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简介
这是化工设备机械基础ppt，包括了化工设备——储罐，换热设备，塔设备，反应釜，主要内容，主要参考书及参考资料，塑性及其主要指标，冲击韧性与塑性区别何在？金属材料的分类及牌号，铁碳合金状态图，低合金钢及特殊性能钢，碳素钢与低合金钢比较，通过化学反应转变为反应产物的设备等内容等内容，欢迎点击下载。
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二.主要参考书及参考资料： 1.《化工设备机械基础》(第五版） 刁玉玮 王立业编著； 2.《 压力容器安全技术监察规程》 1999； 3. 《钢制压力容器》 GB150---1998； 4. 《管壳式换热器》 GB151---1999 ； 5. 《钢制塔式容器》 JB4710---2002 ； 学时：４８学时 期末成绩：平时1０％，期中３０％，期末６０％。 第一篇 化工设备材料 第一章 化工设备材料及其选择 1.1 概述 1）.化工设备的使用环境： 压力：真空—低压—中压— 高压—超高压 温度：低温—中温—高温 介质：腐蚀性；易燃；易爆；有毒；剧毒。 1.2 金属材料的性能 补充材料力学基础知识 （1）.屈服点 （2）.抗拉强度(sb) （3）. 蠕变强度（sn） （4）.持久强度（sD） （5）疲劳强度 构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用，应力远小于屈服点就断裂 ——疲劳。 “疲劳极限”——构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。表示符号：σ-1 (MPa)。 例如： 频繁开、停车——容器内压力或温度波动； 活塞式压缩机压缩气体——容器及管道内压力波动； 离心泵频繁开停机或震动——泵轴受力成交变式。 2. 塑性及其主要指标 主要指标： （2）断面收缩率（y） （3）冷弯性能---是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。 塑性指标的实际意义： 3. 硬度的概念 4. 冲击韧性及指标（Ak） 冲击韧性: σK=AK/F(J/cm2) 5 缺口敏感性 ——在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。 韧性范畴——静载荷下抵抗裂纹扩展的性能。 冲击韧性？——是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。 1.2.2 物理性能 ——密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。 化工设备设计与制造主要考虑的物理性能： 1.线膨胀系数 异种钢焊接——收缩率不同，引起变形或损坏； 复合钢板（如不锈钢与碳钢)——热变性不同，容器壳体将会？ 设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）——热变性不同时？ 固定管板式换热器的管子与壳体——线膨胀量相差过大，将会？ 碳钢表面电镀一层铜——升温后会？ 2.弹性模量E与泊桑比μ 弹性模量E：金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的。(随着温度升高而降低) 泊桑比μ：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。 各种钢材近乎为μ =0.3 。 1.2.3 化学性能 ——金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。 主要考虑的化学性能： 1.耐腐蚀性——对介质侵蚀的抵抗能力； 2.抗氧化性——在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2 、SO2等。 热加工——如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。 1.2.4.金属材料的工艺性能 1.3 金属材料的分类及牌号 2.