《设备材料及防腐蚀》PPT课件.ppt

第3章设备材料及防腐蚀 2 3 1材料的性能 力学性能 机械性能 物理性能化学性能加工工艺性能 3 3 1 1力学性能 力学性能是指材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力 强度 有常温 S b 高温 低温强度 疲劳强度等 塑性 有 等 压力容器用材料的 5 14 硬度 有HB HRC等 冲击韧性 K 压力容器用材料 K 40 60J cm2 4 3 1 2物理性能 密度熔点线膨胀系数导热性 导电性弹性模数与泊桑比 5 3 1 3化学性能 指材料是否会与周围介质发生化学或电化学作用而引起的腐蚀 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 化学腐蚀 电化学腐蚀 抗氧化性 在高温下 钢铁不仅有自由氧的氧化腐蚀过程 还会与水蒸气 CO2 SO2等气体产生高温氧化与脱碳作用 使钢的力学性能下降 因此 高温设备必须选用耐热材料 6 3 1 4加工工艺性能 可铸性 指液体金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向 灰铸铁和青铜铸造性好 可锻性 指金属承受压力加工 锻造 而变形的能力 低碳钢的可锻性好 铸铁不能锻压加工 可焊性 指能用焊接方法使两块金属牢固地连接 且不发生裂纹 具有与母材相当的强度 低碳钢的可焊性很好 切削加工性 指金属是否易于切削 灰铸铁的切削性很好 低碳钢也有较好的切削加工性 7 金属 黑色金属 铸铁 钢 碳钢 合金钢 有色金属 非金属 材料 有机非金属 无机非金属 制药设备常用材料 Cu Al Ti及其合金 3 2黑色金属材料 8 碳钢 含碳 2 11 铸铁 含碳 2 11 铁与碳组成的合金 铁碳合金 含碳 0 02 时称工业纯铁 其冶炼困难 价格昂贵 塑性很好 但强度很低 一般不用 工业常用铁碳合金 钢铁 铁碳合金 9 常存杂质元素对钢材性能的影响 杂质 硫 磷 锰 硅 氧 氮 氢等 硫 有害元素 有 热脆 应限制其含量 磷 有害元素 有 冷脆 应限制其含量 锰 有益元素 能减少 热脆 有脱氧能力 硅 既有有害的一面 又有有益的一面 氧 氮 氢 有害元素 10 3 2 1碳钢 1 碳钢的耐腐蚀性能在大气和水中易生锈 耐腐蚀性不好 但在碱性溶液 液态金属 有机液体等中耐腐蚀性良好 在强氧化性酸如浓硫酸中 产生钝化膜 耐蚀性大大提高 在碱性溶液中 生成保护膜 腐蚀性很小 在酸和碱中 腐蚀均匀 11 低碳钢按含碳量高碳钢镇静钢 Z按脱氧方式半镇静钢 b普通碳素钢按品质高级优质碳素钢 中碳钢 沸腾钢 F 优质碳素钢 随着含碳量的增加 钢的强度硬度增加 而塑性韧性降低 镇静钢 脱氧完全 钢锭组织致密 质量好 优质钢 S P杂质含量低 质量好 2 碳钢的分类与编号 12 普通碳素钢有Q195 Q215 Q235 Q255及Q275五个品种十种钢号 Q235 AF 质量等级为A 共分A B C D四级 屈服极限 s 235MPa 脱氧方式 有Z TZ F b四种 其中Z和TZ可省略 屈 普通碳素结构钢 含硫 磷杂质较多 钢的牌号由四部分组成 13 14 其中Q235 A Q235 B有良好的塑性 韧性及加工工艺性 为化工容器常用材料 其板材用作低压容器的壳体和零部件 棒材和型钢用作螺栓 螺母等 15 硫 磷含量较普通碳素钢低 牌号 用两位数字表示 表示平均含碳量的万分数 如45钢 含碳量为0 45 左右 有08 10 15 20 25 30 35 40 45 50 80等 优质碳素钢 普通含锰量 较高含锰量 如45Mn 较高含锰量优质碳素钢 优质钢 16 低碳钢 含碳 0 25 如08 10 15 20 25 强度低 塑性好 冷冲压和焊接性能好 在石油化工设备中广泛应用 常用20钢 可做壳体 接管 中碳钢 含碳量0 3 0 60 如30 35 40 45 50与55 综合机械性能良好 常用45钢 可做齿轮 