化工设备机械基础(第四版)第1章化工设备材料及其选择

1、第第1章章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择一、化工设备概述一、化工设备概述二、材料的机械性能二、材料的机械性能三、材料的物理化学性能三、材料的物理化学性能四、金属材料的分类与牌号四、金属材料的分类与牌号五、碳钢与铸铁五、碳钢与铸铁六、特种钢、有色金属与非金属六、特种钢、有色金属与非金属七、化工设备防腐及防腐措施七、化工设备防腐及防腐措施八、化工设备选材的原则八、化工设备选材的原则一、化工设备概述按压力分类:1. 1. 设备的分类设备的分类内压容器低压容器(L) 0.1 P1.6MPa中压容器(M) 1.6 P10MPa高压容器(H) 10 P100MPa超高压容器(U) P 100M

2、Pa外压容器容器按温度分类:容器高温容器：高温容器指在壁温达到材料蠕变温度下工作的容器。对碳素钢或低合金钢容器，温度超过420，合金钢超过450，奥氏体不锈钢超过550。常温容器：-20 200 中温容器：温度介于高温与常温之间的容器低温容器浅冷容器： -40 t -20 深冷容器： t 2%铸铁严格地讲，应2.11%4.3%铸铁无实际应用价值实际上，金属强度远远低于由金属离子键能计算出来的理论强度，实际上，金属强度远远低于由金属离子键能计算出来的理论强度，为什么？为什么？晶界处的机械性能比晶粒差，为什么？晶界处的机械性能比晶粒差，为什么？由于晶体往往存在晶体缺陷；由于晶体往往存在晶体缺陷；晶

3、界处于案子排列不整齐。晶界处于案子排列不整齐。1. 1. 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构1.1 金属的晶体结构1.2 金属铁的三种点阵结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格同素异构转变是固态铁原子重同素异构转变是固态铁原子重新排列的过程，也是一种结晶新排列的过程，也是一种结晶过程；过程；居里温度：金属由有磁性变为居里温度：金属由有磁性变为无磁性的温度。无磁性的温度。1.3 纯铁的同素异构转变(1). 碳溶解在铁的晶格中形成固溶体碳溶解在铁的晶格中形成固溶体1.4 铁碳合金的基本组织 铁素体：碳溶解在铁素体：碳溶解在-Fe 中形成的固溶体。中形成的固溶体。 0.006% 强度硬度低、韧性

4、塑性好。强度硬度低、韧性塑性好。 奥氏体：碳溶解在奥氏体：碳溶解在-Fe 中形成的固溶体。中形成的固溶体。 最多最多2.06% 强度硬度高，韧性好，塑性低，无磁性。强度硬度高，韧性好，塑性低，无磁性。 只有在只有在t723 时，奥氏体才存在。时，奥氏体才存在。 马氏体：钢铁从高温奥氏体状态急淬下来的固溶体。马氏体：钢铁从高温奥氏体状态急淬下来的固溶体。 硬度高、但很脆，不稳定。硬度高、但很脆，不稳定。(2). 碳与铁形成化合物碳与铁形成化合物渗碳体渗碳体Fe3C 又脆又硬，熔点高。当碳含量大于又脆又硬，熔点高。当碳含量大于2% 时，部分碳时，部分碳以游离的形式存在于铁碳合金中，即为铸铁。渗碳体

5、以游离的形式存在于铁碳合金中，即为铸铁。渗碳体在一定条件下可分解成铁与碳，但这种游离的碳是以在一定条件下可分解成铁与碳，但这种游离的碳是以石墨的形式存在的，对强度影响极大。石墨的形式存在的，对强度影响极大。 (3). 碳与铁形成混合物碳与铁形成混合物 珠光体：铁素体珠光体：铁素体(88%)和渗碳体和渗碳体(12%)组成，平均含碳量组成，平均含碳量为为0.8%。性能介于铁素体与渗碳体之间。性能介于铁素体与渗碳体之间。 莱氏体：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的莱氏体：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的组织。组织。1.5 铁碳合金状态图(亚共析钢亚共析钢)(过共析钢过共析钢)铁的熔点铁

