 应力定义为 单位面积上所承受的力 按照载荷 Load 作用的形式不同 应力又可以分为拉伸压缩应力 弯曲应力和扭转应力 1 强度 定义 在外力作用下抵抗变形和断裂的能力 材料的应力应变曲线 脆性断裂 韧性断裂 在外力不再增加 仍发生明显塑性变形 这个现象称为材料达到了屈服点 屈服点 开始出现屈服现象时相对应的应力 MPa 金属或合金一般很少有明显的屈服现象 而高分子材料一般具有明显的屈服现象 条件屈服点 发生0 2 残余伸长时的应力 在教材P302 308可以查到常用金属材料的屈服点数据 1 1屈服点 影响屈服点大小的因素 内在因素外在因素 结合键组织结构原子本性 温度 温度升高 屈服点下降应变速率 应变速率升高 屈服点升高应力状态 材料发生断裂时所能达到的最大应力值 抗压 抗弯 抗剪 屈强比 反映了材料塑性贮备的一个指标由于一般 屈强比一般小于1 屈强比越大 屈服点与抗拉强度愈接近 塑性储备越小 这时有可能发生脆性断裂 这类材料如木棒 屈强比越小 屈服点愈小于抗拉强度 这时塑性储备愈大 但材料的强度往往得不到充分的发挥 这类材料如竹条 因此 在工程上希望所选用的材料具有合适的屈强比 1 2抗拉强度 蠕变 在一定应力下 应变随时间而增加的现象 发生蠕变现象往往需要很长的时间 如古罗马教堂的玻璃 蠕变强度 材料抵抗蠕变现象发生的能力 有两种表达蠕变强度的方法 1 3蠕变强度 达到某一蠕变速度的应力值 达到某一总变形的应力值 oa段 材料在温度t下承受拉应力时所产生的起始伸长率 不计入蠕变 ab段 减速蠕变阶段 bc段 恒速蠕变阶段 cd段 加速蠕变阶段 对于高聚物 蠕变有非常经典而完整的数学模型 可参考 高分子物理 在给定温度下 促使材料经过一定时间发生断裂的应力叫做持久强度 在化工容器用钢中 设备的设计寿命一般为十万小时 持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力 在相同的条件下 能支持的时间越久 则该材料抵抗断裂的能力也越大 1 4持久强度 很多构件经常受到大小及方向变化的交变载荷 这种交变载荷使金属材料在应力还远低于屈服点时就发生断裂 这种现象称为 疲劳 金属在无数次交变载荷作用下 而不致引起断裂的最大应力 称为 疲劳极限 实际上不可能进行无数次试验 一般以106 108次循环试验作为疲劳强度 影响金属疲劳强度的因素主要有 合金成分 表面状态 组织结构 夹杂物的多少与分布状况 应力集中情况 1 5疲劳强度 试样受力拉断后 总伸长的长度与原始长度之比的百分率 2 塑性 定义 在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力 2 1延伸率 延伸率愈大 材料的塑性愈好 由于试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长 故延伸率与试样尺寸有关 试样受力拉断后 断面缩小的面积与原始截面面积之比的百分率 2 2断面收缩率 断面收缩率愈大 塑性愈好 由于断面收缩率与材料尺寸无关 故它能更加可靠地反映出材料塑性的变化 延伸率与断面收缩率的关系 若只有均匀伸长 由于变形前后总体积保持不变 或 若发生缩颈 延伸率与断面收缩率之间难以确定明确的数学关系 2 3冷弯性能 b 2a d 1 5a 用弯心直径等于1 5a的弯心将试样弯曲180o 不得出现裂纹 裂缝为合格 硬度不是一个单纯的物理量 而是反映材料弹性 强度 塑性和韧性等的一个综合性能指标 常用的硬度测量方法都是用一定的载荷 压力 把一定的压头压入金属表面 然后测定压痕的面积或深度 当压头和压力一定时 压痕面积愈大或愈深 硬度就愈低 根据压头和压力的不同 常用的硬度指标可分为布氏硬度 洛氏硬度和维氏硬度 3 硬度 定义 材料抵抗其它更硬物压入表面的能力 3 1布氏硬度HB 始于1900年 历史悠久 由于测量压痕深度t困难 因此一般测压痕直径d 测量布氏硬度时 P与D是有规定的 为了保证用大球与小球测得的HB相同 就必须要求二者的压入角相等 这就是确定P D规定条件的依据 为了使压入角一定 必须P D2为一常数 例如 P D2 300 测量HB时P与D的规定 优点 布氏硬度的特点 因为其压痕面积大 