化工设备机械基础.ppt

2020 3 14 化工设备机械基础FundamentalChemicalProcessEquipment 主讲 谭志伟2008年春 2020 3 14 绪论 化工生产和化工机械化工生产是以流体 气体 液体 粉体 为原料 以化学处理和物理处理为手段 以获得设计规定的产品为目的的工业生产 化工生产过程不仅取决于化学工艺过程 而且与化工机械装备密切相关 化工机械是化工生产得以进行的外部条件 所以先进的化工机械 一方面为化学工艺服务 另一方面又促进化学工艺过程的发展 化工机械通常分为 化工设备和化工机器 2020 3 14 化工设备 绪论 2020 3 14 绪论 2020 3 14 绪论 2020 3 14 化工生产自身的特点 1 生产的连续性强2 生产的条件苛刻介质的腐蚀性强 温度和压力变化大介质大多易燃易爆有毒性生产原理的多样性生产技术含量高 绪论 2020 3 14 本课程主要内容 1 化工设备材料及其选择2 化工容器的设计1 内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计 2 外压圆筒与封头的强度设计 3 容器的零部件 法兰支座开孔补强附件 接口管凸缘人 手孔视镜 3 典型化工设备的机械设计1 换热器 2 塔设备 3 搅拌器 绪论 2020 3 14 本章重点 材料的力学性能及化工设备材料的选择本章难点 材料的性能计划学时 8学时 第1章化工设备材料及其选择 2020 3 14 1 1概述 1 1 1化工设备选材的重要性和复杂性 1 操作条件的限制压力 从高真空到几千大气压 故有强度要求温度 250 2000 材料受冷 热介质 酸碱 腐蚀 易燃 易爆 毒性以及核反应堆中子照射 变脆 2 制造条件的限制设备在制造过程中 要经过各种冷 热加工使它成型 例如下料 卷板 焊接 热处理等 要求材料的加工性能要好 3 材料自身性能的限制 2020 3 14 1 1概述 1 1 2选用材料的一般要求 1 材料品种应符合我国资源和供应情况 2 材质可靠 能保证使用寿命 3 足够的强度 良好的塑性和韧性 对腐蚀性介质能耐腐蚀 4 便于制造加工 焊接性能良好 5 成本低 经济上合算 选材要抓住主要矛盾 遵循适用 安全和经济的原则 2020 3 14 1 2材料的性能 1 2 1 力学性能材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力 叫做材料的力学性能 主要特征指标包括强度 塑性 韧性和硬度 这是设计时选用材料的重要依据 1 强度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 常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等 2020 3 14 1 2材料的性能 金属材料的变形和破坏过程 1 弹性变形阶段 2 弹 塑性变形阶段 3 断裂断裂的两种形式 脆性断裂 断裂之前没有明显塑性变形阶段的 更危险 韧性断裂 经过大量塑性变形之后才发生断裂的 2020 3 14 1 2材料的性能 1 屈服点 s 金属材料承受载荷作用 当载荷不再增加或缓慢增加时 仍继续发生明显的塑性变形 这种现象 习惯上称为 屈服 发生屈服现象时的应力 即开始出现塑性变形时的应力 称为 屈服点 用 s MPa 表示 它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力 载荷不再增加 甚至有所降低时 试件还在继续伸长的最小载荷 N 试件的原始横截面积 m2 2020 3 14 1 2材料的性能 无明显屈服点的材料 工程中规定发生0 2 残余伸长时的应力 作为 条件屈服点 2 抗拉强度 b 金属材料在拉伸条件下 从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值 叫做抗拉强度 2020 3 14 1 2材料的性能 由于外力形式的不同 有抗拉强度 抗压强度 抗弯强度和抗剪强度等 抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标 屈强比 s b 屈强比越小 材料的塑性储备越大 越不容易发生危险的脆性破坏 屈强比越大 材料的强度水平发挥好 但塑性储备越小 3 蠕变极限 n 2020 3 14 1 2材料的性能 高温 比如 碳素钢 420 合金钢 450 一定应力 联合作用下 金属将逐渐产生塑性变形 2020 3 14 1 2材料的性能 蠕变 在高温时 在一定的应力下 应变随时间而增加的现象 或者金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象 蠕变极限 材料在高温条件下抵抗发生缓慢塑性变形的能力 表现为两种 a在工作温度下引起规定变形速度的应力值 b在一定工作温度下 在规定的使用时间内 使试件发生一定量的总变形的应力值 2020 3 14 1 2材料的性能 4 持久强度 D或 105 5 疲劳强度 1 2 塑性塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力 