有色金属 1.3.2 钢铁牌号及表示方法 1.牌号的表示原则 依据国家标准GB221-2000，牌号中 化学元素——化学符号或汉字表示； 产品用途、冶炼和浇铸方法——汉字或汉语拼音字母表示。 例如：沸腾钢——F或沸 灰口铸铁——HT或灰铁 铸钢——ZG 锅炉钢——g或锅 容器钢——R或容 2.钢号表示法 例：优质碳素钢—— 08F 20 R 低合金钢—— 16MnR 16——含碳量0.16%； Mn——合金元素； R ——容器钢。 特殊性能钢—— 1Cr18Ni9 1——含碳量0.1%（千分数）； Cr，Ni——主要合金元素； 18——含铬量18%； 9 ——含镍量9%。 1.4 碳钢与铸铁 钢铁的组成=95%以上铁 +（0.05～4%）碳+1%杂质 ——铁碳合金 含碳量0.02~2% 为钢； 含碳量＞2% 为铸铁； 含碳量＜0.02% 为工业纯铁； 含碳量＞ 4.3% 无实用价值。 1.4.1 铁碳合金的组织结构 1.金属的组织与结构 在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。 金相组织结构直接影响金属材料的性质。 如，铸铁中的石墨形式不同，其性质也不同。 用X光和电子显微镜可以观察到金属原子的各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构. 纯铁在不同温度下的晶体结构： 2. 纯铁的同素异构转变： γ-Fe α-Fe 3.铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织 铁碳关系：固溶态，化合态，混合态 固溶：元素于固态下相互溶解，保持溶剂晶格原来形式。 （1）铁素体（F） 体心立方晶格（α-Fe ）+C 铁碳关系之三——游离态 1.4.2 铁碳合金状态图 图1-12 1.碳钢在常温下的组织 2.临界点及其意义 (1)A1线 (2)A3线 (3) Acm线 (4) ACD线 (5)AECF线 常温下碳钢的性能分析(如图1-13): 塑性、韧性逐渐减小； 硬度逐渐增大； 强度先增后减 1.4.3 碳钢 3）.硅(Si) 来源——冶炼。 作用——以脱氧化物SiO2的形式存在 可溶于F中，提高强度、硬度，是有益元素。 4). 磷(P) （6）氮（N） 钢中有过量的氮，加热到一定的温度时会析出，称为“时效” 作用——硬度、强度提高，塑性下降。 处理——加入Al，Ti进行固氮处理，形成 AlN和TiN （7）氧（O） 以夹杂物、颗粒状形式存在。 作用——破坏连续性，降低冲击性能，疲劳强度等。 2.碳钢的分类、牌号 （2）.优质碳素钢 特点：含硫、磷等杂质较少，均≤0.04%，杂质少，组织均匀，表面质量好。 常用有：08，10，15，20，20g，20R，30Mn，40Mn等。 式中 数字--含c量的万分数; g --锅炉钢； R --容器钢； Mn ---含锰元素约1%。 （3）.高级优质钢 磷硫杂质极少 P，s含量≤0.03%。 表示法：如20A 1.4.4.钢的热处理 （1）常用热处理工艺 1.4.5. 铸铁 2）球墨铸铁 如 QT450-10. 3）高硅铸铁 1.5 低合金钢及特殊性能钢 1.5.1 合金元素对钢的影响 ——为改善钢材性能特意加入合金元素，以改变钢材性质。例如： 铬：耐腐蚀抗氧化； 提高了强度硬度和耐磨性； 使钢材的韧性和塑性降低。 锰：提高强度和低温冲击韧性。 镍：提高淬透性，保持良好塑性和韧性； 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性； 提高热强性能。 硅：提高强度、高温疲劳强度、耐热性、耐H2S腐蚀； 降低了塑性和冲击韧性。 碳素钢与低合金钢比较 3.常用材料：板，管，圆钢等型材。 4.用途： 广泛用于造船，压力容器，桥梁，高压锅炉，汽车，矿山机械，农业机械等。 5.常用材料： 16MnR，15MnVR，18MnMoNbR， 16MnDR，15CrMoR，14Cr1MoR…. 1.5.3 锅炉钢和容器钢 1.工作环境： 锅炉：中温或高温；中压或高压。 容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。 2.