化工设备常用材料课件

化工机器与设备员工培训化工设备材料与防腐2从真空到高压

化工设备选材操作条件的限制

压力温度介质从低温到高温腐蚀性、易燃易爆、有毒甚至剧毒制造条件的限制设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性能要好。第一节化工设备常用材料3力学性能（机械性能）物理性能化学性能加工工艺性能一、材料的性能5材料的力学性能（机械性能）包括：⑴力学性能强度刚度稳定性塑性韧性硬度6密度熔点线膨胀系数导热性、导电性⑵物理性能7①可铸性：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。灰铸铁和青铜铸造性好；②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；③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的熔焊性能。低碳钢的可焊性很好；④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。⑷加工工艺性9（一）分类金属黑色金属（钢铁）生铁钢碳钢合金钢有色金属：二、

金属材料的分类与牌号铜、铝、铅、钛及其合金炼钢生铁铸造生铁合金生铁10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11（二）钢的牌号与表示方法钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。

国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB221-79）中规定：我国钢号采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的表示方法。①钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si，Mn，Cr……等。②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示。如R、F等。

③钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。

13（三）碳钢含碳量0.02%～2%，另外还含有硫、磷、锰、硅等杂质。常存杂质元素对钢材性能的影响（1）硫：有害元素，“热脆”现象。（2）磷：有害元素，“冷脆”现象。（3）锰：有益元素，减少“热脆”现象。（4）硅：既有有益的一面，又有有害的一面。14普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个品种十种钢号。Q

235－A

F质量等级为A，共分A、B、C、D四级屈服极限σs=235MPa脱氧方式：有Z、TZ、F、b四种，其中Z和TZ可省略。屈1.普通碳素结构钢含硫、磷杂质较多，钢的牌号由四部分组成。15GB/T700-1988标准

GB700-79标准化学成分和力学性能均须保证A类钢——保证力学性能，B类钢——保证化学成分，C类钢——保证化学成分及力学性能。Q195

A1；B1Q215

A2；C2Q235

A3；C3Q255

A4；C4Q275

C5碳素结构钢新、老标准钢号对照其中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。17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。

2.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18①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。②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。③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：19硫、磷含量更低。表示方法：在优质钢号后面加一个A字，如20A。4.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；3.高级优质钢21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。④铸钢和锻钢22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。常加的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)，铝(Al)等。合金钢的分类（四）合金钢低合金钢：合金总含量<5%中合金钢：合金总含量5%-10%高合金钢：合金总含量>10%①按合金元素总含量分：合金结构钢

——低合金结构钢、渗碳钢、调质钢等。合金工具钢

——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢

——不锈钢、耐热钢、耐磨钢。②按用途分：23新牌号

如Q345B、Q345C

Q：屈服强度

345：指屈服极限S=345MPa

C：质量等级，A、B、C、D、E旧钢号（仍常用）如16Mn、16MnR

16：平均含碳量的万分数，含碳0.16%左右。

Mn：合金锰1%左右。⑴普通低合金结构钢牌号25钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s

，MPab

，MPa5，%Q29509MnNb

12Mn0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnR0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRE

15MnVN0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb0.201.00

~1.700.5546072017

常用低合金结构钢的牌号、成分、性能(摘自GB/T1591-1994)26①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。②镍Ni能提高不锈钢的耐蚀范围，耐电化学腐蚀。③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。④钛Ti和铌Nb防止焊接用不锈钢产生晶间腐蚀。（1）不锈钢中的合金元素29×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%（2）不锈钢的牌号30马氏体不锈钢是指在室温下具有马氏体组织的铬不锈钢，其碳含量较高，如2Cr13、3Cr13等。1Cr13～2Cr13：含碳量低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。（3）马氏体型不锈钢（4）铁素体不锈钢化学成分:含碳：0.1%左右，含铬：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。31奥氏体不锈钢的基本型是Cr18Ni8~10（亦称18-8钢）。①化学成分特点：

含碳

<0.14%、含铬：17～19%、含镍：8～10%、Cu、Ti、Mo等。②含C量低，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。③牌号：0Cr18Ni9