传动轴 搅拌轴 连杆等 高碳钢 含碳 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 按含碳量可分为 17 优质碳素钢的化学成分和性能 摘自GB T699 1999 18 硫 磷含量更低 表示方法 在优质钢号后面加一个A字 如20A 专用钢材压力容器用钢 在钢号后冠以 R 如20R 锅炉用钢 在钢号后冠以 g 如20g 桥梁用钢 在钢号后冠以 Q 焊接气瓶专用钢板 HP245 HP365 高级优质钢 19 品种 钢板 钢管 型钢 铸钢和锻钢 钢板 压力容器用热扎厚钢板 一般碳素钢板材有Q235 A Q235 B Q235 A F 10 15 20等 碳钢的品种及规格 20 无缝钢管 冷轧 热轧有缝钢管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 钢管 21 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 横梁 塔盘支承及各种加强结构 型钢 22 铸钢用ZG表示 如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 铸钢和锻钢 23 在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素 以改善某些性能得到的钢 合金钢 合金钢的分类 3 2 2合金钢 低合金钢 合金总含量10 24 常用的合金元素有 铬 Cr 锰 Mn 镍 Ni 硅 Si 硼 B 钨 W 钼 Mo 钒 V 钛 Ti 铝 Al 等 合金元素可以提高钢材的强度 改善其热处理性能 提高其高温强度 增强钢材的耐腐蚀性以及提高材料的塑性和韧性 耐低温性能 降低冷脆性等 合金元素对钢材性能的影响 25 在优质碳素钢的基础上加入一种或几种合金元素而成 在低合金结构钢中常加入 Mn Si Cr Mo V Cu P等 Mn Si Cr Nb V提高强度 Cu P提高耐蚀性 典型牌号 16Mn 16MnR 15MnV 09Mn2V 18MnMoNbR等 3 2 2 1 低合金钢 低合金高强钢 26 新牌号如Q345B Q345CQ 屈服强度345 指屈服极限 S 345MPaC 质量等级 A B C D E 旧钢号 仍常用 如16Mn 16MnR16 平均含碳量的万分数 含碳0 16 左右 Mn 合金锰1 左右 普通低合金结构钢牌号 27 少量合金可提高钢的强度16Mn与Q235 A 20两种钢材相比 含碳量接近 但强度要高1 3 大型化工容器用16MnR制 质量比碳钢轻l 3 南京长江大桥 而用15MnVR制造球形贮罐可节省钢材约45 少量合金可提高钢的耐低温能力如09Mn2V 70 06MnNb 90 少量合金可提高钢的耐腐蚀能力16MnCu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 低合金高强度钢性能 28 Q345钢 如16Mn 16MnR 综合性能好 用于桥梁 压力容器等 Q390钢 如15MnV 15MnVR 含V Ti Nb 强度高 用于压力容器 Q460钢 如18MnMoNbR 含Mo B 强度高 用于石化中温高压容器后两者焊接性差 已不推荐使用 典型低合金高强钢应用 29 摘自GB T1591 1994 30 一般称耐空气 蒸汽和水等弱腐蚀介质的钢为不锈钢 称耐酸 碱 盐等强烈腐蚀性介质的钢为耐酸钢 习惯上这两种钢统称为不锈钢 不锈钢按钢的金相组织可分为铁素体不锈钢 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 3 2 2 2 不锈钢与不锈耐酸钢 31 铬Cr是主要的耐蚀元素 耐蚀机理 当Cr 12 5 时 生成致密氧化膜 且Cr含量越高耐蚀性越好 镍Ni能提高不锈钢的耐蚀范围 耐电化学腐蚀 钼Mo能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力 