07-化工设备材料

第七章化工设备材料及其选择 概述 化工设备的使用环境 化工设备处在极其复杂的操作条件下运行 合理的选用和使用材料是设计化工设备的重要环节 压力 真空 低压 中压 高压 超高压温度 低温 中温 高温介质 腐蚀性 有毒 易燃 剧毒 制造 经过冷 热加工成型 焊接 概述 本章学习的要求 掌握材料的性能 影响材料性能的因素以及改变材料性能的方法和途径 掌握金属材料的分类及牌号 化工设备常用金属材料 碳素钢 铸铁 低合金钢及特种钢的牌号 性能以及选用 了解有色金属材料 有机非金属材料的种类及应用 了解化工设备的腐蚀与防护措施 7 1金属材料的性能 力学性能 力学性能是指金属材料在外力作用下抵抗变形或破坏的能力 如强度 硬度 弹性 塑性 韧性等 这些性能是化工设备设计中材料选择及计算时决定许用应力的依据 低碳钢的拉伸试验 A0为试件的原始截面积 l0为试件的初始标距 材料强度的衡量指标以材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力来表示 屈强比 s sb屈强比小 表明材料具有较大的塑性储备 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 例如 容器爆裂 管道破裂 地脚螺栓拉断 炉管爆裂 强度不够 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 单位MPa 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 单位MPa 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 所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度 设备的设计寿命 疲劳强度 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 表示符号 1 MPa 例如 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 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 主要指标 1 延伸率 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 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 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 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 常用硬度指标 布氏硬度 HBS 洛氏硬度 HRA HRB HRC 维氏硬度 HV 等 硬度和强度间有一定关系 如 低碳钢sb 36HBS 用硬度计测量 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 冲击韧性值的试验确定 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 冲击韧性与塑性的区别 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 脆性材料的 k值远低于塑性材料的 k值 塑性金属当温度达到冷脆温度时 k值骤然下降 因此化工设备中 低温容器所用钢板的 k值不得低于30J cm2 铜合金 铝合金及含镍较高的镍合金 无 k突变的临界温度 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 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 泊桑比等 化工设备设计与制造主要考虑的物理性能 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 弹性模量E与泊桑比 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 泊桑比 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 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 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叫做耐腐蚀性 化工生产中所涉及的物料 常会有腐蚀性 材料的耐蚀性不强 必将影响设备使用寿命 有时还会影响产品质量 耐腐蚀性不是材料固有不变的特性 它随材料的工作条件而改变 腐蚀裕量化工设计中 为弥补因工作期间被介质腐蚀掉的金属厚度 事先附加到设计尺寸上去 从而加大计算出来的零件直径或壁厚 这部分增加的量为腐蚀裕度 在化工生产中 有很多设备和机械是在高温下操作的 如氨合成塔 硝酸氧化炉 石油气制氢转化炉 工业锅炉 汽轮机等 在高温下 钢铁不仅与自由氧发生氧化腐蚀 使钢铁表面形成结构疏松容易剥落的FeO氧化皮 还会与水蒸气 二氧化碳 二氧化硫等气体产生高温氧化与脱碳作用 使钢的力学性能下降 特别是降低了材料的表面硬度和抗疲劳强度 因此 高温设备必须选用耐热材料 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 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 看容器加工工艺 制造压力容器的材料须具备什麽性能 钢板校平 卷筒 焊后矫圆 压制封头 煨制弯管 组对与焊接 7 2金属材料的分类及牌号 分类 黑色金属 生铁钢 按化学成分 按质量分 按冶炼方法分 按用途分 有色金属 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 2 钢号表示法 例 优质碳素钢 普通碳素钢 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 7 3铁碳合金及金属的热处理 概述 铁碳合金是铁和碳组成的合金 是由95 以上的铁和0 05 4 的碳及1 左右的杂质元素所组成 铁碳合金的组织结构 金属的组织结构 在金相显微镜下看到的金属的晶粒 简称组织 用电子显微镜 可以观察到金属原子的各种规则排列 这种排列称为金属的晶体结构 纯铁在不同温度下具有两种不同的晶体结构 即体心立方晶格与面心立方晶格 塑性较好 强度较高 铁碳合金的组织结构 铁 910 以下 纯铁为体心立方晶格称a Fe910 以上 纯铁为面心立方晶格称为g Fe 同素异构转变 固态下铁原子重新排列 铁碳合金的组织结构 碳 C在Fe中的存在形式有固溶体 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的物体 化合物和石墨三种 这三种不同的存在形式 形成了不同的碳钢组织 C溶解在Fe的晶格中形成固溶体 铁碳合金的组织结构 C与Fe形成化合物 渗碳体 铁碳合金中的碳不能全部溶入a Fe或g Fe中 其余部分的碳和铁形成一种化合物 Fe3C 称为渗碳体 性质 硬 脆 Fe3C熔点约为1600 硬度高 约HB800 塑性几乎等于零 