塑性指标是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力 常用的塑性指标是延伸率 和断面收缩率 1 延伸率 2020 3 14 1 2材料的性能 手册中常见的是 10和 5 越大 材料的塑性越好 2 断面收缩率 断面收缩率与尺寸无关 延伸率和断面收缩率越大 表示金属材料的塑性越好 3 冷弯角对焊接工艺试板和产品 必须做冷弯实验 2020 3 14 1 2材料的性能 3 硬度衡量材料软硬的一个指标 一般用 布氏硬度 HBS HBW 较软 洛氏硬度 HRC 较硬 维氏硬度 HV 另有显微硬度 4 冲击韧性韧性是表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力 也就是材料抵抗裂纹扩展的能力 我们常用冲击韧性来表示材料承受动载荷时抗裂纹的能力 用缺口敏感性表示材料承受静载荷时抗裂纹扩展的能力 2020 3 14 1 2材料的性能 1 冲击韧性材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力 用冲击吸收功AK或冲击韧度 K表示 冲击功AK GH1 GH2 冲击韧度 K AK F F为面积 2020 3 14 1 2材料的性能 断裂机理 冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时 它的断裂过程是一个裂纹发生和扩展的过程 在裂纹向前发展的道路中 如果塑性变形能发生在它的前面 就可以制止裂纹的长驱直入 它要继续发展 就需另找途径 这样 就能消耗更多的能量 因此 冲击吸收功的高低 决定于材料有无迅速塑性变形的能力 2020 3 14 1 2材料的性能 2 缺口敏感性在带有一定应力集中的缺口条件下 材料抵抗裂纹扩张的能力 是在静载荷下抵抗裂纹扩张的能力 这一点与冲击韧性不同 两者都属于材料的韧性范畴 也是通过试验方法获得 一般在油压机上进行弯曲试验 测定材料的缺口敏感性 2020 3 14 1 2材料的性能 韧性与塑性 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力 韧性高的材料 一般都有较高的塑性指标 但塑性较高的材料 却不一定都有高的韧性 其所以如此 就是因为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 在材料的力学性能所包括的强度 塑性 韧性 硬度四个指标中 强度和塑性占主导地位 但使用时要考虑温度的变化 2020 3 14 1 2材料的性能 1 2 2物理性能主要有相对密度 熔点 热膨胀性 导热性 导电性 磁性 弹性模数与泊桑比等 1 弹性模数E E 这个比例系数E称为弹性模数 弹性模数是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 材料的弹性模数越大 使它产生一定量的弹性变形的应力也越大 对同一种材料 弹性模数随温度的升高而降低 2 泊桑比 泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比 2020 3 14 1 2材料的性能 对于各种钢材它近乎为一个常数 即 0 3 3 线膨胀系数 l 式中 l 试件原始长度 mm l 试件伸长量 mm t 温度差 2020 3 14 1 2材料的性能 1 2 3化学性能 主要指耐腐蚀性和抗氧化性 1 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质 如大气 水汽 各种电解液侵蚀的抵抗能力 2 抗氧化性 在高温工作条件下 设备不仅有自由氧的氧化腐蚀过程 还有其他气体介质 如水蒸气 CO2 SO2等 的氧化腐蚀作用 2020 3 14 1 2材料的性能 2020 3 14 1 2材料的性能 1 2 4加工工艺性能金属和合金的加工工艺性能是指铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性能等 对于设计压力容器最重要的两个性能是 1 良好的冷热加工性能例A 用钢板卷制筒体 如果不好会发生裂纹 存在事故的隐患 例B 冲压封头 微裂纹或宏观裂纹 都会使以后的生产造成事故 2 良好的焊接性能例 容器焊缝裂纹扩展 易造成事故 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 1 3 1分类1 金属的分类 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 2 钢的分类 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 1 3 2钢铁牌号及表示方法1 牌号表示原则 GB T221 2000 牌号中化学元素用化学符号或汉字表示 如 1铬13或1Cr13 产品用途 治炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则 如 Q235FF 沸腾钢 表1 4 2 