化工设备机械基础化工设备机械基础 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）化工设备： 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 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； v要求：v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；v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；v掌握容器零部件的设计计算和选用标准；v掌握列管式换热器、塔设备结构设计与机械设计方法。本章重点：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：本章难点：材料的性能计划学时：计划学时： 8学时第第1 1章章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择1.1 1.1 概概 述述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：-2502000，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。1.1 1.1 概概 述述1.1.2 选用材料的一般要求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。1.2 材料的性能材料的性能v材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能v物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、电阻率、弹性模数、泊桑比等；v化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性v工艺性能：v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。1.2 1.2 材料的性能材料的性能 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。 1.2 材料的性能材料的性能拉伸试验拉伸试验 试样按试样按标准制备标准制备，然后将试件装在材料试验机上，然后将试件装在材料试验机上，启动加力机构，缓慢增加拉力启动加力机构，缓慢增加拉力P直至断裂为止。直至断裂为止。 在加力过程中随时记录载荷在加力过程中随时记录载荷P和相应的变形量和相应的变形量l 的的数值。同时还要注意观察试件变形和破坏的现象。数值。同时还要注意观察试件变形和破坏的现象。l0=10d01.2 材料的性能材料的性能1.2 材料的性能材料的性能=l / l0=P / Fo低碳钢单向拉伸实验结果如图所示低碳钢单向拉伸实验结果如图所示应力-应变关系曲线1.2 1.2 材料的性能材料的性能 金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹塑性变形阶段 （3）断裂 断裂的两种形式： 脆性断裂：断裂之前没有明显塑性变形阶段的。 （更危险） 韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生断裂的。1.2 材料的性能材料的性能1、 低碳钢在外力作用下低碳钢在外力作用下的变形和破坏过程的变形和破坏过程强度极限强度极限b屈服强度屈服强度s比例极限比例极限p弹性极限弹性极限e1.2 材料的性能材料的性能（1）弹性变形阶段与虎克定律（）弹性变形阶段与虎克定律（Ob段段）在弹性阶段内，应力与应变成直线关系在弹性阶段内，应力与应变成直线关系E为弹性模量，其单位和应力为弹性模量，其单位和应力相同，如何相同，如何理解弹性模量理解弹性模量？(1)(1)式称为式称为虎克定律，虎克定律，该定律也可用于受压杆件，但符号为负该定律也可用于受压杆件，但符号为负1.2 材料的性能材料的性能横向线应变：横向线应变：dd1拉伸拉伸 为横向线应变为横向线应变研究表明在弹性阶段杆件的横向研究表明在弹性阶段杆件的横向应变应变和轴向应变和轴向应变之比的绝对之比的绝对值是一个常数值是一个常数，称为横向变形系数或者泊桑比，称为横向变形系数或者泊桑比1.2 材料的性能材料的性能（2）屈服阶段（）屈服阶段（bc段段）在此阶段，曲线上升在此阶段，曲线上升坡度变缓，在坡度变缓，在C点附近，点附近，应力几乎不变的情况应力几乎不变的情况下，试件的应变量在下，试件的应变量在增加，此时我们认为增加，此时我们认为材料对外力材料对外力“屈服屈服”1.2 材料的性能材料的性能v屈服v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”。v屈服点（s）v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。v注：应力不是力，是压强。