化工设备设计基础

1、力的概念及性质一、力的概念：力是两物体之间的相互机械作用。力会产生两种效果：1、使物体改变运动方向   2、使物体产生变形力是矢量，具有三要素：大小、方向、作用点，用 F 表示。单位：牛顿（N）和千牛顿（KN）。二、力的基本性质：1、力的成对性：力有作用力与反作用力。2、二力平衡条件如果刚体（不考虑变形的物体）受到两个力的作用而处于平衡状态，则其平衡条件是：二力大小相等，方向相反，且作用在一条直线上。如果刚体受到三个力的作用而处于平衡状态，则其平衡条件是：三个力的作用线汇交于一点。3、力的可传性：作用在刚体上某点的力，可以沿其作用线移动到该刚体上的任意一点，而不改变它对刚体

2、的作用。4、力的合成与分解：在不改变力对物体作用效应的前提下，可以将作用在物体同一点的力变成一个合力。这就是力合成，反之就是力的分解。力的合成：力是矢量，所以力的合成必须按照平行四边形法则进行。F=F1+F2F=F12+F22-2F1F2cos力的分解：此为力的合成的相反过程。F1=FcosF2=Fsin约束与约束反力主要介绍的是约束与约束反力的概念和以及种种约束类型。主要考虑的是自由体和非自由体的物体带来的力的作用。一：约束和约束反力1、自由体可以任何方向上自由移动的物体叫自由体。2、非自由体只要有任何一个或以上方向上受到限制的物体就叫非自由体，限制物体运动的物体叫约束。3、约束反力约束作用

3、于非自由体上的力叫约束反力。约束反力的方向总是与该约束阻止的运动方向相反。二：约束的种类1、柔性约束用绳、胶带及钢丝绳等柔性材料组成的约束为柔性约束,力的方向在轴线上。2、光滑面约束光滑面：就是不考虑摩擦力的作用的表面，力的方向是与光滑面接触的法线方向上。将物体从系统内取出后再考虑力的组成。3、圆柱铰链约束分固定式和移动式（以在X和Y方向上能否移动为区分点），铰链约束是构件可以转动的。在不能动的方向上就存在约束反力。4、固定端约束比如插入，焊接等。既不能让构件移动也不能转动的方式。受力图为了对研究对象的分离体进行所有受力情况的分析就是进行受力分析，所画的受力图即为画受力图。作用在非自由体的分离

4、体上的力有两种：1. 已知的主动力   2.未知的约束反力平面汇交力系的合成与平衡条件所谓平面汇交力系就是指作用在物体上的各力的作用线位于同一平面内，且汇交于一点的力系。一、平面汇交力系的几何法与平衡条件1.几何法：按力的三角形法则求合力RR=F1+F2+F3+.+Fn平面汇交力系平衡条件：R=Fi=02.解析法：建立一直角坐标系，将各平面汇交力系在坐标系的X、Y轴上投影，然后分别求出在X、Y轴上的各力的代数和。Rx=Fxi=Fx1+Fx2+.+FxnRy=Fyi=Fy1+Fy2+.Fyn注：坐标系中X、Y轴可为任意方向上的两垂直相交直线。解析法的平衡条件：Rx=0

5、0;   Ry=0平面力偶系的合成与平衡条件。一：力矩力矩是力对某一点所取的矩。它等于力乘以这点至力的垂直距离，用M0（F）表示。力矩产生转动，以逆时针转动为正，顺时针转动为负。M=F*D（力到转动点的垂直距离;可以从转动点到力做垂线计算长度，也可以将力分解成垂直于轴线的力和轴线方向上的力来进行计算）二：力偶和力偶矩两个不重合的方向相反的力可以产生转动，那就是力偶，以T表示：T=F*D(两个力的距离，以逆时针转动为正，反之为负）。性质：1：力偶无合力。2：在作用面内可以任意移动，但不改变刚体移动效果。3：力偶据不变时，力和力臂可任意改变，不改变力偶对刚体的作用。4：力偶的合

6、力偶等于力偶系中各力偶的代数和。平衡条件同一平面的合力偶为0就平衡了。平面汇交力系的合成与平衡条件：1、几何法，即按力的三角形法则，将各力依次合成，求合力 2、解析法：即建立直角坐标系，将各平面汇交力系在坐标系的X、Y轴上投影，然后分别求出在X、Y轴上的各力的代数和。平面一般力系的合成与平衡条件1、力的平移定理： 作用在物体上某点的力,可以平移到该物体上的任意一点，但必须同时附加一个力偶,这个附加力偶的力偶矩等于原力对这任意一点的矩。2、平面一般力系的平衡条件：所有的力在X方向上的合力为0，所有的力在Y方向上的合力为0，所有的力偶矩的合力偶为0。直杆拉伸与压缩一、 工程中构件的形式按形状大致可