6、的熔点-Fe -Fe 共晶白口铁共晶白口铁含碳量（百分含量含碳量（百分含量）1.6 1.6 碳含量对碳钢机械性能的影响碳含量对碳钢机械性能的影响v 对碳钢性能有利的元素2. 2. 杂质元素对碳钢性能的影响杂质元素对碳钢性能的影响 锰锰(Mn)：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用； 硅硅(Si)：有利于脱氧； 绝大多数金属元素：如钛、铬、镍等。v 对碳钢性能有害的元素 硫硫(S)：热脆性； 磷磷(P)：冷脆性； 氧(O)：降低钢的机械性能； 氮(N)：时效现象，使钢的塑性降低； 氢(H)：氢腐蚀。一般而言，金属元素的一般而言，金属元素的存在有利，非金属元素存在有利，非金属元素存在不利。存在不利。

7、 退火与正火退火与正火3. 3. 钢的热处理钢的热处理6 退火退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓慢冷却下来。6 正火正火：将加热后的工件从炉中取出，置于空气中冷却。6 退火与正火：可降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力。6 正火烧出来的粒子更细。 钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式。以钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式。以改变其组织，满足不同要求的物理、化学和机械性能。改变其组织，满足不同要求的物理、化学和机械性能。 淬火与回火淬火与回火6 淬火淬火：将钢加热到淬火温度临界点以上3050 ，并保温一定时间

8、，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。可提高硬度、强度和耐磨性。6 回火回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。可降低或消除淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所需要的性能。4. 4. 铸铁铸铁低合金钢低合金钢 如15MnTi锅炉钢锅炉钢 如20g容器钢容器钢 如20R不锈耐酸钢：不锈耐酸钢：如0Cr13、1Cr18Ni9耐热钢耐热钢 如Cr25Ti、12CrMo耐低温钢耐低温钢 如15Mn26Al4六、特种钢、有色金属、非金属材料1. 1. 特种钢特种钢 铝及其合金：其钝化性可用来制造浓硫酸设备； 铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、紫铜； 铅及其合金 钛

9、及其合金：还可用于航空与医疗2. 2. 有色金属有色金属 热塑性材料与热固性材料 PVC PE：HDPE、LDPE PMMA PTFE3. 3. 非金属材料非金属材料 据报道，由于腐蚀每年报废的金属设备与材料约相当据报道，由于腐蚀每年报废的金属设备与材料约相当于金属年产量的三分之一；于金属年产量的三分之一； 钢材价格日益上扬：目前钢材价格日益上扬：目前Q235A的价格为的价格为3700元元/吨。吨。 在化学工业中，由于设备腐蚀而造成的生产事故也时在化学工业中，由于设备腐蚀而造成的生产事故也时有发生。有发生。七、化工设备腐蚀与防腐1. 1. 金属腐蚀的评定方法金属腐蚀的评定方法一般只应用于均匀腐

10、蚀。一般只应用于均匀腐蚀。(1). 根据重量变化来评定金属的腐蚀根据重量变化来评定金属的腐蚀hmgtFppK210(2). 根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀)/(76. 8100036524ammKKKa金属与介质之间单纯由化学变化所引起的腐蚀(无电流产生)。钝化作用活化作用2. 2. 金属腐蚀的分类金属腐蚀的分类2.1 化学腐蚀2.1.1 金属的高温氧化及脱碳金属的高温氧化及脱碳防止办法：可添加适量的合金元素如铬、硅、铝等。防止办法：可添加适量的合金元素如铬、硅、铝等。2.1.2 氢腐蚀氢腐蚀 在较低的温度和压力下，氢气一般对普通碳钢不会有明显的在较低的温度和压力下，