钢号表示法目前制造压力容器所用钢材 一般有三大类别 碳钢 合金钢 和特殊性能钢 其中碳钢又分为普通碳素钢与优质碳素结构钢 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 普通碳素结构钢GB700 88规定 其牌号由代表钢材屈服点的字母Q 屈服点的数值 材料质量等级符号和脱氧方法符号四部分组成 如Q235 A F 其钢号和化学成分 力学性能见表1 6 1 7 优质碳素结构钢钢号表示方法如表1 5 其钢号和化学成分见附录2 P297 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 低合金钢及合金结构钢钢号的表示方法有两个标准 GB1591 88 见表1 5GB T1591 94 见表1 9两个标准的对照见表1 10合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素 比如Si Mn Cu Ti V Nb P等 从而提高钢的强度 耐腐蚀性 低温性能 如大型化工容器常用16MnR 15MnVR 15MnTi来代替碳素钢制造容器 可以在保证强度的情况下 使容器壁厚减少 从而节省钢材30 45 左右 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 特殊性能钢钢号表示法见表1 5 特殊性能钢主要指不锈耐酸钢 不锈 指耐大气腐蚀 耐酸 抗酸和其它强腐蚀介质 不锈耐酸钢根据合金元素的不同 分为三个大类 第一类铬不锈钢 常用的 1Cr13 2Cr13 第二类铬镍不锈钢 典型的 18 8 第三类节镍不锈钢 2020 3 14 1 3金属材料的分类及牌号 3 铸铁 铸钢牌号表示法铸铁 GB5612 85铸钢 GB T5613 1995表示方法见表1 11 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 钢和铸铁统称为铁碳合金钢 含碳量为0 02 2 0 铸铁 含碳量大于2 0 纯铁 含碳量小于0 02 1 4 1铁碳合金的组织与结构1 金属的组织与结构晶体 原子按一定规律排列很整齐非晶体 原子排列杂乱无章铁碳合金内部的区别 用金相显微镜来观察 组织 金属的晶粒结构 金属原子的排列金属内部的组织和结构不同 金属材料的性能也不同 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 铁原子在空间排列的方式 面心立方晶格 八个原子构成立方体 在立方体的每一面的中心还有一个原子 塑性好 体心立方晶格 在立方体的体积中心还有一个原子 强度高 密排六方晶格 由12个原子构成简单六方体 且在上下两个六方面的中心各有一个原子 在上 下两个六方面的中间还有三个原子 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2 纯铁的同素异构转变工业纯铁含0 10 0 20 的杂质 凝固点1538 同素异构转变 在固态下晶体结构随温度发生变化的现象 面心立方晶格910 1390 塑性好 体心立方晶格910 以下强度好 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 3 铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织在铁中加入少了量碳 组成铁碳合金 可获得适于工业上应用的各种优良性能 碳在铁中以固溶体 化合物和混合物的形式存在 可以形成以下几种基本组织 1 铁素体F2 奥氏体A3 渗碳体C4 珠光体P5 莱氏体L6 马氏体M 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 1 4 2铁碳合金状态图描述铁碳合金内部组织 成分与温度关系的图 纵坐标表示温度 横坐标表示含碳量的质量百分数 图1 121 碳钢在常温下的组织CC 0 77 C 2 1 铸铁 亚共晶白口铁4 3 C 2 1 共晶白口铁C 4 3 过共晶白口铁6 69 C 4 3 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2 临界点及其意义1 主要点 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2 主要线ACD 液相线AECF 固相线GS A3 F A互相转变线ES Acm 碳在A中的溶解度曲线ECF 共晶转变线 形成了奥氏体与渗碳体的共晶混合物 称莱氏体L 发生于2 11 C 6 69 的铁碳合金中 PSK A1 共析转变线 冷却时奥氏体转变为珠光体 C 0 02 初次渗碳体C 从液体中直接结晶出来的 二次渗碳体C 从A中沿晶界析出的渗碳体C 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 3 分析共析钢的组织变化 室温组织为珠光体 呈片状 分析共析钢0 77 的组织变化 在1600 时是液态 冷却到1点时 开始从液体中结晶出奥氏体 从1冷却到2点 液体全部结晶为奥氏体 