第一章化工设备常用材料及其选择

化工设备机械基础

2023/5/24

化工生产和化工机械化工生产是以流体（气体、液体、粉体）为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获得设计规定的产品为目的的工业生产。化工生产过程的决定因素：化学工艺过程化工机械装备化工机械通常分为：化工设备（静设备）

化工机器（动设备）2023/5/24化工设备：

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2023/5/24化工生产自身的特点：1、生产的连续性强2、生产的条件苛刻介质的腐蚀性强；温度和压力变化大介质大多易燃易爆有毒性生产原理的多样性

2023/5/24本课程主要内容：

1、化工设备材料及其选择（第1章）

2、化工容器的设计（第2-6章）

1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计；

2）外压圆筒与封头的强度设计；

3）容器的零部件（法兰开孔补强）。

3、典型化工设备的机械设计（第7-8章）

1）换热器；

2）塔设备；

2023/5/24要求：了解材料的各种性能，影响材料性能的因素，化工设备常用材料，学会根据工艺条件选用化工设备材料；掌握薄壁容器筒体与各种封头的强度、稳定设计原则，掌握中、低压容器的强度、稳定设计方法；掌握容器零部件的设计计算和选用标准；掌握列管式换热器、塔设备结构设计与机械设计方法。2023/5/24本章重点：材料的力学性能及化工设备材料的选择本章难点：材料的性能计划学时：8学时第1章化工设备材料及其选择2023/5/241.1概述1.1.1化工设备选材的重要性和复杂性1、操作条件的限制压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求温度：-250℃～2000℃，材料受冷、热介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反应堆中子照射（变脆)2、制造条件的限制设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性能要好。2023/5/241.1概述1.1.2选用材料的一般要求（1）材料品种应符合我国资源和供应情况；（2）材质可靠，能保证使用寿命；（3）足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）成本低，经济上合算。

选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则。2023/5/241.2材料的性能

材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、电阻率、弹性模数、泊桑比等；化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性工艺性能：指在保证加工质量的前提下加工过程的难易程度。主要有：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能。2023/5/241.2材料的性能

1.2.1、力学性能

材料的力学性能：材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。

主要特征指标：强度、塑性、弹性、韧性、硬度等一、强度强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。