能反映材料的综合性能指标 因而代表性全面 试验数据稳定 比较准确 用途很广 试验数据可以从小达到统一起来 用大球与小球测得的数据具有可比性 缺点 钢球本身变形问题 因压痕大 可能使薄件材料受到破坏 因此不宜用于薄件试验 压头分为两种 3 2洛氏硬度HR 始于1919年 硬质压头 顶角为120o的金刚石圆锥体 适用于钢材 软质压头 直径为1 5875mm 3 175mm的钢球 适用于有色金属 优点 不存在压头变形问题 两种压头适用于不同的材料 压痕小 不伤工件表面 操作迅速 效率高 缺点 不同硬度级测得的硬度数据不能从小到大统一起来 原理类似于布氏硬度 而压头为锥面夹角为136o的四方角锥体 由金刚石制成 3 3维氏硬度HV 始于1925年 优点 因为四方角锥压头 当负荷改变时 压入角不变 因此负荷可以任意选择 最大优点 通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的硬度值完全相等 试验数据可以从小到大统一起来 精度极高 缺点 效率较低 其中 d为压痕对角线长度 4 冲击韧性 缺口形状 试样的缺口应背向摆锤刀口 缺口形状 梅氏 夏氏 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的及时和迅速塑性变形的能力 韧性高 塑性较好 但塑性好 韧性不一定高 三 材料的物理化学性能 弹性模量E 金属材料抵抗弹性变形的指标 温度升高 弹性模量E降低 泊桑比 定义 拉伸试验中试样单位横向收缩与单位纵向伸长之比 对于各种钢材 泊桑比近乎于一个常数 0 3 耐腐蚀性能 四 金属材料的分类与牌号 1 金属的分类 黑色金属 有色金属 生铁 钢 铜及其合金 铝及其合金 钛及其合金 锌及其合金 纯铜 黄铜 铜锡合金 无锡合金 2 钢铁牌号及表示方法 2 1牌号表示方法 2 2钢号表示方法 Q235 A F 2 3铸铁 铸钢牌号表示方法 碳钢和铸铁都是由95 以上的铁和0 05 4 的碳及1 左右的杂质元素组成的 因此又称为 铁碳合金 五 碳钢与铸铁 实际上 金属强度远远低于由金属离子键能计算出来的理论强度 为什么 晶界处的机械性能比晶粒差 为什么 由于晶体往往存在晶体缺陷 晶界处于案子排列不整齐 1 铁碳合金的组织结构 1 1金属的晶体结构 同素异构转变是固态铁原子重新排列的过程 也是一种结晶过程 居里温度 金属由有磁性变为无磁性的温度 1 3纯铁的同素异构转变 1 碳溶解在铁的晶格中形成固溶体 1 4铁碳合金的基本组织 铁素体 碳溶解在 Fe中形成的固溶体 0 006 强度硬度低 韧性塑性好 奥氏体 碳溶解在 Fe中形成的固溶体 最多2 06 强度硬度高 韧性好 塑性低 无磁性 只有在t 723 时 奥氏体才存在 马氏体 钢铁从高温奥氏体状态急淬下来的固溶体 硬度高 但很脆 不稳定 2 碳与铁形成化合物 渗碳体Fe3C 又脆又硬 熔点高 当碳含量大于2 时 部分碳以游离的形式存在于铁碳合金中 即为铸铁 渗碳体在一定条件下可分解成铁与碳 但这种游离的碳是以石墨的形式存在的 对强度影响极大 3 碳与铁形成混合物 珠光体 铁素体 88 和渗碳体 12 组成 平均含碳量为0 8 性能介于铁素体与渗碳体之间 莱氏体 珠光体与初次渗碳体组成 是一种较粗而硬的组织 1 5铁碳合金状态图 亚共析钢 过共析钢 铁的熔点 Fe Fe 共晶白口铁 含碳量 百分含量 1 6碳含量对碳钢机械性能的影响 对碳钢性能有利的元素 2 杂质元素对碳钢性能的影响 锰 Mn 弱氧化剂 有脱氧和减轻硫的有害作用 硅 Si 有利于脱氧 绝大多数金属元素 如钛 铬 镍等 对碳钢性能有害的元素 硫 S 热脆性 磷 P 冷脆性 氧 O 降低钢的机械性能 氮 N 时效现象 使钢的塑性降低 氢 H 氢腐蚀 一般而言 金属元素的存在有利 非金属元素存在不利 退火与正火 3 钢的热处理 退火 把工件加热到临界点以上的一定温度 保温一段时间 然后随炉一起缓慢冷却下来 正火 将加热后的工件从炉中取出 置于空气中冷却 退火与正火 可降低硬度 提高塑性 调整组织 部分改善机械性能 使组织均匀化 消除部分内应力 正火烧出来的粒子更细 钢铁在固态下通过加热 保温和不同的冷却方式 以改变其组织 满足不同要求的物理 