对材质要求： 1）较高的强度； 2）良好的塑性、韧性和冷弯性能； 3）较低的缺口敏感性； 4）良好的焊接性能和其他工艺性能； 5）良好的冶金质量。 3.常用的材料： 锅炉钢—— 20g；12Mng，16Mng，15MnVg，18MnMoNbg。 容器钢——（GB150-1998 《钢制压力容器》推荐） Q235-B，Q235-C; 20R; 16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。 4.标准： 《压力容器用钢板》GB6654-1996 《压力容器用碳素钢和低合金厚钢板》YB/T40-87 1.5.4 不锈耐酸钢 2）铬镍不锈钢 1.5.5 耐热钢 1.5.6 低温用钢 1.5.7 钢材的品种和规格 3）型钢 4）铸钢和锻钢 钢水铸造成型---铸钢。 如：ZG200-400 式中200-屈服点 400-抗拉强度。 1.6 有色金属材料 1.6.1 铝及其合金 1.特性：1）密度小，体轻； 2）导电、导热性好。不产生火花； 3）塑性高，强度低； 4）易冷加工，可焊，可铸； 5）耐低温； 6）一定的耐腐蚀性； 7）不污染食物。(??????) 1.6.2 铜及其合金 1.纯铜（紫铜） 特性：1）塑性好，导电性好，导热好； 2）低温下保持较高塑性和冲击韧性； 3）在干燥的空气中稳定，耐低浓度酸(除硝酸)。 用场：深冷装置；密封垫片。 常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脱氧的无氧纯铜）。 2.黄铜 ——铜与锌的合金。 特性：铸造性能好；较高的力学性能；易切削加工；可焊接；耐蚀性较好；有应力腐蚀开裂倾向。 化工常用材料：H80，H68，H62等。 3.青铜 铜与锌以外的金属组成的合金. 常用材料：锡青铜（铜锡合金） ——铸造青铜用场较多。 特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。 用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。 1.6.3 钛及其合金 特点：1）密度不大而强度高； 2）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢； 3）耐热。 用场：航空工业，化学工业。 1.6.3 铅及其合金 特点：1）强度、硬度低、软； 2）耐腐蚀性； 3）耐辐射。 用场：设备衬里。 1.7 非金属材料 1.7.1 无机非金属材料 1. 化工陶瓷 特点：1）良好的耐腐蚀性能； 2）足够的不透性、耐热性； 3）一定的机械强度； 4）性脆易裂，导热性差。 用场：化工陶瓷设备及管道，管件等。 2.化工搪瓷 ——含高硅的瓷釉经900℃煅烧，密着在金属胎表面而成。 特点：1）优良的耐腐蚀性能； 2）优良的电绝缘性能； 3）易碎裂。 用场：搪瓷设备，如反应釜、储罐、换热器、塔、阀门等。 3.辉绿岩铸石 ——辉绿岩熔融后铸成的 特点：1）优良的耐腐蚀性能（除氢氟酸、熔融碱）； （2）硬度大； （3）脆性大，不受冲击 用场：设备衬里、管材。 4.玻璃（硼玻璃、高铝玻璃） 特点：1）良好的耐腐蚀性能； 2）良好的耐热性； 3）清洁、透明、阻力小、价格低 用场：管道、容器、反应器、热交换器等。 1.7.2 有机非金属材料 1. 工程塑料 高分子合成树脂+ 填料——提高力学性能； 增塑剂——降低硬度和脆性； 稳定剂——延缓老化； 固化剂——加快固化速度。 特点：1）良好的耐腐蚀性能； 2）一定的机械强度； 3）密度不大； 4）价格较低。 常用材料： 硬聚氯乙烯塑料 聚乙烯塑料 耐酸酚醛塑料 聚四氟乙烯塑料 玻璃钢 2.涂料 ——高分子胶体的混合物溶液。 用途：设备防腐 常用涂料： 防锈漆； 底漆； 大漆； 环氧树脂漆； 酚醛树脂漆。等。 3. 不透性石墨 ——各种树脂侵汲石墨，消除孔隙而成。 特点：1）较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度急变性好； 2）不污染介质； 3）加工性能好，相对密度小； 4）力学性能较低，性脆。 用场：腐蚀性强的换热器；泵，管道，机械密封环，爆破片等。 