化工设备机械基础

1化工设备机械基础2本课程将学些什么————————看看再说3化工设备——储罐换热设备塔设备反应釜4＊所有的设备都有一个外壳，这个外壳我们把它叫做容器。＊化工中，这些外壳容器都需要承受一定的压力，我们把它叫做压力容器。5压力容器一般由筒体、封头、支座（基本件）接管、法兰（对外连接件）人孔、手孔、液面计（附件）以及一些内构件等零部件组成。7１.这些设备要满足什么样的工艺要求？结构如何？２.用什么材料？如何制作？３.抵抗压力和温度的能力如何？——安全性如何？４.经济性如何？8一.主要内容：1.化工设备常用材料——简介化工设备常用材料性能、分类、热处理方法；2.中、低压化工容器设计——薄膜理论；内、外压容器设计方法、容器零部件设计；3.典型化工设备机械设计——列管式换热器、塔设备以及反应釜的结构及机械设计方法。9二.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％。1011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。121.2金属材料的性能1.2.1力学性能——在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。补充材料力学基础知识13141.强度及其主要指标.固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。例如：※容器爆裂；※管道破裂;※地脚螺栓拉断;※炉管爆裂；…..——强度不够！15（1）.屈服点屈服现象：金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加时，仍继续发生明显的塑性变形。屈服点：（s）——材料发生屈服时的应力。单位：MPa。——一些合金没有明显的屈服点,规定发生0.2%残余变形时的应力，作为“条件屈服点”。记作σ0.2。16（2）.抗拉强度(b)定义：金属材料在受力过程中，发生断裂所达到的最大应力值，以σb表示，单位MPa。是压力容器设计常用的性能指标。屈强比：s/b屈强比小，表明材料具有较大的塑性储备。(希望屈强比大一些)17（3）.蠕变强度（n）“蠕变”现象：高温高压的蒸汽管道下挠变形；高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；铅丝在常温下受重力作用而变长变细。18“蠕变”现象：在高温时,在一定的应力下,应变随时间而增加的现象,或金属在高温和存在内应力情况下逐渐产生塑性变形的现象.“蠕变强度”：材料在高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力，以n表示，单位MPa。19（4）.持久强度（D）定义：在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力，以D表示，单位MPa。材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。规定：化工设备设计寿命一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。20（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。212.塑性及其主要指标金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。因塑性不足引起材料破坏的例子：◎锻件裂纹;◎卷板裂纹;◎焊缝热影响区裂纹22主要指标：(1)延伸率（δ）23（2）断面收缩率（y）如：纯铁的延伸率为50%，20R的d5不小于25%；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。积。断裂后试件的最小截面试件的原始截面积；式中kkFFFF000F%100y24（3）冷弯性能---是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。室温下对试板以一定的内半径（R=0.5～3板厚）进行弯曲，是否出现裂纹或起层。在试样被弯曲受拉伸面出现第一条裂纹前,金属材料的变形越大,塑性越好25塑性指标的实际意义：便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。——压力容器及其零件都需要具备这个性质。263.硬度的概念金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。硬度高材料强度也高，耐磨性较好；—综合性能指标。布氏硬度试验示意图27常用硬度指标：布氏硬度（HBS);洛氏硬度（HRA、HRB、HRC);维氏硬度（HV)等。硬度和强度间有一定关系：如：低碳钢b≈36HBS;284.冲击韧性及指标（Ak）材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。29摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功）：Ak=G(H1-H2)焦耳！吸收功的高低取决于——材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定冲击韧性:σK=AK/F(J/cm2)3031材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。——静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。325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。331.2.2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？342.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。351.2.3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。361.2.4.金属材料的工艺性能指在保证加工质量的前提下,加工过程的难易程度.可焊性能—母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；铸造性能—流动性、凝固收缩率等；可锻性能—抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；切削加工性能热处理性能371.3金属材料的分类及牌号1.3.1分类1.黑色金属——1）生铁2）钢钢普通钢优质钢高级优质钢按质量分：38钢碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢按化学成分：39钢沸腾钢镇静钢半镇静钢按冶炼方法分：40按用途分：钢建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢412.有色金属铜及其合金：纯（紫）铜黄铜（铜锌合金）锡青铜（铜锡合金）铝青铜（无锡青铜）轻金属及其合金铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金421.3.2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432.钢号表示法例：优质碳素钢——08F20R沸腾钢含碳量为0.08%；容器钢含碳量为0.2%普通碳素钢——Q235-A,F沸腾钢类别为A钢材屈服点(MPa)屈服点屈字的拼音首位字母44低合金钢——16MnR16——含碳量0.16%；Mn——合金元素；R——容器钢。特殊性能钢——1Cr18Ni91——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%。451.4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。461.4.1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。细片状石墨：次之粗片状石墨：差球状石墨：强度最好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.4748•纯铁在不同温度下的晶体结构：49502.纯铁的同素异构转变：γ-Feα-Fe910℃（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列513.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铁素体（固溶体）塑性好，强度低。52（2）奥氏体（A）面心立方晶格+C奥氏体（固溶体）—塑性低，强度高。53——铁碳关系之二：化合态C+Fe→Fe3CFe3C称为渗碳体。性能特点:.硬，脆,塑性几乎为0；.在一定条件下可以分解（3）渗碳体（C）碳+铁。渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量﹤2%）成为碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。54铁碳合金中含碳量﹥2%时，部分碳以石墨形式存在于其中，即所谓铸铁。组织结构特点——性能特点：石墨性软、强度极低，相当于铸铁中存在许多孔洞。•铁碳关系之三——游离态55（4）珠光体（P）铁素体和渗碳体两者的机械混合物性能特点:介于两者之间,强度和硬度比F高,塑性和韧性比F差,但比C好；56性能特点:具有较高的硬度（5）莱氏体（L）珠光体和初次渗碳体的共晶混合物57(6)马氏体(M)从高温奥氏体急冷下来,得到碳原子在α-Fe中过饱和的固溶体.性能特点:硬度高,很脆,不能承受冲击载荷.581.4.2铁碳合金状态图图1-121.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60611.4.3碳钢1.碳钢中杂质对其性能的影响1）.锰(Mn)来源——在冶炼过程中加入锰铁。作用——钢材中锰含量高于0.8%时，即为合金元素存在，可溶于F中——提高强度。是有益元素。2）.硫(S)来源——矿石和焦炭。存在形式：FeS。作用——FeS的熔点低于钢材热加工开始温度，它过早熔化，导致工件开裂，称为热脆性。有害元素！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。62634).磷(P)来源——矿石。作用——溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“冷脆性”。有害元素！5）.氢(H)来源——钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“白点”。“白点”——裂纹源有害元素！（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TiN64（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。65662.碳钢的分类、牌号（1）.普通碳钢含P、S等有害杂质较多（S≤0.055%P≤0.045%)常用有：Q215-A,Q235-A,Q235-A.F#Q235-B,#Q235-C,Q275(参见表1-6）式中Q—普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。235——材料屈服点（MPa)A,B,C,D——钢材质量等级，越后越高