此时合金全部由单一的奥氏体晶粒组成 继续冷却至S点时 奥氏体发生共析转变 析出珠光体 转变结束后 奥氏体全部转变为珠光体 温度继续下降 珠光体不再发生变化 所以共析钢在室温时的组织是珠光体 呈片状 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 通过分析可知 碳钢的组织主要取决于含碳量的多少 珠光体增加 强度 硬度增加 塑性 韧性降低 当网状渗碳体增加时 强度略有降低 见图1 13 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 1 4 3碳钢1 碳钢中杂质对性能的影响1 锰 强化F的作用 有益元素 2 硅 溶于F的硅 可提高强度 硬度 有益元素 3 硫 形成低熔点的化合物 具有热脆性 4 磷 塑性 韧性降低 产生冷脆性 5 氧 降低力学性能 6 氮 过量时产生 时效 现象 硬度 强度提高 塑性降低 7 氢 白点 裂纹源 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2 碳钢的分类和牌号1 普通碳素钢Q235 A2 优质碳素钢20 153 高级优质碳素钢20A 后加A 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 1 4 4钢的热处理钢的热处理 以消除钢材的某些缺陷或改善钢材的某些性能为目的 将钢材加热到一定的温度 在此温度下保持一定的时间 然后以不同的速度冷却下来的一种操作 1 退火和正火退火 将工件加热到一定温度 保温一定时间 然后缓慢炉冷 以得到接近平衡状态组织 正火 将工件加热到临界点A3 Acm以上30 50 保温一定时间 然后出炉空冷 晶粒细化 目的 降低硬度 提高塑性 韧性 消除组织缺陷 改善力学性能 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2 淬火和回火淬火 将工件加热到临界点A3 A1以上30 50 保温一定时间 然后快速冷却 目的 获得马氏体以提高工件的硬度和耐么性 淬火冷却介质 碳钢 水和盐水 合金钢 油回火 将淬火后的工件加热到低于临界点A1以下某一温度 保温一定时间 然后空冷或油冷 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 低温回火 150 250 降低淬火应力 保持高硬度和耐磨性 主要用于量具 刃具 中温回火 350 450 减少内应力 降低硬度 提高弹性 用于弹簧 发条 高温回火 500 650 获得较好的综合机械性能 用于各种重要的零件 淬火 高温回火 调质处理 3 化学热处理将零件放在某中化学介质中 通过加热 保温 冷却等过程 使介质中的某些元素渗入零件表面 改变表面层的化学成分和组织结构 从而使零件表面 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 具有某些性能 渗碳 碳氮共渗 渗铝 渗氮 渗铬 渗硅 1 4 5铸铁1 化学组成碳 2 5 4 0 硅 0 5 3 锰 0 5 1 5 磷 0 1 1 0 硫 0 15 组织结构 钢的基体 石墨性能 耐磨性 切削加工性好 抗拉强度低 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 2 分类灰铸铁 片状石墨 HT抗拉强度 抗弯强度HT150 330球墨铸铁 球状石墨 QT强度极限 延伸率QT400 18可锻铸铁 絮状石墨 KTH强度极限 延伸率KTH300 06高硅耐腐蚀铸铁 加入大量的硅等元素 在铸铁表面形成一层氧化膜 达到耐腐蚀效果 但只能铸造 2020 3 14 1 4碳钢和铸铁 3 用于压力容器的条件灰铸铁 设计压力 0 8MPa 温度0 250 毒性程度为极度 高度 中度危害的介质不易采用 牌号必需符合国家标准 球墨铸铁 可锻铸铁 设计压力 1 6MPa 温度 10 350 毒性程度为极度 高度 中度危害的介质不易采用 牌号必需符合国家标准 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 碳钢在使用上所受限制 1 强度低 从而使零件尺寸很大 同时屈服强度低 材料的潜力不能充分发挥 2 耐腐蚀性差 3 使用范围窄 1 5 1合金元素对钢的影响合金钢 以改善钢材的性能为目的 在碳钢中特意加入一些合金元素所得的钢 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 1 加入的元素1 铬主加元素 可提高金属的耐腐蚀性 抗氧化性 淬透性 强度 硬度 降低塑性和韧性 2 锰可提高强度 3 镍可改善钢的性能 4 硅提高强度 耐热性 但降低了塑性和韧性 5 铝提高韧性 降低冷脆性 且价廉 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 6 钼提高强度 硬度 可防止回火脆性 7 钒提高强度 淬透性 塑性 8 钛提高强度 韧性 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 