1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施 1.8.1 金属的腐蚀 金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏 分类：化学腐蚀和电化学腐蚀 1.金属腐蚀的评定方法： 1）质量变化评定法 ——试验测定，单位表面、单位时间腐蚀引起的质量变化量。 K=M0-M1/Ft 式中：K——腐蚀速度，g/（m2.h） M0，M1——试件前后质量 F——试件与腐蚀介质接触的面积 t——腐蚀作用的时间 2）腐蚀深度评定法 ——用每年金属厚度的减少量表示腐蚀速度。 Ka=24*365K/1000p=8.76K/p P——金属的相对密度 Ka——金属厚度每年的减小量，mm/a 2.化学腐蚀 ——金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生的腐蚀。 特点：1）腐蚀产物在金属表面； 2）腐蚀过程中无电流产生。 腐蚀产物特性： 1）致密而稳定，与金属结合牢固——钝化膜——钝化作用； 2）不稳定，与金属结合不牢固——脱落——活化作用。 （1）金属的高温氧化及脱碳 ——金属在高温下的气体腐蚀。 温度＞700℃时——脱碳作用。 脱碳反应： Fe3C+O2=3Fe+CO2 Fe3C+CO2=3Fe+CO Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2 （2）氢腐蚀 铁碳合金发生氢腐蚀的开始温度和压力： 第二阶段：氢侵蚀 ——发生化学反应： Fe3C+2H2=3Fe+CH4 3.电化学腐蚀 ——金属与电解液接触发生电化学反映。 发生电化学腐蚀必备条件： 1）同一金属中有不同电位的组织成分或存在不同电位的金属； 2）阳极和阴极互相连接； 3）阳极和阴极同处在连通的电解液中。 1 1.8.2 晶间腐蚀和应力腐蚀 ——均属于电化学腐蚀。 1.晶间腐蚀 腐蚀性介质沿晶粒间渗入金属深处，腐蚀破坏金属晶粒间的结合力，使之强度和塑性完全丧失。——“内部瓦解”作用。 不锈钢有晶间腐蚀可能： 在450~850 ℃之间，生成(Cr·Fe)23C6，沿晶界析出，晶界成为贫铬带。在电化学行为中，贫铬带成为阳极，晶粒成为阴极，形成微电池。 解决办法： 1）钢中加入Ti和Nb元素； 2）减少不锈钢中的碳含量。 2.应力腐蚀 裂纹扩展应力腐蚀： 1.8.3 金属腐蚀破坏的形式 1.8.4 金属设备的防腐措施 1.衬覆保护层 1）金属保护层——电镀，喷镀，衬里等。 2）非金属保护层 非金属衬里——瓷砖，石墨板，水玻璃胶泥； 防腐涂料——防腐漆，环氧树脂等。 2.电化学保护 1）阳极保护——被保护设备接直流电源阳极，生成“钝化膜”。 2）阴极保护 ——牺牲阳极保护。 3.添加缓蚀剂 ——腐蚀性介质中加入少量缓蚀剂，降低或停止腐蚀作用。 注意！ 1）不影响产品（介质）质量； 2）符合性； 3）种类和用量要经试验确定。 1.9 化工设备材料选择的一般原则 要考虑： 设备的操作条件——压力、温度、介质特性、操作特点； 材料的使用性能——力学性能、物理性能、化学性能； 加工工艺性能——焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能； 经济合理性及设备结构——材料价格、制造费用和使用寿命。 选材一般原则： 1）压力容器用钢材应符合GB150-1998《钢制压力容器》的要求，设计压力不大于35MPa。接受《压力容器安全技术监察规程》的监督。 2）压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围： 6.其他 （1）高压设备应优先选用低合金高、中强度钢，从而节省钢材。 （2）承受刚度控制的设备，不宜采用高强度材料。 （3）1Cr18Ni9Ti 钢材使用温度不高于500℃时，许用应力按0Cr18Ni10Ti 选取。 用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备 使热量从热流体到冷流体的设备 实现气液相或液液相充分接触 通过化学反应转变为反应产物的设备
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