化工设备材料及其选择

1第一章化工设备材料及其选择第一节概述一、化工设备选材的重要性和复杂性1、操作条件的限制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。3、材料自身性能的限制（如材料本身制造过程中的缺陷等）二、选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则。(1)材料品种应符合我国资源和市场情况；(2)材质（纯粹是指材质本身的质量，如有无裂纹等）可靠，能保证使用寿命；(3)要有足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；（最重要）(4)便于制造加工，焊接性能良好；(5)成本低。第二节材料的性能一、力学性能（也称机械性能）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，叫做材料的力学性能。主要包括强度、塑性、韧性和硬度，这是设计时选用材料的重要依据。1、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。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等。（这里先简单复习材料力学的知识，重点让学生回忆做材料单向拉伸实验的情况）[实例1]常温拉应力下20号钢的拉抻试验（有明显塑性变形）[实例2]高碳钢T10A的拉伸试验（无明显塑性变形）(1)屈服强度（屈服点）（s）压力温度介质(从高真空到上百MPa，故有强度要求，用例子解释真空、高压)(-250℃~2000℃，材料受冷、热，热胀冷缩，材料的物理性能的变化)[酸碱等（腐蚀）、核反应堆中子照射（变脆)，有毒，易燃易爆等]2金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象，习惯上称为“屈服”。发生屈服现象时的应力．即开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”，用s(MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。条件屈服点（2.0）工程中规定发生0.2％残余伸长时的应力，作为“条件屈服点”(2)抗拉强度（b）金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标，(3)蠕变极限（n）高温（比如：碳素钢＞420℃，合金钢＞450℃）在一定应力联合作用下金属将逐渐产生塑性变形。(4）持久强度σD(5)疲劳强度（1）：（材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把）经过106~108次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度，用1表示。2．塑性（可用橡皮举例）金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。塑性指标是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的指标有延伸率和断面收缩率。注意：是指试件受拉力断裂后，总伸长长度与原始长度之比的百分率，其大小与试件尺寸有关；举例力学做的实验；试件长度为直径的5倍或10倍。（试件计算长度为试件直径5倍时，用5表示）试件断裂后断面缩小的面积与原始截面积之比的百分率，其大小与试件尺寸无关。3、韧性(韧性是表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。我们常用冲击韧性来表示材料承受动载荷时抗裂纹的能力，用缺口敏感性表示材料承受静载荷时抗裂纹扩展的能力。)3（1）冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用冲击吸收功AK或冲击韧度表示αK表示。冲击功AK=GH1-GH2，而冲击韧度αK=AK/F（F为面积）图1-1冲击试验的标准试件2）断裂机理：冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时，它的断裂过程是一个裂纹发生和扩展的过程。在裂纹向前发展的道路中，如果塑性变形能发生在它的前面，就可以制止裂纹的长驱直入。它要继续发展，就需另找途径，这样．就能消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。3）韧性与塑性：韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；提问：但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。其所以如此，就是因为静载菏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。（2）缺口敏感性（也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料的缺口敏感性。）4、硬度衡量材料软硬的一个指标（一般用布氏硬度-----HB，较软；洛氏硬度-----HRC较硬；维氏硬度----HV，另有显微硬度）最硬的材料是金刚石。4总之，在材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。二、物理性能主要有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。1、线膨胀系数特别对后续讲的换热设备等尤为重要，不同的钢材在不同的温度线膨胀系数不同。2、弹性模量EE，这个比例系数E称为弹性模量，弹性模量是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，对不同材料，材料的弹性模数越大．使它产生一定量的弹性变形的应力也越大。对同一种材料，弹性模量E随温度的升高而降低。