化学和机械性能 淬火与回火 淬火 将钢加热到淬火温度 临界点以上30 50 并保温一定时间 然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺 可提高硬度 强度和耐磨性 回火 在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺 可降低或消除淬火后的内应力 使组织趋于稳定 并获得技术上所需要的性能 4 铸铁 低合金钢如15MnTi锅炉钢如20g容器钢如20R不锈耐酸钢 如0Cr13 1Cr18Ni9耐热钢如Cr25Ti 12CrMo耐低温钢如15Mn26Al4 六 特种钢 有色金属 非金属材料 1 特种钢 铝及其合金 其钝化性可用来制造浓硫酸设备 铜及其合金 纯铜 黄铜 青铜 紫铜 铅及其合金钛及其合金 还可用于航空与医疗 2 有色金属 热塑性材料与热固性材料PVCPE HDPE LDPEPMMAPTFE 3 非金属材料 据报道 由于腐蚀每年报废的金属设备与材料约相当于金属年产量的三分之一 钢材价格日益上扬 目前Q235A的价格为3700元 吨 在化学工业中 由于设备腐蚀而造成的生产事故也时有发生 七 化工设备腐蚀与防腐 1 金属腐蚀的评定方法 一般只应用于均匀腐蚀 1 根据重量变化来评定金属的腐蚀 2 根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀 金属与介质之间单纯由化学变化所引起的腐蚀 无电流产生 钝化作用活化作用 2 金属腐蚀的分类 2 1化学腐蚀 2 1 1金属的高温氧化及脱碳 防止办法 可添加适量的合金元素如铬 硅 铝等 2 1 2氢腐蚀 在较低的温度和压力下 氢气一般对普通碳钢不会有明显的腐蚀 但在高温高压下则能使材料的机械性能和塑性发生显著下降 在合成氨工业中 就需要特别注意氢腐蚀现象的发生 氢腐蚀分为两个阶段 氢脆阶段 氢气直接被钢材吸附 并以原子状态向钢材内部扩散 溶解在铁素体中形成固溶体 此时并未发生化学变化 但是钢材显著变脆 塑性减少 氢侵蚀阶段 这时氢气与渗碳体发生化学反应 这一化学反应常发生在晶界处 生成的甲烷气聚集在晶界原有的微观孔隙中 形成局部高压 引起应力集中 使晶界变宽 发生更大的裂纹 或在钢材表层夹杂等缺陷中形成鼓泡 使机械性能降低 防止办法 降低钢中的碳含量 使其没有渗碳体的析出 添加合金元素 如铬 钛 钼 钨 钒等 形成稳定的碳化物 2 2电化学腐蚀 电化学腐蚀 有电流产生 电化学腐蚀发生的三个必要条件 阳极过程阴极过程电子流动 3 金属腐蚀破坏的形式 两种相互接触的不同金属浸在腐蚀介质中 由于存在电位差 其中电位较低的金属往往会受到腐蚀 防止办法 可将处于腐蚀介质中的不同金属连接用绝缘材料隔开 4 几种特殊的腐蚀形式 1 电偶腐蚀 双金属腐蚀 避免电偶腐蚀的例子 金属在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的破裂 这里所说的拉应力 其来源可以是残余内应力 也可以是构件在使用过程中所承受的各种应力 压应力不会产生应力腐蚀 使材料发生应力腐蚀的介质不是一般的介质 而是特定的介质 2 应力腐蚀 防止应力腐蚀的办法 合理选材 控制应力 减弱介质的浸蚀性 消除残余应力 避免应力集中 金属部件在介质中 如若金属与金属或金属与非金属之间存在特别小的缝隙 使缝隙内的介质处于滞留状态 从而引起缝内金属的加速腐蚀 几乎所有的金属和合金都会产生缝隙腐蚀 只是对腐蚀的敏感性有所不同 不锈钢的敏感性比碳钢高 几乎所有的介质都可能产生缝隙腐蚀 其中以充气的含活性阴离子 如氯离子 的中性介质最易发生 3 缝隙腐蚀 应尽量避免形成缝隙 采用焊接比螺栓连接好 罐体不要直接置于多孔性基底上 应加支架或支座 设计的容器要能使液体能完全排净 避免锐角和静滞区 法兰连接垫片尽可能是不吸水的 如聚四氟乙烯材料 防止缝隙腐蚀的方法 在金属表面的局部地区出现向深处发展的腐蚀小孔 这些小孔有的孤立存在 有些则紧凑在一起 看上去像一片粗糙的表面 这种腐蚀形态称为点腐蚀 破坏性大 而且不易发现 易钝化的金属与合金如铝 钛合金 在含有氯离子的介质中很容易发生点腐蚀 点腐蚀通常发生在静滞的液体中 提高流