提高钢的耐热强度 锰Mn可提高强度 硬度 目前正发展用锰来代替镍 不锈钢中的合金元素 32 防止焊接用不锈钢产生晶间腐蚀 晶间腐蚀 在400 800 的温度范围内 碳从奥氏体中以碳化铬 Cr23C6 形式沿晶界析出 使晶界附近含铬量降低到耐腐蚀所需的最低含量 12 5 以下 腐蚀就在此贫铬区产生 这种沿晶界的腐蚀称为晶间腐蚀 Ti比Cr更容易与C化合 钛Ti和铌Nb 元素符号 元素符号 合金元素符号 合金元素百分含量 含碳量千分数 如 0Cr13 00Cr19Ni10 1Cr18Ni9Ti等 注意 含碳量 1 指含碳0 08 0 15 0 指含碳0 03 0 08 00 指含碳 0 03 不锈钢都是低碳或微碳的 这是为什么 不锈钢的牌号 34 1 降低含碳量 含碳 0 06 时不易产生 含碳 0 03 时可靠地克服 即超低碳不锈钢 如00Cr19Nil0 2 加入与碳亲和力比铬更强的Ti Nb等元素 以形成稳定的TiC NbC等 如0Cr18Nil0Ti 0Cr18NillNb等 防止晶间腐蚀的方法 35 1Cr13 2Cr13 具有良好的综合机械性能 可进行深冲 卷边 焊接等 可制汽轮机叶片等 3Cr13 4Cr13 硬度高 焊接性差 可做耐蚀工件如医疗工具 轴承等 马氏体型不锈钢 常用不锈钢 36 铁素体不锈钢 化学成分 Wc 0 1 左右 WCr 17 30 牌号 1Cr17 1Cr17Ti等 用途 化工设备中要求耐蚀性高 塑性好 强度低的容器 管道等 37 奥氏体不锈钢的基本型是Cr18Ni8 10 亦称18 8钢 化学成分特点 Wc 0 14 WCr 17 19 WNi 8 10 Cu Ti Mo等 性能 耐蚀性好 好的冷变形性能 好的韧性 焊接性 优异的综合性能 包括优良的力学性能和耐腐蚀性能 耐高温 耐低温能力 牌号 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 0Cr17Ni12Mo2 0Cr18Ni12Mo2Ti 00Cr17Ni14Mo2 0Cr19Ni13Mo3 00Cr19Ni13Mo3等 奥氏体不锈钢 我国和美国 日本常用不锈钢钢号的近似对照 39 含碳量2 11 以上 大多碳以石墨形式存在 并含有较多S P Si Mn等杂质 铸铁是脆性材料 抗拉强度 b较低 但有良好铸造性 耐磨性 减振性及切削加工性 在一些介质如浓硫酸 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 球墨铸铁和特殊性能铸铁等 3 2 3铸铁 40 80 以上碳以片状石墨存在 断面暗灰色 故得名 牌号 HT 抗拉强度sb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 力学性能 强度低 硬度高 塑性很差 工艺性能 优良的铸造性 切削性好 能焊接 锻造性差 1 灰铸铁 41 使用温度 300 否则会 长大 高温生长性 减振性和耐磨性好 可做支架 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 应用 42 简称球铁 球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂 浇注后得到球状石墨的铸铁 力学性能 在强度 塑性和韧性方面大大超过灰铸铁 甚至接近钢材 牌号 用QT 抗拉强度值 延伸率表示如QT400 18 其中400表示 b 400MPa 18表示 18 常用 QT400 17 QT420 10 QT500 5 QT600 2等 2 球墨铸铁 43 球墨铸铁强度 塑性和韧性大大超过灰铸铁 甚至接近钢材 但价格低于钢 可替代部分铸钢 锻钢件 如曲轴 连杆 主轴 中压阀门等 应用 44 耐蚀铸铁 牌号ST为首 是加入大量Si Cr Al等合金元素的合金铸铁 高硅铸铁含Si 14 5 能耐硝酸 硫酸 醋酸等腐蚀 