7、以分成三类：1、杆件， 如：螺栓，轴，梁等。 2、板，如：塔设备内的塔板，换热器中的管板等。3、壳，如：油罐的筒体等。二、构件变形的基本形式1、弹性变形：当外力卸去后，构件又恢复到原来的形状。2、塑性变形：当外力卸去后，构件不能恢复到原来的形状。三、杆件在外力作用下，变形的基本形式1、拉伸与压缩：杆件在其轴线方向伸长或压缩。2、弯曲：杆件在力偶作用下，其轴线弯成曲线。3、剪切：两作用线相距很近，垂直于杆的轴线的力，使作用线间横截面发生相对错动。4、扭转：杆件受到一对大小相等、方向相反、绕杆轴线旋转的力偶作用时，杆的各横截面绕杆轴线发生相对转动。轴向拉伸或压缩时的内力与应力一、内力概念：工程力学

8、中，把构件不受外力作用时的内力看作为零，而把外力作用后，外力引起构件各点相对位置发生变化造成构件内部产生附加力的作用，这个附加力为内力。内力可以是力，也可以是力偶。求内力最常用的方法是截面法。根据截面的内力方向是远离构件还是面向构件，内力可以分成拉力和压力。二、直杆横截面上的应力1、应力的概念：单位面积上的内力就是应力。2、应力的求法：杆在此截面的内力除以此截面的面积即为应力。用表示单位为Pa (N/m2)、MPa (KN/mm2)，规定：拉应力为正，压应力为负。=N/A轴向拉伸与压缩时的强度计算一、强度概念1、强度：构件抵抗外力作用而产生变形与断裂的能力。2、强度破坏：构件在最大应力作用下，

9、发生过大变形或断裂，使得构件不能正常工作的现象。这里的最大应力叫极限应力，与材料和操作温度有关。强度与构件的应力密切相关，即与构件所受的内力及截面积有关。二、强度条件构件的强度条件是：max=N/At 式中：N 杆件横截面上的内力（N） A 杆件横截面面积（m2） t 杆件材料(t表示设计温度下)的许用应力（MPa） 三、强度计算解决工程中三类强度计算问题：1、强度计算：已知构件所受的载荷，截面积和所用材料，计算构件能否正常工作。方法：max=N/A       判断：maxt 2、设计构件的横截面积：已知构件所受的载荷，所

10、用材料，计算构件满足要求的横截面积。方法：max=N/At 判断：AN/t 3、确定许用载荷：已知构件的截面积和所用材料，求满足构件正常工作时的截荷。方法：max=N/At    判断：Nt *A轴向拉伸与压缩时材料的机械性能材料的机械性能：从开始加载直到最后破坏的全过程中，材料在强度和变形方面表现出来的力学性质。机械性能是材料固有的特性，必须通过实验测定，材料种类不同，其机械性能也不相同。一、低碳钢拉伸与压缩时的机械性能1、应力与应变图用一标准的低碳钢在万能实验机上进行拉伸实验，通过缓慢加载，试件逐渐被拉伸直到试件被拉断为止。记录一系列拉力P与之对应的绝对伸长值

11、L，然后以=P/A为纵坐标，以应变=L/L为械坐标，画出应力与应变图（ - ）低碳钢：含碳量在0.3%以下的钢为低碳钢。杆件从拉伸到断裂共经历四个阶段：弹性阶段、屈服段、强化阶段、缩颈段。2、低碳钢的主要机械性能指标：强度指标、弹性指标、塑性指标。二、脆性材料的机械性能最大特点就是没有屈服段。判别是否脆性材料的方法之一。平面弯曲的概念一、梁的概念与类型1、概念：当杆件受到垂直于杆件轴线的力或力偶作用时，杆的轴线由直线变为曲线，这样的变形称为弯曲，以弯曲变形为主的杆件称为梁。2、类型：简支梁：一端固定铰链，一端活动铰链组成的梁。外伸梁：一端或两端伸出支座以外的简支梁。悬臂梁：一端固定，另一端处于

12、自由状态。二、平面弯曲的概念若梁上所有外力和外力偶均作用在纵向对称平面内，则梁变形时，它的轴线将在此纵向对称平面内弯曲成一条曲线，这种弯曲为平面弯曲。直梁弯曲时的内力分析一、剪力与弯矩直梁在横向力或弯矩作用下产生弯曲变形，同时，在梁的横截面上产生相应的内力，这种内力称为弯曲内力。弯曲内力包括剪力和弯矩剪力Q：在梁的横截面上，与外力平行，且使横截面有被剪断的趋势。规定：Q使该截面的相邻微段（也就是所取的用来作内力分析的段）有作顺时针转动的趋势为正，反之为负。弯矩M：作用在梁的纵向截面，并使截面产生转动而弯曲。规定：M使邻近微段发生向上凹的弯曲变形时为正，反之为负。二、剪力图与弯矩图1、概念：一般

13、沿着梁的轴线做各截面的弯矩与剪力随之变化的规律图。2、做法步骤：求出梁在各支座的反力。以梁的轴线为横坐标，分别以梁剪力或弯矩的大小为纵坐标，利用求内力的截面法，求出梁各截面的剪力与弯矩并画在纵坐标上，M、Q为正，画在坐标的上方，反之画在坐标的下方，将各截面的剪力或弯矩点连接成线。三、分布载荷、剪力和弯矩间的关系1、作用在梁上的载荷分三种：集中载荷P (N)   分布载荷q (N/m)   集中力偶T (N/m)载荷不同，梁各横截面上的剪力和弯矩也不同，因而所得的剪力图和弯矩图也各不相同。2、载荷与剪力、弯矩之间的关系dQ/dx=q &