11、氢气一般对普通碳钢不会有明显的腐蚀，但在高温高压下则能使材料的机械性能和塑性发生显腐蚀，但在高温高压下则能使材料的机械性能和塑性发生显著下降；著下降； 在合成氨工业中，就需要特别注意氢腐蚀现象的发生；在合成氨工业中，就需要特别注意氢腐蚀现象的发生； 氢腐蚀分为两个阶段：氢腐蚀分为两个阶段：氢脆阶段氢脆阶段：氢气直接被钢材吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，氢气直接被钢材吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，溶解在铁素体中形成固溶体，此时并未发生化学变化，但是钢材显著溶解在铁素体中形成固溶体，此时并未发生化学变化，但是钢材显著变脆，塑性减少。变脆，塑性减少。 氢侵蚀阶段氢侵蚀阶段：这时氢气与渗碳体发生

12、化学反应这时氢气与渗碳体发生化学反应 42332CHFeHCFe 这一化学反应常发生在晶界处，生成的甲烷气聚集在晶界原有的这一化学反应常发生在晶界处，生成的甲烷气聚集在晶界原有的微观孔隙中，形成局部高压，引起应力集中，使晶界变宽，发生更大微观孔隙中，形成局部高压，引起应力集中，使晶界变宽，发生更大的裂纹，或在钢材表层夹杂等缺陷中形成鼓泡，使机械性能降低。的裂纹，或在钢材表层夹杂等缺陷中形成鼓泡，使机械性能降低。 防止办法：防止办法：降低钢中的碳含量，使其没有渗碳体的析出；添加合金元素，如铬、钛、钼、钨、钒等，形成稳定的碳化物2.2 电化学腐蚀(电化学腐蚀：电化学腐蚀：有电流产生；(电化学腐蚀发

13、生的三个必要条件电化学腐蚀发生的三个必要条件 阳极过程 阴极过程 电子流动3. 3. 金属腐蚀破坏的形式金属腐蚀破坏的形式两种相互接触的不同金属浸两种相互接触的不同金属浸在腐蚀介质中，由于存在电在腐蚀介质中，由于存在电位差，其中电位较低的金属位差，其中电位较低的金属往往会受到腐蚀；往往会受到腐蚀；防止办法：可将处于腐蚀介防止办法：可将处于腐蚀介质中的不同金属连接用绝缘质中的不同金属连接用绝缘材料隔开。材料隔开。4. 4. 几种特殊的腐蚀形式几种特殊的腐蚀形式(1). 电偶腐蚀电偶腐蚀(双金属腐蚀双金属腐蚀)避免电偶腐蚀的例子避免电偶腐蚀的例子金属在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的破裂金

14、属在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的破裂;这里所说的拉应力这里所说的拉应力,其来源可以是残余内应力、也可以是构件其来源可以是残余内应力、也可以是构件在使用过程中所承受的各种应力；在使用过程中所承受的各种应力；压应力不会产生应力腐蚀；压应力不会产生应力腐蚀；使材料发生应力腐蚀的介质不是一般的介质，而是特定的介使材料发生应力腐蚀的介质不是一般的介质，而是特定的介质。质。(2). 应力腐蚀应力腐蚀防止应力腐蚀的办法：合理选材、控制应力、减弱介质的浸防止应力腐蚀的办法：合理选材、控制应力、减弱介质的浸蚀性、消除残余应力，避免应力集中。蚀性、消除残余应力，避免应力集中。金属部件在介质中，如若金属

15、与金属或金属与非金属之间存金属部件在介质中，如若金属与金属或金属与非金属之间存在特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞留状态，从而引起在特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞留状态，从而引起缝内金属的加速腐蚀。缝内金属的加速腐蚀。几乎所有的金属和合金都会产生缝隙腐蚀，只是对腐蚀的敏几乎所有的金属和合金都会产生缝隙腐蚀，只是对腐蚀的敏感性有所不同，不锈钢的敏感性比碳钢高；感性有所不同，不锈钢的敏感性比碳钢高；几乎所有的介质都可能产生缝隙腐蚀，其中以充气的含活性几乎所有的介质都可能产生缝隙腐蚀，其中以充气的含活性阴离子阴离子( (如氯离子如氯离子) )的中性介质最易发生的中性介质最易发生; ;(3). 缝

