第五章第五章化工设备常用材料化工设备常用材料材材料料金属金属非金属非金属复合复合黑色金属黑色金属碳钢碳钢合金钢合金钢有色金属有色金属Cu(合金合金)、Al、Ti、Mg、Pb、Zn、Ni、Co无机无机有机有机陶瓷、搪瓷、玻璃陶瓷、搪瓷、玻璃塑料、橡胶塑料、橡胶一、一、力学性能力学性能1、强度、强度n固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。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！金属材料的重要强度指标金属材料的重要强度指标（1）屈服极限屈服极限n屈屈服服现现象象：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。仍继续发生明显的塑性变形。n屈服点：屈服点： （ s 或或 0.2 ）（2）抗拉强度）抗拉强度(b)n定义：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。发生断裂所达到的最大应力值。 是压力容器设计常用的性能指标常用的性能指标。n屈强比屈强比：s/ b 屈强比小，表明材料具有较大屈强比小，表明材料具有较大的的塑性储备塑性储备。（3）蠕变强度（）蠕变强度（ n n）n“蠕变蠕变”现象：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。 “蠕变强度蠕变强度”：材料在高温高温下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力能力，以 n n 表示，单位MPa 。（4）持久强度（）持久强度（ D D）n在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力。在一定温度下，经过一定时间断裂时的应力。 n材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，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。能支持的时间越久。n规定规定：化工设备设计寿命化工设备设计寿命一般为十万小时，所一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。度。（5）疲劳强度）疲劳强度(-1 )n构件或零件受到大小和方向变化的构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷交变载荷作用，应作用，应力远小于屈服点就断裂力远小于屈服点就断裂 疲劳。疲劳。n“疲劳极限疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致构件或零件在交变载荷作用下不致断裂的最大应力。断裂的最大应力。n例如：例如： 频繁开、停繁开、停车容器内容器内压力或温度波力或温度波动； 活塞式活塞式压缩机机压缩气体气体容器及管道内容器及管道内压力波力波动； 离心离心泵频繁开停机或震繁开停机或震动泵轴受力成交受力成交变式。式。 2、塑性、塑性n外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。n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（1 1）延伸率（）延伸率（） （2 2）断面收缩率）断面收缩率（y y）（3 3）冷弯性能）冷弯性能n室温下对试板以一定的内半径（3板厚）进行弯曲，=1200或1800 ，是否出现裂纹或起层。n-是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标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：塑性指标的实际意义：n便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；n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压力容器及其零件都需要具备这个性质。3、硬度的概念、硬度的概念n金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 n硬度高，材料强度也高，耐磨性较好；布氏硬度（HBS)洛氏硬度（HRA、HRB、HRC)维氏硬度（HV)4、冲击韧性、冲击韧性材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速发材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速发生塑性变形，抵抗断裂的能力。生塑性变形，抵抗断裂的能力。摆锤冲断试样所失去的位能为摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功冲击功取决于取决于材料能否迅速发生塑性变形的能力。材料能否迅速发生塑性变形的能力。冲击韧性与塑性的区别冲击韧性与塑性的区别n材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，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。