随含硅量增加耐蚀性增加 牌号 STSi11Cu2CrR STSi15R等 性能 强度低 脆性大及内应力大 易于脆性断裂 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 应用 常用于各种耐酸泵 冷却排管和热交换器 3 高硅铸铁 45 钢铁以外的金属称非铁金属 也称有色金属 常用的有色金属有 Al Cu Ti Ni Pb及其合金 有色金属的共性 耐腐蚀性好 低温塑性 韧性好 但价格比较昂贵 3 3有色金属材料 46 铝及铝合金的性能特点 密度小 熔点低 导电性 导热性好 在大气中 铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜 防止内部继续氧化 切削性好 塑性好 可冷成型 但强度低 铸铝合金的铸造性能好 不会产生火花 可用于制作易挥发性介质的容器 不沾污物品 不改变物品颜色 导热性好 适合作换热器 3 3 1 铝及铝合金 47 3 3 1 1变形铝合金 工业纯铝工业高纯铝1A85 LG1 1A90 LG2 可用于抗硫酸 浓硝酸腐蚀设备 如高压釜 贮槽 阀门 泵 工业纯铝8A06 L6 用于耐硫腐蚀 防污染而不要求强度的设备 例如 反应器 热交换器 深冷设备 塔器等 由铝锰系或铝镁组成的铝合金 5A02 LF2 5A03 LF3 5A05 LF5 5A06 LF6 等 强度比纯铝高 防锈铝 48 Al Cu Mg合金 通过时效强化提铝合金强度 但耐蚀性不高 2A11 LY110 2A12 LY12 超硬铝合金Al Zn Mg Cu合金 高的硬度和强度 但耐蚀性较差 7A04 LC4 7A09 LC9 锻铝Al Mg Si Cu合金 具有良好的热塑性 通过固溶处理提高铝合金的力学性能 6A02 LD2 2A4 LD10 硬铝 杜拉铝 49 特点 铸造性 耐蚀性好 且密度小 广泛用来铸造形状复杂的耐蚀零件 如管件 泵 阀门 汽缸 活塞等 Al Si系 俗称 硅铝明 是铝 硅合金 如ZL101 Al Cu系 如ZL201 Al Mg系 如ZL301 Al Zn系 如ZL401 3 3 1 2铸造铝合金 50 3 3 2 1纯铜 机械性能 低温时可保持较高的塑性和冲击韧性 用于制作深冷设备和高压设备垫片 耐腐蚀性能 耐稀硫酸 亚硫酸 稀的和中等浓度的盐酸 醋酸 氢氟酸及其它非氧化性酸等介质的腐蚀 对淡水 大气 碱类溶液的耐蚀能力很好 不耐各种浓度的硝酸 氨和铵盐溶 牌号 Tl T2 T3 纯铜 TU1 TU2 无氧铜 TP1 TP2 磷脱氧铜 等 紫铜 3 3 2 铜及其铜合金 51 黄铜牌号 常用的有H80 H68等 H80 含Cu 80 左右 Zn 20 左右 性能 力学性能比纯铜高 耐蚀性能与纯铜相似 价格便宜 应用较广 H80在大气 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 Cu Zn系合金 3 3 2 2铜合金 52 只由铜 镍组成的合金叫简单 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 牌号 BFe30 1 1表示含30 Ni 1 Fe 1 Mn 其余为Cu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 Cu Ni系合金 白铜 53 铜与除锌和镍以外的元素组成的合金称为青铜 A 压力加工青铜Sn青铜 如QSn4 3 含4 Sn 3 Zn 其余为Cu 耐腐蚀 耐磨 做轴承 泵壳 弹簧等Al青铜 如QAl10 3 1 5 做耐蚀 抗磨的齿轮 轴套Be青铜 如QBe2 做弹簧 高速轴承等 B 铸造青铜 如Sn青铜 ZCuSn10Zn2 Cu Sn Cu Al Cu Be系等合金 青铜 54 纯钛银白色 熔点1680 密度4 54g cm3 牌号 工业纯钛TA0 TA1 TA2 TA3 钛合金在钛中添加锰 铝或铬钼等元素 可获得性能优良的钛合金 