在一定条件下可以分解 游离石墨 铁 渗碳体的作用 少量渗碳体散布在铁素铁中 总含c量 2 成为碳素钢 提高了强度和硬度 可轧制成钢材 铁碳合金的组织结构 例如 碳钢 当C 2 11 时 加热到高温亦不能形成单一的奥氏体 不适于进行热压加工 通常 将C 2 11 作为钢和铸铁的分界 铁碳合金的组织结构 C以石墨状态单独存在 当C 2 11 时 铸铁 铁素体 渗碳体 石墨 石墨本身性软 且强度很低 分布在铸铁中的石墨 相当于在合金基体 铁素体 渗碳体 中挖了许多孔洞 所以铸铁的抗拉强度和塑性都比碳钢低 但由于石墨的存在 使铸铁具有良好的切削加工性 耐磨性 消振性和铸造性 并具有较大的抗压强度 因此常作承压构件 铁碳合金的组织结构 铸铁中石墨有不同的组织形貌 其中球状石墨的铸铁称球墨铸铁 它的强度最高 细片状石墨次之 粗片状石墨最差 铁碳合金的组织结构 碳钢的基本组织 铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体 珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物 其力学性能介于铁素体和渗碳体之间 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 铁碳合金的组织结构 莱氏体 莱氏体是珠光体和初次渗碳体的共晶混合物 莱氏体具有较高的硬度 是一种较粗而硬的金相组织 存在于白口铸铁 高碳钢中 马氏体 马氏体是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 马氏体具有很高的硬度 但很脆 延伸性低 几乎不能承受冲击载荷 钢的热处理 钢的性能取决于钢的组织结构 要改善钢的机械性能 必须改变钢的组织结构 钢的组织结构既和它的化学成分有关 又与钢材经历的加热和冷却过程有关 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 将钢材加热到一定温度 在此温度下保持一定时间 然后以不同的速度冷却下来的一种加工工艺 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 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 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 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 回火 淬火 高温回火称为调质处理 效果 强度 塑性 韧性均提高 要求碳含量在0 3 0 5 之间 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 7 4碳素钢 碳钢中杂质对其性能的影响 锰 Mn 来源 在冶炼过程中加入锰铁 作用 钢材中锰含量高于0 8 时 即为合金元素存在 提高强度 是有益元素 硫 S 来源 矿石和焦炭 存在形式 FeS 作用 FeS的熔点低于钢材热加工开始温度 它过早熔化 导致工件开裂 称为热脆性 有害元素 磷 P 来源 矿石 作用 溶于铁素体 使钢材常温下脆性增加 塑性 韧性下降 即所谓 冷脆性 有害元素 氢 H 来源 钢由高温奥氏体冷至常温时 氢的溶解度降低 来不及到钢的表面逸出而积聚 并产生高压力 在钢材内产生 白点 白点 裂纹源有害元素 碳钢的分类 牌号 普通碳素钢含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 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 GB150 98规定使用材料 高级优质钢磷硫杂质极少P s含量 0 03 表示法 如20A 碳钢的性能 力学性能 碳钢的性能 制造工艺性能 碳钢的性能 耐腐蚀性 耐蚀性较差 在盐酸 硝酸 稀硫酸 醋酸 氯化物溶液及浓碱液中均会强烈腐蚀 碳钢在浓硫酸中由于出现钝态 因此耐蚀性较好 例如 用浓硫酸吸收三氧化硫的吸收塔可用碳钢制造 浓度小于30 的稀碱溶液 可使碳钢表面生成不溶性的氢氧化铁和氢氧化亚铁保护膜 所以在温度不高的稀碱液中耐蚀 碳钢的性能 性能的不足之处 强度较低 屈强比较低 耐蚀性较差 使用温度范围较窄 高温强度低 无法满足某些工艺过程所提出的高温或低温的要求 7 5合金钢及特种钢 概述 为改善钢材性能 在碳钢中特意熔合某些合金元素所得的钢 统称为合金钢 常用合金元素有 Cr Mn Ni Si B W Mo V Ti等 铬 耐腐蚀抗氧化 提高了强度硬度和耐磨性 使钢材的韧性和塑性降低 锰 提高强度和低温冲击韧性 镍 提高淬透性 保持良好塑性和韧性 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性 提高热强性能 硅 提高强度 高温疲劳强度 耐热性 耐H2S腐蚀 降低了塑性和冲击韧性 合金元素对钢的影响 低合金钢 合金元素与钢号 合金元素有 Mn V Nb Cr N Mo 1 2 5 钢号 16Mn 含C量0 16 含Mn量 1 5 09Mn2V 含C量0 09 含Mn量1 4 1 8 含V量0 04 0 1 注意 钢号上得含量与实际标准的规定的含量有所不同 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 碳素钢与低合金钢比较 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 常用材料 16MnR 15MnVR 18MnMoNbR 16MnDR 15CrMoR 14Cr1MoR 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 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 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 铬不锈钢 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 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 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 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 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 碳生成碳化铬在晶界析出 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 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 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 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 合金元素的作用 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 09Mn