14、#160;      dM/dx=Q        d2M/dx2=q四、载荷种类与剪力图、弯矩图之间的关系纯弯曲时梁横截面上的正应力一、纯弯曲时的变形现象与假设纯弯曲：就是梁的横截面上只有弯矩而无剪力的作用在工程实践中，当梁的L/ h之比很大时，弯矩是梁破坏的主要原因而此时剪力可忽略不计。对于梁的纯弯曲可作如下假设：梁变形前是平面，变形后仍保持平面，且仍垂直变形后的梁的轴线，只绕某一轴线旋转了一个角度。纵向纤维之间互不积压，即不考虑剪力的影响。纵向纤维的变形与它到

15、中性层的距离有关，与横截面的宽度上的位置无关。中性层：有一层纵向纤维既不伸长，也不缩短，这一层纵向纤维为中性层。中性层与梁横截面的交线为中性轴。二、弯曲变形与应力之间的关系1、梁纯弯曲横截面上任意一点A正应力计算公式=My/lz式中： y任意点A距中性轴的距离。 lz横截面对中性轴的惯性矩lz=y2dA2、纯弯曲时正应力在横截面上的分布拉应力与压应力是同时存在的，而且是以中性轴为对称。截面惯性矩和抗弯截面模量在梁纯弯曲时正应力的计算公式中有一重要的物理量截面惯性矩。截面惯性矩仅与横截面的几何形状和尺寸有关。反映的是横截面的几何性质。介绍了几种常见的截面惯性矩和抗弯截面模量的计算公式。1、矩形截

16、面Iz=bh3/12       Wz=bh2/62、圆形截面Iz=D4/64          Wz=D3/323、圆环截面Iz=/64(D4-d4)        Wz=D3/32(1-4)    =d/D梁的弯曲强度计算对于等截面的直梁，弯矩最大的截面就是危险截面，在危险截面上，离中性轴最远的上、下边缘的各点的应力就是等截面梁的最大弯曲正应力

17、，这些点称为危险点。为保证梁安全可靠工作，必须使最大工作应力max不超过材料的许用应力，即max=Mmax/Wz     式中：max 最大正应力，PaMmax 最大弯矩，N/mWz 截面抗弯模量，m3 材料的许用应力，查材料表 MPa提高梁的弯曲强度的主要途径一、选择合理截面，提高抗弯模量尽量选用矩形横截面且立置（b<h）二、合理安排受力，减少弯矩复杂应力状态下的强度计算一、应力状态的概念应力包括正应力和剪应力剪应力：平行作用平面的应力。正应力：垂直作用平面的应力。1、应力状态取构件上某一截面上的任意一点，取一个包括该点在内的微元体，微元体的各个截面上的应

18、力就叫这点的应力状态。2、主平面和主应力在微元体上，总存在着三个相互垂直的平面，在这些平面上只有正应力而无剪应力的作用，这样的平面称为主平面，主平面上的正应力叫主应力。用1，2，3表示，且1>2>3二、应力状态的分类：单向应力状态只有一个主应力不为零。如：直杆的拉伸与压缩二向应力状态有两个截面上的应力状态不为零。如：受扭转的圆轴三向应力状态三个截面上的主应力都不为零。如：受高压作用下的容器三、二向应力状态分析在构件上取一微元体，此单元体上有二向应力作用，且有正应力与剪应力，这是二向应力状态最一般的情况。利用这个单元体，用静力平衡条件可求出主应力及主应力所在的平面。 结论：

19、任意一斜截面通过旋转一定角度，肯定可获得主平面或获得主应力。强度理论为使构件在复杂应力状态下正常工作，通过研究材料的各种破坏现象，建立相应的各种强度条件，把这些强度条件合在一起称为强度理论。一、材料破坏的主要形式1、脆性破坏材料在未发生明显的塑性变形前，就发生了断裂，这种破坏形式为脆性断裂。2、塑性破坏材料在产生过大变形后，发生断裂，这种破坏为塑性断裂。二、强度理论1、第一强度理论（最大主应力理论）认为：在复杂应力状态下，只要三个主应力中的最大拉应力（1）达到轴向拉伸时材料的极限应力b材料就发生破坏。其强度条件：1 式中： =b/n  许用应力  MPa 

20、0;          n 安全系数2、第三强度理论（最大剪应力理论）认为：在复杂应力状态下，只要最大剪应力达到轴向拉伸时材料的极限剪应力，材料就发生塑性破坏。其强度条件：max=     1-3式中： 许用应力MPa3、第四强度理论（最大变形能理论）认为：在复杂应力状态下，当材料内任意一点的形状改变比能达到了轴向拉伸时材料的极限形状改变比能，材料就发生塑性破坏。其强度条件：1/2(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2第二篇 化工设备常用材料化工设备大多数是由金属