如TA4 TA5 TB2 TB3 TC1 TC4 3 3 3 钛及其合金 55 密度小 熔点高 纯钛是纯白色轻金属 钛合金的密度也较小 加工性能好 强度高 低温韧性好 纯钛强度低 塑性好 易于压力加工成型 钛合金的强度很高 b最高可达1400Mpa 与某些高强度合金钢相近 还具有良好的高温 低温机械性能 抗腐蚀性能好 钛及钛合金在大气 海水 含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜 具有优良的抗蚀性 钛及钛合金的性能特点 56 性能 很高的强度和塑性 良好的延伸性和可锻性 很好的耐腐蚀性 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 Cu28 Ni70 左右 Si2 5 Fe1 5 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 3 3 4镍及其合金 57 密度大 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 3 3 5铅及其合金 58 3 4 1无机非金属材料 化工陶瓷即耐酸陶瓷 耐酸陶瓷可耐沸腾温度下任何浓度的铬酸 96 的硫酸 沸点以下的任何浓度盐酸和任何浓度的醋酸 草酸等有机酸 但不耐氢氟酸 耐碱性也差 另外 由于其性脆 抗拉强度低 导热性差 热膨胀系数较大 受碰击或温差急变易破裂 应用 接触强腐蚀介质的 塔器 贮槽 泵 风机 旋塞 管道 管件 3 4非金属材料 59 搪瓷由含硅量高的瓷釉通过900 左右的高温煅烧 使瓷釉密着在金属表面 具有优良的耐腐蚀性能 除HF 含氟化物溶液 浓热磷酸 强碱外 力学性能和电绝缘性能 但易碎裂 热导率不到钢的1 4 热膨胀系数大 不能直接用火焰加热 以免损坏搪瓷表面 可以用蒸汽或油浴缓慢加热 使用温度为 30 270 目前国内的化工搪瓷制品 搪瓷反应釜 搪瓷贮槽 套环式和套管式搪瓷热交换器 塔器 管子及管件 阀门等 搪瓷设备结构特点 搪瓷制品的金属胎一般采用低碳钢 设备所有的转角必须均匀圆滑过渡 转角半径越大越好 法兰一般用较多卡子连接 小直径的允许螺栓连接 60 辉绿岩铸石用辉绿岩熔融后制成 可制成板 砖等材料作设备衬里 也可做管材 铸石除对氢氟酸和熔融碱不耐腐蚀外 对各种酸 碱 盐都具有良好的耐腐蚀性能 61 玻璃化工 制药用玻璃不是一般的钠钙玻璃 而是硼玻璃 耐热玻璃 或高铝玻璃 耐腐蚀性好 清洁 透明 阻力小 价格低等特点 但质脆 耐温度急变性差 不耐冲击和振动 可作管道 管件 隔膜阀 视镜 液面计等 制药工业 玻璃瓶 注射器等常用硼硅玻璃 耐热 光滑 对人体无害 62 3 4 2 1工程塑料是用高分子合成树脂为主要原料 加入添加剂以改善产品性能 热塑性材料遇热软化或熔融 冷却后又变硬 可反复多次 如聚氯乙烯 聚乙烯等 热固性塑料固化后不能用加热的方法使之再软化 如酚醛树脂 氨基树脂等 性能 有良好的耐腐蚀性能 一定机械强度 良好的加工性能和电绝缘性能 能焊接 耐温范围低 价格较低 3 4 2 有机高分子材料 63 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 可用于低 常 压管道 设备 药用聚氯乙烯 PVC 塑料瓶 64 聚乙烯 PE 塑料使用温度 70 100 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 具有优良的绝缘 防水和化学稳定性 可作为管子 管件 阀门 泵等的材料 或作为衬里 防腐涂层 口服固体药用高密度聚乙烯瓶 65 聚酯PET医用塑料瓶 聚对苯二甲酸乙二醇酯 简称PET 无毒 重量轻 牢固结实 可形成任何形状 适用性好 可以进行文字图案印刷 66 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 可作耐蚀 耐高温的密封元件 聚四氟乙烯 PTFE