材料塑性高，其冲击韧性不一定高。n静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动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。载荷下不一定能迅速塑性变形。n本质区别在于材料在动载荷作用下是否能本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够够迅速发生塑性变形迅速发生塑性变形，吸收冲击能量。，吸收冲击能量。二、物理性能二、物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，弹性模量，泊松比。1、线膨胀系数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？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？三、化学性能三、化学性能金属材料是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。1、耐腐蚀性耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力；2、抗氧化性、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。四、加工工艺性能四、加工工艺性能n可焊性能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；n铸造性能铸造性能流动性、凝固收缩率等；n可锻性能可锻性能抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；n切削加工性能切削加工性能n热处理性能热处理性能 5.3 金属材料的分类及牌号金属材料的分类及牌号1.黑色金属 1）生铁 2）钢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钢普通钢优质钢高级优质钢按化学成分：按质量分：钢沸腾钢镇静钢半镇静钢钢建筑钢结构钢弹簧钢轴承钢工具钢特殊性能钢按冶炼方法分：按用途分：2.有色金属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5.3.2 钢铁牌号及表示方法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 2、钢号表示法钢号表示法例：优质碳素钢08F 20 R 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 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%。5.3.3 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构1金属的组织与结构n在1500倍显微镜下观察到的显微组织，即金属的金相组织。n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：强度最好纯铁在不同温度下的晶体结构：纯铁在不同温度下的晶体结构：2纯铁的同素异构转变：-Fe -Fe 910（面心立方晶格）（体心立方晶格）固态下铁原子重新排列固态下铁原子重新排列3铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁与碳的相互关系和碳钢的基本组织铁碳关系：铁碳关系：固溶态，化合态，混合态固溶态，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（-Fe ）+C铁素体铁素体 （固溶体）（固溶体）塑性好，强度低。（2）奥氏体（A）面心立方晶格（-Fe ） +C奥氏体奥氏体 （固溶体）韧性好，强度高。铁碳关系之二铁碳关系之二：化合态化合态 C+Fe Fe3C Fe3C 称为渗碳体渗碳体。性能特点性能特点: :.硬，脆；.在一定条件下可以分解（3）渗碳体（）渗碳体（C）游离石墨+铁。渗碳体的作用渗碳体的作用：少量渗碳体散布在铁素铁中（总含c量2%）成为碳素钢碳素钢。提高了强度和硬度，可轧制成钢材。 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。铁碳关系之三铁碳关系之三游离态游离态 5.3.4 5.3.4 钢材的热处理钢材的热处理热处理工艺实例：热处理工艺实例：缝纫用钢针在火上烧，再慢慢冷下来后变软；建筑用铁线用火烧软；泵轴调质内韧外硬；扁铲淬火提高硬度和韧性 ；容器焊后退火消除内应力；热处理工艺曲线：（1 1）常用热处理工艺）常用热处理工艺缓慢加热，保温一定时间后 随炉冷却（曲线1） - 退火退火； 空气中冷却（曲线2）-正火正火 ； 作用：降低硬度，增加塑性，改善机械性能； 使组织均匀化，消除内应力。【注】加热温度为临界点（钢的内部组织发生转变的温度) 以上3050。缓慢加热，保温一定时间 淬火剂中冷却（曲线3） 淬火剂淬火剂: : 水，盐水-用于碳钢； 油-用于合金钢。作用：提高硬度、强度和耐磨性。 淬火淬火 淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却。 