16、隙腐蚀缝隙腐蚀应尽量避免形成缝隙应尽量避免形成缝隙, ,采用焊接比螺栓连接好；采用焊接比螺栓连接好；罐体不要直接置于多孔性基底上，应加支架或支座；罐体不要直接置于多孔性基底上，应加支架或支座；设计的容器要能使液体能完全排净；设计的容器要能使液体能完全排净；避免锐角和静滞区。避免锐角和静滞区。法兰连接垫片尽可能是不吸水的，如聚四氟乙烯材料。法兰连接垫片尽可能是不吸水的，如聚四氟乙烯材料。防止缝隙腐蚀的方法防止缝隙腐蚀的方法: 在金属表面的局部地区出现向深处发展的腐蚀小孔，这些小孔在金属表面的局部地区出现向深处发展的腐蚀小孔，这些小孔有的孤立存在，有些则紧凑在一起，看上去像一片粗糙的表面，有的孤立

17、存在，有些则紧凑在一起，看上去像一片粗糙的表面，这种腐蚀形态称为点腐蚀；这种腐蚀形态称为点腐蚀；破坏性大，而且不易发现；破坏性大，而且不易发现；易钝化的金属与合金如铝、钛合金，在含有氯离子的介质中很易钝化的金属与合金如铝、钛合金，在含有氯离子的介质中很容易发生点腐蚀；容易发生点腐蚀；点腐蚀通常发生在静滞的液体中，提高流速会减轻点腐蚀，如点腐蚀通常发生在静滞的液体中，提高流速会减轻点腐蚀，如打海水的水泵如连续运转使用很好，但一旦停止使用一段时间，打海水的水泵如连续运转使用很好，但一旦停止使用一段时间，就会发生点腐蚀；就会发生点腐蚀；防止办法：同缝隙腐蚀。防止办法：同缝隙腐蚀。(4). 点腐蚀点腐

18、蚀腐蚀沿着晶界和它邻近区域产生和腐蚀沿着晶界和它邻近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀却很轻微，发展，而晶粒本身的腐蚀却很轻微，这种腐蚀称为晶间腐蚀；这种腐蚀称为晶间腐蚀；晶间腐蚀会使晶粒间的结合力大大晶间腐蚀会使晶粒间的结合力大大削弱，严重时使机械性能完全丧失，削弱，严重时使机械性能完全丧失，如遭受晶间腐蚀的不锈钢，表面看如遭受晶间腐蚀的不锈钢，表面看起来完好无损，一敲则成碎粒；起来完好无损，一敲则成碎粒；防止办法：在不锈钢中加入钛、铌；防止办法：在不锈钢中加入钛、铌；采用超低碳不锈钢，如采用超低碳不锈钢，如00Cr18Ni19。(5). 晶间腐蚀晶间腐蚀 同时存在着腐蚀和机械磨损，两者互相加速的腐蚀称为磨损同时存在着腐蚀和机械磨损，两者互相加速的腐蚀称为磨损腐蚀；腐蚀； 如：运动的螺旋桨可使液体蒸汽压降低，从而使液体蒸发成如：运动的螺旋桨可使液体蒸汽压降低，从而使液体蒸发成气泡，当到一定程度时，气泡破裂的冲击波气泡，当到一定程度时，气泡破裂的冲击波(可达可达140MPa)使金属表面的保护膜受到破坏，加剧了腐蚀。使金属表面的保护膜受到破坏，加剧了腐蚀。(6). 磨损腐蚀磨损腐蚀 用耐腐蚀性更强的金属或合金包覆在设备表