、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2、0Cr19Ni13Mo3、00Cr19Ni13Mo3等。（5）奥氏体不锈钢32我国和美国、日本常用不锈钢钢号的近似对照

日本（JIS）美国（AISI）中国（GB）SUS3043040Cr18Ni9SUS304L304L00Cr19Ni10SUS309S309S0Cr23Ni13SUS310S310S0Cr25Ni20(1Cr25Ni20Si2)SUS3163160Cr17Ni12Mo2SUS316L316L00Cr17Ni14Mo2SUS3173170Cr19Ni13Mo3SUS317L317L00Cr19Ni13Mo3SUS3213210Cr18Ni10TiSUS4304301Cr17SUS4104101Cr13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σb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。（五）铸铁34常用含碳2.5%～4.0%，80%以上碳以片状石墨存在，断面暗灰色，故得名。①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。②力学性能：强度低，硬度高，塑性很差。③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35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。①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。②牌号：如QT400-18，其中400表示σb＝400MPa，

18表示δ=18%。③常用：QT400-17、QT420-10、QT500-5、QT600-2、QT700-2、QT800-2等。2.球墨铸铁36①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。②牌号：STSi11Cu2CrR、STSi15R等。③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。④应用：常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器3.高硅铸铁37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。（六）有色金属38

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；耐腐蚀性好，可耐硫酸盐、氨水、多种有机介质的腐蚀；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.常用的有防锈铝、铝硅合金及铸造铝合金等。1.铝及铝合金39良好的耐蚀性和低温力学性能。纯铜（紫铜）对大气、水、海水、、碱类溶液的耐蚀能力很好，但不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液的腐蚀。黄铜（铜-锌合金）力学性能比纯铜高，耐蚀性能与纯铜相似，在大气中耐腐蚀性比纯铜好，价格便宜，应用较广。纯铜及黄铜主要用于制冷设备。青铜（锡青铜、铝青铜等）耐腐蚀、耐磨性好，可用作轴承、轴套等。2.铜及其铜合金40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.镍及其合金41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。可用来制造管件、泵壳、叶轮等。4.铅及其合金425.钛及其合金①密度小、熔点高，纯钛是纯白色轻金属，钛合金的密度也较小。②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，σb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。③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。43（一）无机非金属材料1.化工陶瓷可耐除氢氟酸、硅氟酸、强碱及热磷酸外介质的腐蚀，一定的耐热性和一定机械强度。导热性差，热膨胀系数较大，受碰击或温差急变易破裂。2.化工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、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。二、化工常用非金属材料444.玻璃化工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。5.不透性石墨由各种树脂浸渍石墨消除孔隙后得到。热膨胀系数小，耐温度急变性好；不污染介质，能保证产品纯度；加工性能良好。机械强度较低、性脆。常被用来作腐蚀性强介质的换热器，如氯碱生产中应用的换热器和盐酸合成炉。451.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。（二）有机高分子材料46

⑴硬聚氯乙烯（PVC）塑料在大部分酸碱盐类溶液中耐蚀。使用温度为－10～+55℃。当温度在60～90℃时，强度显著下降。成型加工性能好并可进行焊接，还有一定的电气绝缘、隔热、阻燃等性能。可代替不锈钢、铅、橡胶等，用做塔器、储槽、泵、阀门、管道。47