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 3 加入的元素对钢性能的影响1 降低钢材的临界淬火速度2 提高铁素体的强度3 减少马氏体的脆性4 提高钢材的高温强度及抗氧化性5 增强钢材的耐腐蚀性1 5 2低合金钢合金元素 5 含碳量 0 2 组织 铁素体和珠光体 有良好的焊接性能 较高的强度 耐腐蚀性和低温性能 广泛用于桥梁 车辆 锅炉 化工容器和输油管等 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 1 5 3锅炉钢和容器钢锅炉钢 g 容器钢 R 优质碳素钢 低碳镇静钢 板材 管材 中温 高压 冲击要求如下 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 加工工艺性 推荐的材料 Q235 BQ235 C20R16MnR15MnVR 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 1 5 4不锈耐酸钢1 主要合金元素铬 耐腐蚀性 含量 12 镍 可扩大不锈钢的耐腐蚀范围 特别是提高耐碱能力 锰 提高强度和硬度 钼 提高对氯离子的抗蚀能力 耐热强度 钛 防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀 2 分类铬不锈钢 1Cr13 2Cr13铬镍不锈钢 0Cr18Ni9 晶间腐蚀 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 1 5 5耐热钢1 耐热钢 在高温条件下仍能保持足够强度和抗氧化性而不起皮的钢 主要用于热工动力机械 汽轮机 锅炉 化工机械 加热炉等高温条件工作的构件 2 分类抗氧化钢 在高温下有一定强度 有较好的抗氧化性 用于长期燃烧环境 如加热炉底板 渗碳箱等 热强钢 高温下有一定抗氧化性和较高强度以及良好组织稳定性 3 提高钢的热强性的方法 强化固溶体 稳定金相组织 提高钢的再结晶温度 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 1 5 6低温用钢低温用钢的基本要求 良好的韧性 加工工艺性 可焊性 含c量低 0 08 0 18 以形成单相铁素体 但在深冷时 只要单相奥氏体可满足该要求 我国研制的产品 15Mn26Al4 国外 高铬镍钢 1 5 7钢材的品种和规格1 钢板冷轧 尺寸精度高热轧 薄钢板t 4mm 厚钢板t 4mm 2020 3 14 1 5低合金钢及化工设备特种钢 2 无缝钢管有冷轧和热轧的 如10 15 16Mn 3 型材圆钢 方钢 扁钢 等边角钢等 4 铸钢和锻钢有ZG200 400等 用于制造泵壳 阀门 泵叶轮及齿轮等 2020 3 14 1 6有色金属材料 1 6 1铝及其合金1 铝的性能耐腐蚀性好 导热性能好 且铝不污染物品和不改变物品颜色 2 纯铝高纯铝L01 L02 制做浓硝酸设备 工业纯铝 L1 L7序号越大 纯度越低 3 铝合金铸造铝ZL 做泵 阀 离心机 防锈铝LF LF2 5A02 分离塔等 2020 3 14 1 6有色金属材料 1 6 2铜及其合金1 纯铜2 黄铜3 青铜1 6 3铅及其合金铅在硫酸中耐腐蚀性高 但在醋酸 硝酸 碱溶液中不耐腐蚀 只能做设备的衬里 铅与锑的合金称为硬铅 强度和硬度比纯铅高 可做加料管 阀门等零件 2020 3 14 1 7非金属材料 1 7 1无机非金属材料1 化工陶瓷2 化工搪瓷3 辉绿岩铸石4 玻璃1 7 2有机非金属材料1 工程塑料 以合成树脂为主 加入添加剂 1 硬聚氯乙烯塑料 2 聚乙烯塑料 3 耐酸酚醛塑料 4 聚四氟乙烯塑料 塑料王 2020 3 14 1 7非金属材料 5 玻璃钢2 涂料 高分子胶体的混合物溶液 3 不透性石墨 由各种树脂浸渍石墨消除孔隙而得 2020 3 14 1 8化工设备的腐蚀及防腐 1 8 1金属的腐蚀1 定义 金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引起破坏的现象称为腐蚀 比如铁生锈 铁在酸中溶解等 2 分类 根据腐蚀过程中有无电流产生 2020 3 14 1 8化工设备的腐蚀及防腐 1 化学腐蚀金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用所引起的腐蚀 叫化学腐蚀 特点 产物在金属的表面 腐蚀过程中没有电流产生 有两种作用 钝化作用和活化作用 金属的高温氧化和脱碳当T 300 时 钢和铸铁的表面出现可见氧化皮 当T570 时 氧化物的主要成分时FeO 活化作用 2020 3 14 1 8化工设备的腐蚀及防腐 措施 冶炼时在钢中加入适量的合金元素Cr Si或Al 当T 700 时 伴随脱碳 主要是钢中的Fe3C与O2 CO2和H2O的反应 使钢中的含碳量降低 氢腐蚀 氢气在较低温度和压力 200 5 0MPa 下对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀 但是在高温高压下则会