1.2 1.2 材料的性能材料的性能载荷不再增加，甚至有所降低时，试件还在继续伸长的最小载荷，N试件的原始横截面积，m21.2 材料的性能材料的性能（3）强化阶段）强化阶段(cd段段)材料过了屈服点后，曲线又开始材料过了屈服点后，曲线又开始上升，曲线陡度变得十分平缓，这上升，曲线陡度变得十分平缓，这说明材料又具备较弱的抵抗形变说明材料又具备较弱的抵抗形变的能力，称强化阶段的能力，称强化阶段特点特点：（：（1）大比例的大比例的塑性变塑性变形形，少量的，少量的弹性变形弹性变形；（2）所加）所加拉力拉力达到达到最大值最大值1.2 材料的性能材料的性能（4）颈缩阶段（）颈缩阶段（df段段）当载荷加到上述最大值当载荷加到上述最大值后，我们会发现在试件后，我们会发现在试件的某个部位直接突然变的某个部位直接突然变细，出现所谓的细，出现所谓的“颈缩颈缩”现象。现象。f点为断裂点点为断裂点1.2 1.2 材料的性能材料的性能 将从材料开始出现颈缩时的将从材料开始出现颈缩时的最高名义压力最高名义压力表示为表示为P b ，其反应的是材料抵抗断裂能力的大小，其反应的是材料抵抗断裂能力的大小 抗拉强度（ b ） 金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫做抗拉强度。 1.2 1.2 材料的性能材料的性能 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。 屈强比（ s / b ）： 屈强比越小，材料的塑性储备越大，越不容易发生危险的脆性破坏； 屈强比越大，材料的强度水平发挥好，但塑性储备越小。 1.2 材料的性能材料的性能（5）试件断裂后的处理）试件断裂后的处理试件断裂后，将其对接起来测出其长度试件断裂后，将其对接起来测出其长度l1称为称为标距长度标距长度，得出总，得出总伸长量伸长量为为 l1 - l0 ，则，则称做材料的称做材料的延长率延长率，其值是评价，其值是评价材料塑性好坏材料塑性好坏的一个指的一个指标，为材料在断裂前最大能够经受的塑料变形量。标，为材料在断裂前最大能够经受的塑料变形量。断面收缩率定义断面收缩率定义材料的塑性指标之一。材料受拉力断裂时断面缩小，材料的塑性指标之一。材料受拉力断裂时断面缩小，断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率，以断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率，以表示。表示。单位为单位为%。1.2 材料的性能材料的性能2.其它材料的拉伸曲线其它材料的拉伸曲线 （1）无屈服阶段塑性材料）无屈服阶段塑性材料 只有弹性和强化阶段，没有明显的屈服阶段，但有良只有弹性和强化阶段，没有明显的屈服阶段，但有良好的塑性。好的塑性。O-曲线曲线锰钢锰钢镍钢镍钢青铜青铜1.2 材料的性能材料的性能v无明显屈服点的材料，工程中规定发生0.2残余伸长时的应力，作为“条件屈服点”，用0.2表示。-曲线曲线O0.21.2 材料的性能材料的性能 在整个拉伸过程中无明显塑性变形，无屈服无颈缩，在整个拉伸过程中无明显塑性变形，无屈服无颈缩，拉到一定程度即突然断裂。拉断时的应力称为拉到一定程度即突然断裂。拉断时的应力称为抗拉强度极抗拉强度极限限b 。 （2）脆性材料）脆性材料O-曲线曲线玻璃钢玻璃钢灰铸铁灰铸铁b是衡量脆性材料强度的唯一指标。是衡量脆性材料强度的唯一指标。脆性材料脆性材料b很低，所以不宜作承拉件。很低，所以不宜作承拉件。1.2 材料的性能材料的性能压缩试验压缩试验（了解内容）（了解内容）混凝土、石料、木材等非金属材做成立方体。混凝土、石料、木材等非金属材做成立方体。 金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，取金属材料压缩试件做成圆柱形，为避免压弯，取h=(1.53)d1.2 材料的性能材料的性能（1）塑性材料）塑性材料 屈服前应力屈服前应力-应变曲线与拉伸时重合（但越压越扁，应变曲线与拉伸时重合（但越压越扁，并不会压溃，所以测不到强度极限）。所以塑性材料一并不会压溃，所以测不到强度极限）。所以塑性材料一般不作压缩试验。般不作压缩试验。 压缩压缩拉伸拉伸1.2 材料的性能材料的性能（2）脆性材料）脆性材料 脆性材料在受压缩时所显示的力学性能的最大特点是抗压脆性材料在受压缩时所显示的力学性能的最大特点是抗压强度限比抗拉强度限高出数倍强度限比抗拉强度限高出数倍1.2 材料的性能材料的性能3、温度对材料机械性能的影响、温度对材料机械性能的影响（1） 温度对材料力学性能的影响（短时静载）短时、静载：短时、静载：试验在短时间内完成，载荷逐渐增加。试验在短时间内完成，载荷逐渐增加。总趋势：总趋势：温度升高，温度升高，E E、 s s 、 b b下降，下降， 增大。增大。1.2 材料的性能材料的性能 E105 MPa2.52.01.51.00.5/MPabsp温度对低碳钢力学性能的影响温度对低碳钢力学性能的影响1.2 材料的性能材料的性能温度对低碳钢温度对低碳钢和和值的影响值的影响1.2 材料的性能材料的性能低温对材料力学性能的影响：低温对材料力学性能的影响： 碳钢、低合金钢碳钢、低合金钢：强度（弹性、屈服点等）提高，脆强度（弹性、屈服点等）提高，脆性增加（延伸率性增加（延伸率），具有冷脆性（冷脆现象）。），具有冷脆性（冷脆现象）。