21、材料制成，一小部分由非金属材料制成。金属材料黑色金属：碳钢、合金钢有色金属：铝、铜及其合金非金属材料化工陶瓷、化工搪瓷金属材料的基本性能：一、机械性能指标：弹性、塑性、强度、硬度、韧性1、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度随温度的升高而下降。强度常用指标：屈服极限s和强度极限b此外还有蠕变极限、持久极限、疲劳极限。2、塑性概念：材料在外力作用下产生塑性变形而不产生破坏的能力。（不出现裂纹或断裂）指标：a、延伸率（）：试件拉断后，总的伸长长度与原始长度比值的百分率。b、断面收缩率（） ：断面缩小的面积与原始截面积比值的百分率。与越大，表明金属材料的塑性越好，可弯卷、锻

22、压、冷冲、焊接等加工。3、硬度材料抵抗硬物压入的能力。材料越硬，材料就越耐磨。指标分为：布氏硬度（HB）  洛氏硬度（HR）  维氏硬度（IIV）区别是实验中采用的压头和压力不同而测的值不同。4、韧性材料对裂纹及缺口敏感程度的反映。是衡量材料抗裂纹扩展的能力。指标：冲击韧性：抵抗冲击力作用而不致破坏的能力。断裂韧性：抵抗材料存有微裂纹时而不致破坏的能力。无塑性转变温度：材料在某一温度区间随温度的降低，其韧性值突然降低，此温度为无塑性转变温度。用于确定材料的最低使用温度。韧性对压力容器用材料十分重要，是压力容器用钢必检项目。塑性好的材料，一般韧性好，但塑性不等于韧性。二、化学

23、性能1、化学成分钢的化学成分主要是铁和碳。由于冶炼方法的限制，钢中不可避免的存有硫、磷、锰、硅等杂质，这些元素对钢的性能有很大的影响。碳：随含碳量的增加，材料强度与硬度增加，塑性与韧性降低，且焊接性能变差，容易出现裂纹。硫：是钢中的一种有害元素，它使钢在热加工时容易折裂，这种现象称为“热脆”。磷：使钢材变硬、变脆，特别是使钢在低温时显著变脆，这种现象称为“冷脆”。锰：能消除硫的有害影响，提高钢的强度和硬度，是一种有益元素。硅：可提高钢的强度和硬度，提高钢的耐蚀性能，是主要的耐蚀合金元素之一。2、化学性能指材料的化学稳定性。主要指耐蚀性能和抗氧化性能。三、物理性能材料的物理性能指金属的密度、熔点

24、、导热、导电、热膨胀性、弹塑性模量等。四、工艺性能指材料的铸造性、煅造性、可焊性、切削加工性和冷弯曲性能等碳钢及其热处理一、概念碳钢：由95%的铁和4%以下的碳组合的化合物。又叫碳素钢或铁碳合金。二、分类及牌号1、分类按含碳量分：低碳钢：C < 0.25%中碳钢：0.25% < C < 0.6%高碳钢：C > 0.6%按冶炼方法分：镇静钢（Z）      沸腾钢（F）      半镇定钢（b）按质量分：普通碳素钢：P< 0.045% , S<0.05%优质碳素

25、钢：P< 0.035% , S<0.04%2、牌号对普通碳素钢分成三类：甲、乙、特类碳素钢，用A、B、C表示。甲类：供应时只保证机械性能，化学性能仅供参考。乙类：供应时只保证化学性能，机械性能仅供参考。特类：供应时即保证机械性能，又保证化学性能。牌号：用Q 屈服极限值 质量等级符号（A、B、C） 脱氧方法（F、Z）表示。当为镇静钢时“Z”符号可省略。如：Q235-A,F  表示：屈服极限为235MPa的甲类沸腾钢。Q235-B    表示：屈服极限为235MPa的乙类镇静钢。优质碳素钢牌号：用含碳量的万分之几表示。如：20表示含碳量为万分之2

26、0，即0.2%的优质碳素钢。08F表示含碳量为0.08%的沸腾钢。在优质碳素钢中，在含碳量后常加入符号“R、g”，其中：R为容器钢      G锅炉钢如：20R含碳量为0.2%的容器钢3、性能与用途机械性能：较好，其强度和硬度跟含C量成正比，塑性跟含C量成反比。温度增加，塑性增加，强度和硬度减小。普通钢的使用温度为0350。工艺性能：良好，可焊性能随含C量增加而减小。耐蚀性：不耐蚀，只在浓硫酸中由于钝化而耐蚀性好，一般用于非高、低温、低负荷、无腐蚀的场合。三、热处理概念：利用加热、保温、冷却等过程，使钢材在固态下发生内部晶体组织的结构变化，从而

27、达到改变钢材性能的工艺。钢材热处理工艺：退火、正火、淬火、调质、回火等。1、退火与正火退火将钢材加热至800+（3050），热透后随炉温缓冷。作用：a、用来消除焊接、铸造等留下的粗大组织和所残留的内应力。b、降低硬度，提高塑性。正火将钢材加热至800+（3050），热透后将工件从炉中取出，置于空气中冷却。作用：a、冷却速度较退火快，钢的晶粒较细，更好地降低硬度，提高塑性。b、周期短，经济，但消除内应力不够彻底，用于对焊接结构和要求不高的零件。2、淬火与回火淬火将钢加热至淬火温度910+（3050），并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却。淬火剂一般为：空气，油，水，盐水等（冷却能力依次递增）作用：

