《设备材料及防腐蚀》PPT课件

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514%；,硬度：有HB、HRC等；,冲击韧性：K，压力容器用材料K=4060J/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。,Q235AF,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：HP245HP365；,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-AF、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Cr12.5%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400800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0.080.15%0：指含碳0.030.08%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：,35,1Cr132Cr13：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=(1730)%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Cr18Ni810（亦称18-8钢）。化学成分特点：Wc0.14%、WCr=1719%、WNi=810%、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sb100MPa。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b400MPa，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Si14.5%，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,AlCuMg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AlZnMgCu合金，高的硬度和强度。但耐蚀性较差。7A04(LC4)、7A09(LC9)。锻铝AlMgSiCu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、TC1TC4。,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30270。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1055。当温度在6090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30130。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（PT