3、泊桑比泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一个常数，即0.3还有如熔点，限制了材料的使用温度，又如导热性好，不适宜作焊接等。三、化学性能（主要指耐腐蚀性和抗氧化性）这部分应该是同学们的强项，比机械类的同学更有优势。1、耐腐蚀性：金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力。2、抗氧化性：在现代工业生产中的许多设备，如各种工业锅炉、热加工机械、汽轮机及各种高温化工设备等，它们在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。书上10页表1-3就介绍了几种常用金属材料在酸碱盐类介质中的耐腐蚀性能。5四、加工工艺性能金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等。对于设计压力容器最重要的两个性能是：1、良好的冷热加工性能例A：用钢板卷制筒体，如果不好会发生裂纹，存在事故的隐患。例B：冲压封头，微裂纹或宏观裂纹，都会使以后的生产造成事故。2、良好的焊接性能例：某工厂某容器焊缝裂纹扩展，造成事故。四、物理性能主要有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。1、线膨胀系数特别对后续讲的换热设备等尤为重要，不同的钢材在不同的温度线膨胀系数不同。2、弹性模量EE，这个比例系数E称为弹性模量，弹性模量是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，材料的弹性模数越大．使它产生一定量的弹性变形的应力也越大。对同一种材料，弹性模量E随温度的升高而降低。3、泊桑比6泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一个常数，即0.3还有如熔点，限制了材料的使用温度，又如导热性好，不适宜作焊接等。第三节金属材料的分类及牌号（本节书上内容较多，以讲的为掌握）一、分类1、金属的分类2、钢的分类详细分类可见书上11页钢的分类，有四种不同的分类方法。大家一起来看看。铸造生铁金属黑色金属有色金属生铁钢炼钢生铁合金生铁铜及其合金轻金属及其合金其它有色及其合金纯铜（紫铜）铜锌合金（黄铜）铜锡合金（锡青铜）无锡合金（铝青铜等）铝及铝合金钛及钛合金镁及镁合金铅、锡及其合金锌及其合金镍、钴及其合金7我们着重介绍的是按化学成份来分类，也是我们选择钢材时的依据。二、钢铁牌号及表示方法1、牌号表示原则①牌号中化学元素用化学符号或汉字表示；（如：1铬13或1Cr13）②产品用途、治炼和浇注方法采用汉字或拼音字母并用的原则。（如：Q235FF---沸腾钢）2、钢号表示法目前制造压力容器所用钢材，一般有三大类别：碳钢、合金钢、和特殊性能钢，其中碳钢又分为普通碳素钢与优质碳素结构钢。①普通碳素钢新标准GB/T221-2000，把普通碳素钢主要分为五大类，即Q195，Q215，Q235，Q255，Q275。压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表钢板牌号使用温度℃设计压力MPa壳体钢板厚度mm其他限制Q235-B0~350≤1.6≤20不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器Q235-C0~400≤2.5≤308②优质碳素结构钢③低合金钢及合金结构钢（合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素，比如Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等，从而提高钢的强度、耐腐蚀性、低温性能，如大型化工容器常用16MnR（现牌号Q345R）来代替碳素钢制造容器，可以在保证强度的情况下，使容器壁厚减少，从而节省钢材30%~45%左右。）④特殊性能钢3）知识扩充特殊性能钢主要指不锈耐酸钢；不锈：指耐大气腐蚀；耐酸：抗酸和其它强腐蚀介质。不锈耐酸钢根据合金元素的不同，分为三个大类。第一类铬不锈钢第二类铬镍不锈钢第三类节镍不锈钢第四节化工设备的腐蚀及防腐一、金属的腐蚀1、定义：金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引起破坏的现象称为腐蚀。（比如铁生锈、铁在酸中溶解等。）2、分类：根据腐蚀过程中有无电流产生①氢腐蚀：氢气在较低温度和压力(＜200℃，＜5.0MPa)下对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“氢腐蚀”。②晶间腐蚀发生在晶界，晶粒之间结合力下降，与元素Cr的含量有关。典型实例：奥氏体不锈钢的晶间腐蚀（450~850℃），（CrFe）23C6析出。敏化温度区，焊金属腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀（如氢腐蚀）（如晶间腐蚀、应力腐蚀）9接时缓慢加热或是焊后热处理。③应力腐蚀：金属在腐蚀介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。腐蚀与拉应力起互相促进的作用。二、金属设备的防腐措施1、衬覆保护层2、电化学保护3、缓蚀剂第五节化工设备材料的选择一、选材一般原则1、遵循标准：GB150-2011《压力容器》，TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》HG∕T20581-2011钢制化工容器材料选用规定2、当压力容器使用普通低碳钢制造时，常用Q235B、Q235C103、考虑经济性4、其它指导准则a)碳素钢用于介质腐蚀性不强的常、低压容器或壁厚不大的中压容器；b)低合金钢，用于介质腐蚀性不强的中、高压容器；c)不锈钢用于介质腐蚀性较强的场合；d)耐热钢用于高温场合e)奥氏体不锈钢不能用于易发生晶间腐蚀的场合；5、标准零部件（如法兰、人孔、手孔等）的材料选择符合国家标准或行业标准。6、钢材使用温度二、选材实例分析[实例1]选择浓硫酸贮罐材料