2023/5/241.2材料的性能拉伸试验试样按标准制备，然后将试件装在材料试验机上，启动加力机构，缓慢增加拉力P直至断裂为止。在加力过程中随时记录载荷P和相应的变形量Δl的数值。同时还要注意观察试件变形和破坏的现象。l0=10d02023/5/241.2材料的性能2023/5/241.湾2释材叠料的岁性能ε=Δl倒/围l0σ=P首/Fo低碳炉钢单柜向拉艇伸实洲验结岭果如抚图所新示应力-应变赤关系扫曲线20捞23许/5适/1坏91.逢2咱材踏料的脑性能金属销材料通的变阅形和咸破坏慢过程活：（1）弹姥性变它形阶颠段（2）弹考－塑睬性变衔形阶限段（3）断绞裂断裂扯的两修种形葡式：脆性方断裂轨：断李裂之跳前没茫有明绵显塑店性变如形阶劈燕段的愉。笋（担更危沈险）韧性拍断裂培：经碗过大五量塑汗性变集形之即后才锈发生意断裂礼的。20锡23胜/5苍/1为91.徒2弟材科料的嫁性能1、商低碳篇钢在偶外力互作用惩下的齐变形赵和破置坏过蠢程强度极限σb屈服强度σs比例极限σp弹性极限σe……20续23遮/5必/1柿91.习2京材祝料的棍性能（1）弹资性变众形阶伟段与误虎克痒定律纽奉（Ob段）在弹退性阶率段内稿，应摧力与销应变甚成直扛线关办系E为弹墓性模进量，拒其单灿位和忆应力相同瞒，如荒何理解缝弹性仪模量？……本(1去)(1彻)式称土为虎克渔定律梨，该定饶律也窄可用课于受钻压杆裳件，影但符服号为杯负20健23呼/5耽/1童91.芳2都材寻料的霉性能横向迟线应桌变：dd1拉伸ε'为横视向线悔应变研究才表明诵在弹险性阶膛段杆嘉件的参横向应变ε'和轴添向应抽变ε之比漂的绝照对值是谈一个日常数，称桑为横胜向变义形系仍数或令者泊挽桑比20童23听/5顾/1怕91.罢2格材秒料的五性能（2）屈粱服阶疾段（bc段）在此庙阶段吐，曲睛线上魄升坡洗度变井缓，盖在C点附讨近，寒应力触几乎污不变纹的情伏况下气，试赏件的帅应变镇量在掘增加告，此唇时我坝们认辣为材宴料对坏外力损“屈漆服”20恳23指/5慕/1何91.芦2肚材贴料的们性能屈服金属灾材料热承受大载荷怕作用宴，当芽载荷杂不再妙增加辛或缓妈慢增爸加时哨，仍致继续医发生炎明显透的塑矿性变柳形，荐这种芹现象开，习红惯上资称为罩“屈底服”跪。屈服泽点（σs）发生挂屈服驱现象贸时的彩应力挽．即总开始后出现详塑性朽变形绘时的政应力蜓，称怖为“栽屈服克点”蓄，用σs址(MP糖a)表示淋。它旬即代勇表材观料抵坏抗产此生塑傍性变顾形的扩能力睬。注：茧应力蓝不是回力，醋是压喜强。20赤23控/5凭/1字91.躺2准材吉料的裹性能载荷凤不再粪增加旧，甚谈至有祥所降阶低时薄，试吼件还杜在继衰续伸机长的槽最小荒载荷暮，N试件淋的原界始横缴截面谋积，m220绿23随/5惭/1家91.碧2派材伯料的萝性能（3）强咸化阶抖段(cd段)材料吨过了检屈服求点后仇，曲谦线又艘开始上升哭，曲即线陡哀度变诵得十线分平香缓，赵这说明筝材料雷又具牧备较币弱的剖抵抗瞒形变的能趟力，废称强指化阶陕段特点：（1）大比债例的塑性劲变形，少找量的弹性松变形；（2）所笑加拉力达到最大裙值20滚23哨/5危/1披91.辟2史材局料的逆性能（4）颈聚缩阶杠段（df段）当载背荷加绒到上胀述最辩大值机后，通我们饱会发奥现在魂试件陈的某晴个部哥位直移接突果然变谅细，另出现赢所谓巴的“颈柄缩”限现象棉。f点为猴断裂符点20繁23怨/5康/1烧91.恭2堪材妹料的墓性能将从笨材料尚开始捎出现趴颈缩堆时的最高范名义们压力表示陕为Pb，其花反应泉的是意材料协抵抗画断裂狂能力会的大族小抗拉衬强度困（σb）金属境材料蜜在拉聋伸条原件下廊，从舅开始屠加载骗到发凳生断抽裂所老能承桥受的伏最大茄应力箩值，搬叫做罗抗拉产强度赖。20慌23汗/5亏/1微91.岛2秧材水料的滑性能由于捷外力哲形式枣的不赞同，译有抗攀拉强劣度、厅抗压旨强度徒、抗邪弯强般度和宰抗剪胶强度炒等。雨抗拉短强度盘是压涨力容晨器设尾计常朵用的奋性能踏指标循。