不锈钢、铜、铝等无此现象不锈钢、铜、铝等无此现象 化工容器中凡是在化工容器中凡是在-20以下操作的容器，且容器壁以下操作的容器，且容器壁应力又达到材料常温屈服极限的应力又达到材料常温屈服极限的1/6时，定为时，定为低温压力容低温压力容器器，其选材、设计、制造、检验等均有特殊要求，其选材、设计、制造、检验等均有特殊要求。（自。（自学内容：第学内容：第2章容器设计的基本知识）章容器设计的基本知识）1.2 材料的性能材料的性能v（2）高温对材料力学性能的影响（蠕变和应力松弛） 1）蠕变：蠕变：在高温和长期静载作用下，即使构件上的在高温和长期静载作用下，即使构件上的应力不变应力不变，塑性，塑性变形变形却随时间而缓慢却随时间而缓慢增加增加，直至破坏。，直至破坏。注意：应力没增加，杆自己在变长注意：应力没增加，杆自己在变长！P经过较长经过较长时间后时间后P加静载加静载1.2 材料的性能材料的性能蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象，或者金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。蠕变速度蠕变速度：变形增长的速度叫蠕变速度。变形增长的速度叫蠕变速度。蠕变条件蠕变条件：高温；一定的应力。高温；一定的应力。蠕蠕变变变变形形是是不不可可恢恢复复的的塑塑性性变变形形。蠕变速率与应力和温度成正比。蠕变速率与应力和温度成正比。 1.2 1.2 材料的性能材料的性能 蠕变极限的物理意义：反映材料在高温条件下抵抗发生缓慢塑性变形的能力。 影响蠕变极限的因素：材料、温度、变形速度蠕变极限蠕变极限nn： 通常把在某一高温下，为使试件在通常把在某一高温下，为使试件在1010万小时万小时内的内的塑性应变塑性应变值值不超过不超过1 1，允许试件能承受的，允许试件能承受的最高最高应力值应力值，称为材料在该温度、该蠕变速度条件下的，称为材料在该温度、该蠕变速度条件下的蠕蠕变极限变极限。 1.2 材料的性能材料的性能 持久强度持久强度D ：在一定高温下，在在一定高温下，在规定时间内规定时间内不发生不发生断裂所允许的断裂所允许的最高应力最高应力，称为材料在该温度下、该持续，称为材料在该温度下、该持续时间内的时间内的持久强度限持久强度限。 蠕变极限蠕变极限n和和持久强度持久强度D都是材料的高温都是材料的高温强度指标强度指标。1.2 材料的性能材料的性能2）应力松弛）应力松弛 应力松弛：应力松弛：在一定的在一定的高温高温下，构件上的总下，构件上的总变形不变变形不变时，时，弹性变形会随时间而转变为塑性变形（原因为蠕变），从而弹性变形会随时间而转变为塑性变形（原因为蠕变），从而使构件内的使构件内的应力变小应力变小的现象。的现象。 实例：实例：高温容器法兰联结螺栓松弛后使法兰与垫片间高温容器法兰联结螺栓松弛后使法兰与垫片间压紧力减小而发生泄漏（密封失效）（第压紧力减小而发生泄漏（密封失效）（第6章）章） 1.2 1.2 材料的性能材料的性能二、塑性 塑性是指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。 常用的塑性指标是延伸率（）和断面收缩率（）。1、延伸率（ ）1.2 1.2 材料的性能材料的性能2、断面收缩率（）断面收缩率与尺寸无关。延伸率和断面收缩率越大，表示金属材料的塑性越好。1.2 1.2 材料的性能材料的性能三、硬度四、冲击韧性五、缺口敏感性以上为课下自学内容思考题：韧性与塑性的关系1.2 1.2 材料的性能材料的性能1.2.2 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、弹性模数E =E,这个比例系数E称为弹性模数，弹性模数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，弹性模数随温度的升高而降低。1.2 1.2 材料的性能材料的性能 对于各种钢材它近乎为一个常数，即 0.3。2、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。 3、线膨胀系数l式中， l试件原始长度，mm； l试件伸长量，mm； t温度差，。1.2 1.2 材料的性能材料的性能1.2.3 化学性能 （主要指耐腐蚀性和抗氧化性）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： 在高温工作条件下，设备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。1.2 1.2 材料的性能材料的性能1.2 1.2 材料的性能材料的性能1.2.4 加工工艺性能 金属和合金的加工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：容器焊缝裂纹扩展，易造成事故。1.2 1.2 材料的性能材料的性能韧性与塑性： 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；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。 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。