⑵聚乙烯（PE）塑料在室温下，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。48

⑶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。

⑷聚四氟乙烯（PTFE）塑料耐强腐蚀性介质腐蚀。甚至超过贵重金属金和银，有“塑料王”之称。常用作耐腐蚀、耐高温密封元件及高温管道。有良好的自润滑性，可以用作无油润滑压缩机的活塞环。有突出的耐热和耐寒性，使用温度范围为－200℃～250℃。49又称玻璃纤维增强塑料。玻璃纤维是由熔融的玻璃经快速拉伸,，冷却所形成的纤维。用合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，以层压或缠绕的方法成型，以这样的方法制作得到的复合材料又称为玻璃钢。玻璃钢质轻、强度高、耐腐蚀，导热系数小，良好的工艺性能，可与金属焊接，并且有优良的电绝缘性、耐候性。是一种新型非金属材料。⑸玻璃钢50玻璃钢的强度非常高，可达到某些合金钢的水平，比重1.8～2.1g/cm3，只有钢铁的1／5左右，即材料的比强度很高。玻璃钢具有特殊的耐化学腐蚀性能，在存储各种酸、碱、盐、油类及有机溶剂等化学腐蚀性介质时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性；可用作设备衬里、整体玻璃钢设备、管道、阀门等。⑸玻璃钢51通过改变树脂增强材料，可调整玻璃钢容器的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要；环氧玻璃钢：常用，耐水、耐碱性好，与金属粘接力强，机械强度高；酚醛玻璃钢：耐酸、耐溶剂性好；呋喃玻璃钢：耐酸、碱、溶剂性好，耐温较高；聚酯玻璃钢：耐稀硫酸、油性好，施工方便。⑸玻璃钢玻璃钢风机亚硫酸吸收塔52通过结构层厚度、缠绕角和工艺铺层结构的设计可调整罐体的承载能力，制成不同压力和某些特殊性能的玻璃钢容器或装置，这是各向同性的金属材料无法与其相比的；玻璃钢的缺点是它的刚性不如钢铁，即受力后易发生形变。另外，玻璃钢耐高温性能较差，当温度超过40℃时，强度不易保持。⑸玻璃钢玻璃钢管道53有天然与合成两大类。性能：高弹性，永久变形很小，有良好的储能性。应用：主要用于动、静密封。如作为各种油封、轴衬、垫片等，用于转轴、管道和法兰的密封。也可作为金属设备的防腐蚀衬里。还可与其他材料（金属、纤维）复合，用作传输软管、输送胶带、三角皮带等。2.橡胶54品种多，选择范围广、适应性强、使用方便、价格低、适于现场施工等。涂层较薄容易脱落，应用受到了限制。防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆以及某些塑料涂料，如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。用静电喷涂。涂料利用率高，容易进行机械化、自动化的大型生产，减少溶剂和涂料的挥发和飞溅，涂膜质量稳定。3.涂料55第二节

化工设备的腐蚀与防护腐蚀对化工生产的危害极大，故选材时应注意材料的腐蚀与防护。56

1.金属的腐蚀当金属与周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。金属腐蚀可对设备造成严重后果，引起跑、冒、滴、漏，直至最终破坏。一、金属材料的腐蚀金属腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀57金属腐蚀均匀腐蚀

非均匀腐蚀（局部腐蚀）孔蚀（点蚀）缝隙腐蚀应力腐蚀晶间腐蚀2.金属破坏形式58

缝隙腐蚀59二、金属设备的防腐蚀措施1.合理选择耐蚀材料根据工作温度、介质，查《腐蚀数据手册》，一般应选用腐蚀速度

＜0.1毫米/年的材料；2.设计合理的设备结构注意防壁流、防积液、防间隙、防死角。3.衬覆保护层在金属表面生成或衬覆保护性覆盖层，可以将金属与腐蚀介质隔离开，是普遍采用的防腐蚀措施.60

衬覆保护层①金属保护层电镀(Cr、Ni、Sn、Pb、Zn、Cd等）、热镀（Zn、Sn、Al）、包镀（Al、Ni）…，还可采用金属衬层保护，如衬不锈钢、衬铅等。或采用不锈钢复合钢板。61②非金属保护层

分为涂层和衬层，涂层又有无机涂层和有机涂层。无机涂层指搪瓷、玻璃、硅酸盐和水泥涂层。有机涂层包括涂料（油漆）、塑料涂层和硬橡皮层。常用的涂料有酚醛树脂涂料、环氧树脂涂料等。塑料涂层适用压层法将塑料薄膜黏结在钢材表面。衬层主要有橡胶、塑料、瓷砖、辉绿岩板、不透性石墨和硬橡皮衬层。62

衬层—橡胶、塑料、玻璃钢、耐酸瓷板等非金属涂料—各种漆类、环氧树脂涂料、塑料涂料等覆盖层电镀—镀锌、镀铜、镀镍等喷镀化学镀