28、极大的提高钢材的强度和硬度，但塑性和韧性降低。回火将零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却过程。作用：降低或消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定。回火一般与淬火联合运用，按加热温度不同，回火分三种：a、低温回火（强度大、塑性差）    b、中温回火（强度较大、韧性较好）    c、高温回火（强度大、塑性好）四、化学热处理通过加热、保温、冷却等过程，将某些化学元素渗入到零件表面，以改善其表面的化学成分和组织结构，从而使零件表面具有某些化学性能的方法。分为：渗碳、渗铝、渗铬、渗氮等。五、钢、铸铁、生铁的区别钢：指含碳量 < 2%

29、的铁碳合金。铸铁：含碳量为2.5% 4.0%的铁碳合金。生铁：含碳量 > 4.3%的铁碳合金合金钢一、合金元素对钢的影响合金钢：在碳素钢中有意加入一些特定的合金元素以改善钢材的性能。常加入的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Ti、B等。作用：提高碳素钢的强度细化晶粒改善钢的热处理性能提高钢材的耐蚀性能提高钢材的高温强度和抗高温氧化性二、合金钢的分类、牌号、性能和用途1、分类按化学成份分类低合金钢：合金元素总含量不大于5%中合金钢：合金元素总含量不大于510%高合金钢：合金元素总含量不大于10%按用途分类普通低合金钢：在普通碳素钢中加入少量合金元素。合金结构钢：在优质碳素钢中加

30、入适量合金元素。特殊性能钢：不锈钢及不锈耐酸钢、耐热钢、低温用钢。2、牌号普通低合金钢及合金结构钢牌号如：16MnCu      Mn含碳量以万分之几表示：0.16%说明：a、合金元素含量以百分数表示但当合金元素含量小于1.5%时可不标出，但必须标出化学元素符号。b、有时两种钢除一种主要元素外，其余的均相同，且这些元素含量均在1.5%以下，则含量高的加注“1”以示区别，如： 12Cr1MoV与12CrMoVc、化学元素符号必须标出。特殊性能钢（耐热、低温、不锈钢）牌号如：00Cr18Ni9Ti    &#

31、160; 含Ti < 1.5%      含Ni  9%      含Cr 18%      含C < 0.03%说明：a、含碳量用千分之一表示。b、若含碳量<0.03%时，则用“00”表示。c、若含碳量<0.08%时，则用“0”表示。三、钢材的品种和规格1、钢板：分冷轧钢板和热轧钢板。2、无缝钢管：分普通无缝钢管和石油裂化用无缝钢管。3、型钢：圆、方、扁、角钢、工字钢、槽钢。4、铸钢和锻钢：主要用于泵

32、壳、阀门、泵叶轮等制造。四、各类合金钢的性能与用途1、普通低合金钢：含碳量小于0.2%，加入合金元素，提高强度。2、锅炉钢（g）：较普通低合金钢有更高的性能要求。3、容器钢（R）：主要用于化工生产所用的容器与设备。4、不锈耐酸钢：不锈耐酸钢主要加入Ni和Cr而形成。例：1Cr18Ni9Ti又称18-8钢，18-8钢容易发生晶间腐蚀。常用于储槽、反应釜、塔器（塔盘）。防止晶间腐蚀的方法：重新淬火降低含碳量在钢中加入Ti，Nb等与C亲和力更大的合金元素，将碳固定。5、耐热钢：一般这类钢中加入Cr、Al、Si、Mo等合金元素。常用的有：12CrMo、Cr5Mo、Cr5Ni20、1Cr18Ni9Ti6

33、、低温用钢一般要求：含碳量0.08%0.18%      加入Mn，A1，Ti，Nb，V等。低温用钢牌号，应用范围：16MnR               用于制造-40的中低压容器。09Mn2V             用于制造-70的乙烯蒸馏塔等。09MnTiCuRe

34、0;     用于制造-70的乙烯蒸馏塔等。06MnNb             用于制造-75的化工设备。06A1NbCuN       用于制造-105的化工设备。15Mn26A14      目前只用到-196常用的耐热钢：1、抗氧化钢：直接受火加热但受力不大的零件。如：Cr13SiAl，Cr25Ti，

35、Cr17Ti，Cr25Ni12等。2、热强钢：抗蠕变也有一定的抗氧化能力，如炉管，反应器。如：12CrMo，Cr5Mo，1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20等。金属材料的腐蚀理论和防腐措施腐蚀是材料由于环境作用引起的破坏或变质。一、金属材料腐蚀的分类1、按化学机理分化学腐蚀：金属与环境发生化学反应，特点是没有电流产生。如，铅在四氯化碳中的腐蚀。电化学腐蚀：金属与电解质发生化学反应，特点是有微电流产生。如，铁在稀硫酸溶液中的腐蚀。2、按金属破坏特性分全面腐蚀：发生在整个金属表面。局部腐蚀：发生在金属局部区域。A、应力腐蚀如，焊接后造成的应力集中，解决办法：退火。B、孔蚀又叫点蚀，在金属局部区域