屈强通比（σs/σb）：屈强亮比越熔小，腥材料茧的塑糖性储居备越刻大，存越不进容易裁发生惠危险胁的脆绪性破按坏；屈强遍比越局大，年材料沟的强伞度水搅平发度挥好储，但键塑性利储备珠越小社。20河23静/5箱/1阅91.烤2侨材居料的电性能（5）试对件断投裂后模的处情理试件绳断裂退后，兔将其晕对接授起来盆测出灵其长旺度l1称为标距超长度，得街出总仗伸长踪蝶量为l1-慰l0，则δ称做宣材料队的延长择率，其龄值是签评价材料抹塑性过好坏的一孔个指持标，乡丰为材光料在弟断裂洗前最亲大能再够经娘受的础塑料福变形鹅量。断面油收缩介率定扰义材料的塑性指标午之一酿。材惰料受拉力断裂恭时断面缩小匠，断彩面缩甜小的面积与原恳面积率之比跌值叫管断面略收缩猛率，仆以ψ表示沾。单桃位为%。20爱23净/5砌/1移91.锄2邻材鹅料的烈性能2.其它婆材料榴的拉激伸曲策线（1）无触屈服造阶段患塑性墓材料只有刊弹性狮和强贪化阶省段，款没有貌明显形的屈咱服阶曲段，晌但有虑良好取的塑葵性。σOεσ-ε曲线锰钢镍钢青铜20防23化/5丹/1朽91.拢2沈材玩料的息性能无明帅显屈锁服点盖的材渡料，谅工程鼠中规密定发摔生0武.2今％残聪余伸识长时仇的应牌力，输作为巨“条尺件屈漏服点宫”退，用σ0.仰2表示崖。σ-ε曲线σOε0.220症23上/5波/1栽91.漂2仍材吨料的闻性能在整能个拉书伸过青程中烈无明讨显塑筝性变命形，挤无屈友服无悔颈缩寇，拉生到一灶定程柳度即蜜突然闪断裂箱。拉趋断时辟的应经力称填为抗拉限强度局极限σb。（2）脆见性材祥料σOεσ-ε曲线玻璃钢灰铸铁σb是衡汤量脆病性材蹄料强帅度的启唯一视指标挡。脆性群材料σb很低处，所恰以不肆宜作座承拉柴件。20纪23际/5妻/1价91.锹2缩慧材纵料的址性能压缩粗试验（了岗解内按容）混凝妻土、衰石料黑、木楚材等呢非金胆属材漠做成监立方苹体。金属谨材料症压缩捕试件享做成网圆柱黎形，翠为避蠢免压讨弯，渠取h=雪(1喉.5型~3贫)d20规23说/5若/1垦91.草2优材盆料的秘性能（1）塑岔性材分料屈服侮前应罪力-应变曲线搅与拉锦伸时匹重合屯（但骑越压立越扁委，并爸不会趟压溃毫，所犯以测心不到辰强度鹿极限）。闹所以爪塑性慢材料竖一般登不作红压缩吩试验河。压缩拉伸20膜23嫌/5演/1晓91.芒2搁材时料的挪性能（2）脆背性材爪料脆性毫材料苍在受假压缩菠时所嚼显示抓的力辛学性塑能的有最大政特点爷是抗刘压强把度限洞比抗址拉强净度限恳高出缺数倍20缝23路/5叫/1赵91.调2杂材你料的丙性能3、温稳度对忠材料舰机械焰性能肠的影床响（1）帆温度天对材丹料力旷学性滨能的拼影响贼（短纽奉时静设载）短时软、静刚载：试验捡在短垃时间怪内完典成，楼载荷懒逐渐届增加白。总趋估势：温度腰升高像，E、s、b下降紫，增大壮。20俗23突/5飘/1领91.更2饥材保料的匹性能E×105MPa2.52.01.51.00.5μσ/MPaσbσsσp温度熔对低迅碳钢蒜力学职性能秩的影掉响20俘23蒙/5皱/1拉91.植2栽材浅料的阔性能温度持对低茄碳钢δ和ψ值的呼影响20乱23笋/5逮/1饼91.弊2夜材姐料的庸性能低温造对材凳料力短学性析能的假影响泛：碳钢稳、低嘴合金猴钢：强度基（弹震性、即屈服戴点等就）提洗高，金脆性鸣增加彩（延企伸率δ↓），具有辜冷脆他性（塔冷脆洞现象京）。不锈锻钢、却铜、矩铝等袋无此唐现象化工单容器悠中凡输是在-2唇0℃以下侦操作亚的容衡器，菊且容品器壁响应力载又达法到材挪料常震温屈师服极摄限的1/董6时，面定为低温黑压力宪容器，其互选材腹、设茄计、检制造围、检讨验等捆均有械特殊睛要求。（焰自学兄内容业：第2章容忠器设列计的扁基本亭知识行）20秤23兆/5揉/1闭91.灾2岁材沸料的蓄性能（2）抹高温喉对材雹料力构学性行能的晶影响勤（蠕树变和抓应力谨松弛疾）1）蠕变其：在高南温和衡长期坝静载湿作用阁下，龟即使末构件垫上的应力尺不变，塑照性变形却随雕时间宗而缓需慢增加，直脾至破忽坏。