36、。C、晶间腐蚀发生在晶粒边界处并沿晶粒边缘向深处发展。如，18-8钢焊接后出现的现象。D、氢腐蚀钢在高温高压氢气作用下而变脆的现象。温度200，压力4.9MPa。防治措施：降低钢中的含碳量     加入Cr、Mo、Ti、W、V等形成稳定碳化物。二、金属腐蚀的评价方法1、根据重量变化2、根据腐蚀深度三、金属设备的防腐措施1、衬复保护层：金属保护层、非金属保护层2、电化学保护1）阴极保护：附加一直流电源，将电源阴极接入金属壳体。2）阳极保护：此法技术复杂，应用不多。3）添加缓蚀剂化工设备选材的原则一、选材的一般要求1、满足设备的工作条件2、良好的制造工艺性3

37、、结合我国的资源及国内供应情况以求经济二、钢材满足机械性能的几点具体要求1、强度操作温度400，还应考虑蠕变极限和持久极限。2、因由工作条件和经济技术指标适当的选择材料。3、塑性4、韧性5、冷弯性能6、腐蚀性能化工容器设计概述一、压力容器的结构与分类1、结构筒身、封头、人孔、支座、接管、液面计等。2、概念压力容器：指内部含有压力液体的容器。3、分类按容器放置方式分卧式容器 如：储罐      立式容器 如：塔按容器受力分内压容器：内压大于外压      外压容器：内压小于外压根据工艺过程或用途分

38、换热设备、反应设备、分离设备、储存设备。根据容器的设计压力将内压容器分低压容器：0.1p1.6MPa中压容器：1.6p10MPa高压容器：10p100MPa超高压容器：p100MPa根据压力等级、介质性质和危害程度及设备类型分类一类容器      二类容器      三类容器二、压力容器的设计、制造规范1、全国压力容器标准化技术委员会钢制压力容器GB1502、国家劳动总局压力容器安全监察规程简称容规3、石油部、化工部及一机部制定的钢制石油化工压力容器设计规定等三、容器机械设计的基本要求1、工艺设

39、计：如容器总体尺寸、传热方式、面积、接管大小、数量、方位等。2、机械设计强度、稳定性      刚度      密封性      节省材料等四、压力容器零部件的标准化1、提高产品的质量，降低成本，增大产品的互换性等。2、零部件标准化的基本参数公称直径（DN）单位mm对容器：a、由钢板卷制的筒体和成形的封头，公称直径指其内径。b、用无缝钢管作为容器的筒体时，公称直径指无缝钢管的外径。对接管：既不是管子的内径也不是管子的外径，是管子的名义直径。公称压

40、力（PN）单位MPa将压力容器或零部件承受的压力分成若干个规定的压力等级，这种规定的压力等级为公称压力。内压薄壁容器的应力理论回转薄壳的薄膜理论一、回转壳的几何特性1、薄壁容器：圆筒体的外径与内径的比值      K=Do/Di 1.22、回转壳的几何概念回转壳体：有一条平面曲线（母线）围绕同一平面内的轴线旋转一周形成的壳。如形成的壳体壁薄为回转薄壳。经线、纬线、中面（与内、外壁等距离的面）第一曲率半径R1：中面上经线（母线）上任一点的曲率即为经线上该点的第一曲率半径。（也就是经线上一点与另一点到各自切线的法线相交的点的距离）第二曲率半径R2：

41、中面上经线上任意一点切线的垂线与回转壳体旋转轴线的交点之间的距离为该点的第二曲率半径。平行圆半径R：横截面与旋转壳体的交线为平行圆，此平行圆的半径为平行圆的半径。第二曲率半径与旋转轴之间的夹角为角。二、回转壳体的薄膜理论1、无力矩理论：因为旋转壳体的壁薄，所以可以不考虑弯矩的影响，这种求应力的理论为无力矩理论。2、薄膜应力：用无力矩理论求得的应力为薄膜应力。3、回转超额分配的薄膜应力求解基本假设直法线假设：变形前垂直于中面的直线段，变形后仍保持直线并垂直于变形后的中面。（即忽略剪应力的影响）互不挤压假设：各平行中面的纤维之间互不挤压。（沿壁厚方向的正应力忽略）设变形前后壁厚不变。薄膜应力的计算

42、公式薄膜应力只有两向即经向应力、周向应力/R1+/R2=Pn/e      拉普拉斯方程=Fz/2R2eSin2=0Pnrdr/eR2Sin2      区域平衡方程得出：=PD/4 =PD/2三、无力矩理论的应用边缘应力及其特点无力矩理论的应用范围：1、回转曲面在几何上是轴对称的，壳体厚度无突变，曲率半径是连续的，材料各向同性，材料的物理性能（，）应当相同。2、载荷载壳体上的分布是轴对称和连续的，没有突变的情况，因此载荷没有任何集中载荷的作用。3、壳体边界的固定形式应该是自由支承。4

43、、要求边界上无横剪力和弯矩。一、边缘应力的产生及概念1、边缘应力产生壳体的边缘处（不能应用无力矩理论的地方）不可避免的存有支座或几何尺寸的不连续，为了保证边缘处相连接的两物体的变形协调，出现的新的应力就叫“边缘应力”。2、边缘应力的概念由于结构不连续等变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。二、边缘应力的特性边缘应力具有其特性：1、自限性当结构不连续的两相连物体之间的变形协调后，边缘应力就不会再增加了。2、局限性边缘应力只作用在结构不连续处的局部区域，超出此局部区域，边缘应力便快速衰减为零。三、边缘应力在设计中的考虑1、改变连接的边缘结构：将几何突变的结构改成光滑过渡。2、边缘区局部加强3、保证

44、焊缝区的焊接质量，降低边缘区的残余应力。4、避免在边缘区附加应力或开孔接管。内压圆筒的强度计算受内压作用的容器，其内部产生的应力为拉应力，因此，由其介质引起的载荷计算应为强度计算。一、强度计算的任务强度：容器抵抗外力作用而不致发生过大变形或断裂的能力。任务就是根据给定的公称直径以及设计压力，设计温度，依据一定的强度失效准则，设计出合适的壁厚，以保证设备安全运行。二、强度失效准则概念：是容器判废的依据。根据GB150，内压薄壁容器的设计，采用的强度失效准则为第一强度理论即最大主应力理论。强度条件：eq=1t三、内压薄壁圆筒的设计壁厚设计公式为：=PcDi/（2t-Pc）式中：P设计压力 MPaP

45、c计算内压力 MPa      Pc=P+y液H 当液柱引起的液压力小于5%设计压力时，     PcP计算厚度 mmDi圆筒体的内径 mm焊缝系数t设计温度下材料的施用应力 MPa最终厚度n还需考虑一些制造、腐蚀等因素的影响：设计厚度： d=+C2名义厚度：n=d+C1再向上圆整（偏大）至标准厚度有效厚度：e=n-C1-C2式中：C1板厚负偏差 mm      C2腐蚀余量 mm公式适用范围：P 0.4t内压球壳的强度计算一、内压球壳

46、的壁厚设计公式为：=PcDi/（4t-Pc）设计厚度：d=+C2 名义厚度：n=d+C1再向上圆整（偏大）至标准厚度 有效厚度：e=n-C1-C2 公式适用范围：P 0.4t设计参数的确定一、计算内压力与设计温度1、计算内压力Pc指在相应设计温度下，用以计算元件厚度的压力，包括液柱静压力。Pc=P+y液H2、设计压力P设定在容器顶部的最高压力，与设计温度一起作为设计载荷，其值不低于工作压力（指表压）P Pmax一般当容器中装有安全阀或爆破膜时P=（1.051.1）Pmax当元件承受的液柱静压力小于5%设计压力时，液柱的静压力可忽略。 则：Pc P3、设计温度在相应的设计压力下壳体或元

47、件可能达到的最高或最低温度，与材料的选择及许用应力的选择有关。设计温度 容器操作时的最高温度（+20）设计温度 容器操作时的最低温度二、焊缝系数 对焊接缺陷加以补偿，的大小取决于焊缝型式以及无损探伤的检验要求。注意：1、如同一容器中有几种焊缝系数，则分别计算，取壁厚最大值作为容器的计算壁厚。2、若用无缝钢管作为压力容器的筒体时，可以取1.0三、厚度1、厚度附加量CC=C1+C2C1为板厚负偏差，由钢板的名义厚度确定（反算法）当钢板厚度负偏差 0.25mm，且 6%n，可取C1=0C1也可根据需要限定，此时C1=0.25mm腐蚀余量C2C2=KaB式中：Ka腐蚀速度  

48、60;   毫米/年B容器设计寿命（10-15年）2、各种厚度最小厚度min不包括腐蚀余量在内的人为规定的为了满足刚度要求的圆筒体厚度。 a、对碳素钢和低合金钢，当：Di 3800mm，min=2Di/1000 mm，且不少于3mm。Di > 3800mm，min按运输和现场安装条件定。b、对不锈钢，min=2mm若min < 则取 n=min+C2其它厚度四、许用应力和安全系数许用应力的计算公式：t=极限应力/安全系数t与设计温度及板厚有关。五、内压薄壁容器强度设计步骤1、由工作压力P及工作温度t得出设计压力、设计温度及计算压力Pc2、由操作条件（P

49、、t，介质是否腐蚀）确定容器的材料，然后选择t，C3、计算厚度=PcDi/（2t-Pc）名义厚度：n=+C再向上圆整至标准厚度六、内压薄壁容器强度校核步骤有效厚度：e=n-C1-C2容器的强度校核：判断      t=Pc(Di+e)/(2e)t七、压力试验1、类别：强度试验、致密性试验试验用介质：液体、气体2、试验压力：PT=1.25P/t/t1.8      /t1.8取 /t=1.8这里有一个经验公式：如果设计温度200，那么/t=13、压力试验的应力校核液压试验：卧式：T=PT(Di+e

50、)/(2e)0.9s立式：T=(PT+y液H)(Di+e)/(2e)0.9s气压试验：T=PT(Di+e)/(2e)0.8ss为板材的屈服线（可查表）4、压力试验的注意事项液压试验温度应低于液体的沸点温度而高于材料的转脆温度。采用洁净水进行水压试验，完毕后用压缩空气将内部吹干。不适合接触液体的容器，应采用气压试验。凸形封头的强度封头就是容器的端盖。种类：锥形封头、凸形封头（椭圆形、半球形、碟形）、平盖板封头。一、椭圆形封头标准椭圆形封头的长短轴之比为12计算厚度公式：=PcDi/(2t-0.5Pc)注意：标准椭圆形封头一般带有直边，以减小边缘应力的影响。e   0.15%D