注意骆：应乞力没室增加春，杆惩自己常在变静长！P经过较长时间后P加静载20辜23禾/5介/1痛91.裤2挨材哈料的控性能蠕变：在金高温鼠时，廉在一屡定的缝应力衣下，猜应变眯随时水间而开增加长的现理象，帮或者迈金属往在高件温和购应力依作用掩下逐限渐产毛生塑扁性变傅形的组现象涛。蠕变湿速度：变形赏增长捐的速侮度叫惯蠕变投速度申。蠕变货条件：高温浓；一异定的齐应力寄。蠕变意变形屋是不荷可恢伯复的仁塑性询变形圆。蠕变贼速率罗与应联力和灿温度钥成正拘比。20拜23财/5墓/1捕91.睡2偏材煎料的洗性能蠕变衰极限玩的物琴理意育义：梨反映览材料差在高两温条站件下药抵抗底发生群缓慢久塑性饰变形浩的能皂力。影响灵蠕变陈极限前的因朗素：纯材料泰、温欢度、兄变形榨速度蠕变沿极限σn：通常腿把在值某一哨高温装下，扣为使自试件凡在10万小魔时内的塑性令应变值不超霞过1％，允你许试波件能羞承受冷的最高拨应力侍值，称格为材冒料在冒该温户度、拆该蠕勿变速社度条序件下骡的蠕变世极限。20坝23咏/5摸/1四91.夏2粮材盈料的阀性能持久幕强度σD：在一炎定高梯温下允，在规定辅时间哀内不发临生断吉裂所包允许窄的最高甜应力，称采为材寻料在住该温商度下怠、该培持续男时间前内的持久叫强度曲限。蠕变弟极限σn和持久垫强度σD都是柱材料誉的高妄温强度悔指标。20雹23系/5啊/1回91.葬2乘材宅料的辟性能2）应侵力松伪弛应力得松弛技：在一坟定的高温下，爆构件暗上的衫总变形茂不变时，扣弹性吹变形招会随质时间灵而转萄变为嚷塑性杜变形树（原兽因为姻蠕变莫），址从而狗使构昼件内窃的应力倘变小的现小象。实例舅：高温崭容器球法兰贴联结炼螺栓欣松弛议后使敢法兰泄与垫渐片间倚压紧立力减递小而茫发生退泄漏答（密供封失齿效）嫁（第6章）20辨23住/5哀/1岭91.锡2绝材倾料的米性能二、隔塑性塑性拌是指侮金属撞材料寇在断河裂前早发生阶不可猜逆永革久变荣形的馅能力捧。塑性熟指标疲是指舱金属聪在外外力作笋用下侮产生藏塑性观变形侧而不良被破纠坏的鸣能力袄。常用股的塑槽性指塌标是蝴延伸虾率（δ）和断吹面收己缩率供（ψ）。1、延搭伸率析（δ）20皱23递/5姑/1基91.榨2婆材浓料的殖性能2、财断面仗收缩奋率（ψ）断面垦收缩梢率与她尺寸伍无关钢。延伸恐率和梨断面巨收缩宁率越秃大，桃表示避金属埋材料戴的塑务性越苍好。20容23涛/5胳/1你91.男2赴材拢料的那性能三、艳硬度四、魔冲击鬼韧性五、倾缺口蝴敏感化性以上论为课傲下自别学内晶容思考游题：休韧性途与塑绢性的扶关系20炭23乒/5宪/1述91.拜2裹材澡料的海性能1.横2.标2社物焦理性酒能主要码有相烟对密沫度、裹熔点晨、热肯膨胀演性、浑导热饰性、次导电窝性、猛磁性话、弹动性模愤数与揪泊桑隔比等热。1、弹乞性模洁数Eσ=Eε,这个杰比例贫系数E称为袄弹性酸模数孟，弹坦性模常数是虎金属熊材料闯对弹胳性变煤形抗澡力的误指标躬，是渐衡量道材料拥产生零弹性兴变形灿难易羊程度繁的，晕材料随的弹潮性模傅数越方大．音使它漏产生勺一定千量的岔弹性权变形趟的应副力也沾越大膛。对上同一似种材最料，猪弹性外模数乔随温窑度的宵升高争而降滥低。20脆23玻/5裳/1昆91.青2暮材签料的令性能对于责各种费钢材咏它近回乎为吓一个制常数旋，即μ＝0购.3亿。2、熊泊桑欺比μ泊桑灰比是鞠拉伸望试验辅中试记件单崇位横币向收候缩与社单位堡纵向惜伸长缝之比皂。20姜23桥/5冲/1搏93、线膨著胀系陡数αl式中询，l—番—试件撞原始葬长度颈，mm吃；△l检——试件哗伸长追量，mm须；△t妖——温度由差，锐℃。20赵23镇/5敌/1较91.土2答材瓶料的魄性能1.炒2.欧3住化学取性能（主舒要指详耐腐琴蚀性惜和抗霜氧化介性）1、耐阀腐蚀渔性：金属贞和合抛金对相周围控介质区，如等大气树、水闻汽、涝各种剑电解裤液侵辅蚀的塌抵抗娃能力努。2、抗染氧化汤性：在高隆温工零作条踢件下昏，设艇备不扮仅