51、i二、半球形封头(受力最好，制造难度大)计算厚度公式：=PcDi/（4t-Pc）三、碟形封头(应力分布比标准椭圆形封头差一些)计算厚度公式：=MPcR1/(2t-0.5Pc)形状系数M=1/4(3+R1/r)标准碟形封头 R1=0.9Di     r=0.17Di则    =1.2PcDi/(2t-0.5Pc)注意：标准碟形封头一般带有直边，以减小边缘应力的影响。e   0.15%Di外压容器一、外压容器的失稳外压容器的稳定性 （用到的直径都是中径）1、概念受力特征与受内压作用的圆筒的薄膜应力相同，但为压

52、应力。即：= - PR/2e       = - PR/e破坏形式当受到外压时，在未发生强度破坏之前，就已经发生周向压瘪或纵向弯曲了，这种现象称为失稳。失稳在容器所受的压力（外压）达到某一临界值（Pcr）后，开始出现弯曲等形状的变化就叫失稳。这个临界值就称为临界应力Pcr2、外压容器失稳后的形状外压容器因为周向压应力大，所以，容器发生失稳首先在圆周方向上发生失稳，即圆筒体压瘪。二、临界压力Pcr的概念反映外压容器抗失稳的能力。1、影响因素几何尺寸：L/Do，e/Do ，长度越大，越容易失稳，板材的有效厚度越小，越容易失稳。物理参数圆筒

53、体的椭圆度和材料的不均匀性的影响。Pcr与材料的强度无关。2、长、短圆筒和刚性圆筒的划分长圆筒当L/Do值较大时，Pcr与L无关，容器失稳后的波数n=2。短圆筒当L/Do值较小时，Pcr与L/Do，e/Do有关，容器失稳后的波数为n>2的正整数。刚性圆筒当L很小时，容器受到外压作用，先发生的是强度破坏，这样的短圆筒为刚性圆筒。外压圆筒的公式设计法一、稳定性破坏条件要使外压力薄壁容器不发生失稳的条件是：P  Pc r/m  或  P P式中：P容器承受的外压MPaPcr临界压力MPam稳定系数，对于钢制圆筒 m=3.0P许用外压力，P=Pcr/m二、

54、临界压力的数学表达式1、长圆筒的临界压力：Pcr=2.2Et/(1- 2)(e/D)3式中：e有效厚度，mmD圆筒中径，mmEt材料设计温度下的弹性模量，MPa泊松比，对于钢制圆筒=0.3所以：Pcr=2.2Et/(e/D)32、短圆筒的临界压力：Pcr=2.59Ete2/（LDD/e）式中：L计算长度，mm     L=Lo+2/3h     如有加强圈，则为两加强圈之间的距离。 h两端封头的深度 3、刚性圆筒：只需进行强度计算=Pc(Di+e)/(2e)t压=ts/4   

55、;           ts屈服线长、短圆筒的临界压力通用公式：Pcr=KE(e/Do)3 K= f (L/Do，Do/e)三、临界长度LcrLcr=1.17D(D/e)L<Lcr  属短圆筒      L>Lcr  属长圆筒四、外压圆筒设计的计算法步骤：1、由工艺计算确定D、L，查Et，假设n2、计算临界长度Lcr，并判断属长短圆筒3、代入相应的长圆筒或短圆筒的Pcr公式中，得计算压力Pcr4、判断：P

56、cPcr/m（对于钢制圆筒 m=3.0）若满足，n合适；若不满足，重复以上步骤，直至满足为止。外压圆筒的图算设计法（图算法）适用于任何形式下的稳定性设计在图算法中用到的直径是外径一、图算法步骤：二、外压容器设计参数的确定1、设计压力P一般P=0.1MPa当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，P=1.25P与P=0.1MPa的小值。P为容器内外压力差。2、压力试验外压容器及真空容器以内压进行压力试验，试验压力与试验强度校核公式与内压容器的压力试验相同。对夹套容器：内容器与内压容器压力试验相同。外容器与内压相同，但内容器必须进行稳定性校核。若不满足稳定性要求，可是内容器有压差，保证试验时的压力差小

57、于设计时的内外压差。3、计算长度L（前面已讲过）外压圆筒的加强圈设计一、加强圈的作用与结构1、设置加强圈的目的：减小计算长度，提高外压容器的稳定性。2、加强圈的类型：扁钢、工字钢、角钢、槽钢等。3、加强圈的连接焊在外壁，焊缝总长1/2圆周长，最大间距 8 n焊在内壁，焊缝总长1/3圆周长，最大间距 12 n二、加强圈的设计步骤As截面积      Jy惯性距       Js工业估算值外压封头设计一、球形封头及半球形封头二、椭圆形和碟形封头例题：压力容器开孔与接管容器壳体开孔时的应力集中一、基本概念1、应力集中现象由于开孔接管后，壳体的结构连续性破坏，此处在操作压力作用下，会产生比不开孔接管时基本应力大数倍的应力，这种现象叫应力集中现象。2、应力集中系数（K）指开孔边缘的最大应力值与壳体上不开孔时的最大应力之比。 K=实际/式中：基本应力      对球壳：=PR/2对筒体：=PR/实际开孔