作用：消除内应力，稳定组织，满足技术要求。 回火又分为： 低温回火（150250 ）； 中温回火（300450 ）； 高温回火（500680）。 淬火+高温回火 称为调质处理。调质处理。 效果效果：强度、塑性、韧性均提高 。回火回火子项目2 化工设备用钢选择n【项目目标】n知识目标：熟悉化工设备常用金属材料；掌握碳素结构钢的使用条件；掌握化工设备用钢选择原则。n技能目标：能根据设备的工艺条件选择合适的材料。一、化工设备常用钢种碳素结构钢碳素结构钢碳素钢碳素钢合金钢合金钢特殊性能钢特殊性能钢制造压力容器制造压力容器常用钢材常用钢材1. 碳素结构钢n 碳素结构钢牌号及表示法 n 这类钢的牌号由四个部分构成n屈服极限字母Q、屈服极限数值、质量等级符号、脱氧方法符号n 1 2 3 4n质量等级有A、B、C、D四级；n脱氧方法符号由F、b、Z、TZ分别表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢（一般省略不写）、特殊镇静钢。n如Q235-AF表示碳素结构钢，屈服极限235MPa，A级质量，沸腾钢。 n 碳素结构钢主要有五大钢种，即Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，其中Q235-A钢具有良好的强度、塑性、韧性、焊接性、切削加工性等，在化工设备中应用广泛。 碳素结构钢使用条件 n碳素结构钢并非压力容器专用钢，但其轧制技术成熟，质量稳定，价格低廉。在限定的条件下可以用于压力容器。其使用条件见下表。钢号用作壳体时厚度 /mm容器压力/MPa使用温度/适用范围Q235-AF120.60250不得用于易燃介质及毒性程度为中度以上的介质Q235-A161.00350不得用于液化石油气介质及毒性程度为高度以上的介质Q235-B201.60350不得用于毒性程度为高度以上的介质Q235-C322.50400表1-1 压力容器用碳素钢钢板的使用条件 n2.碳素钢n化工容器常用低碳钢制造设备壳体，因为低碳钢具有较好的塑性、冷冲压及焊接性能。最常用的是20钢。n中碳钢强度与塑性适中，焊接性能差，不适于制作设备壳体，多用于制造各种机械零件如轴、齿轮、连杆等。常使用30、35、45钢制作螺栓、螺母。n高碳钢强度与硬度均较高，塑性差，常用于制造弹簧。n3.合金钢n化工容器常用16MnR、15MnVR、15MnTi等合金刚制造容器。用合金钢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。n4.特殊性能钢n常用的特殊性能钢有不锈钢和不锈耐酸钢。把能够抵抗空气、蒸汽和水等弱腐蚀性介质腐蚀的钢称为不锈钢，能够抵抗酸和其他强腐蚀性介质的钢称为耐酸钢。特殊性能钢主要指不锈耐酸钢。n 不锈耐酸钢根据合金元素的不同，分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。 n二、化工设备用钢选材原则n.化工容器用钢一般使用由平炉、电炉或氧气顶吹转炉冶炼的镇静钢，若是受压元件用钢，应符合国家标准GB15098钢制压力容器规定，同时符合压力容器安全技术监察规程及HGJ15-89钢制化工容器材料选用规定。n2.碳素结构钢用于介质腐蚀性不大的中、低压容器，在选择时应注意碳素结构钢的使用条件，不能超出表1-1中规定的数值。n3.合金钢用于介质腐蚀性不强的中、高压容器 压力低可以选择合金含量低的合金钢，相反，选择含量高的合金钢。可参考合金钢的屈服强度数值。n4不锈钢用于介质腐蚀性较强的场合 介质对设备材料有腐蚀性，时间长久，会导致容器穿孔，导致容器破坏，甚至发生事故。所以介质腐蚀性强时，应选用不锈钢或采取耐腐蚀处理。化工设备用钢选材原则（续）n5耐热钢用于高温场合 在高温下工作的容器，容器会发生缓慢的、连续不断的塑性变形，称为蠕变，长期的蠕变同样会使设备产生过大的塑性变形，导致容器破坏。一般地，碳钢超过350、合金钢超过400，应考虑蠕变问题。n6外压容器选Q235-A为宜不同钢种的弹性模量E相差不大，外压容器的选材不必选用高强度钢，其设计是按照刚度设计的，与强度关系不大，而高强度钢价格较高，所以制作外压容器，选用Q235-A钢即可。n7低温容器选耐低温钢工作温度低于-20的设备，称为低温设备，因为钢材在低温时冲击韧性急剧下降，脆性加大，所以低温设备应注意选择耐低温钢。n 某化工厂盐水车间内有一台换热器，换热器管间走蒸汽，管内走饱和卤水，用于卤水的加热，低压(0.3MPa)操作，卤水温度不超过80，试为该换热器选择材料，并说明选用理由。n分析：该换热器管间走蒸汽，管内走饱和卤水，低压、常温操作，介质腐蚀性小，壳体、封头选用碳素结构钢Q235-A；管板、法兰也选用Q235-A；接管、换热管选用10号无缝钢管；螺栓、螺母选用35号钢；支座选用Q235-AF即可。【项目实例】【项目实例】【项目练习】n1.举例说明常用的化工设备用钢钢种。n2.简述碳素结构钢的使用条件。n3.简述化工设备用钢选材的基本原则。n4.说明反应釜各零部件的材料。项目三 化工设备热处理与防腐蚀子项目1 化工设备用钢的热处理n【项目目标】n知识目标：掌握热处理的含义、种类、目的；掌握热处理工艺的含义、区别；掌握表面热处理的方法、含义、种类。n技能目标：能对焊后化工设备进行焊后热处理。（2 2）化学热处理）化学热处理-将零件放在化学介质中进行 加热-保温-冷却的过程。 使零件表面改性。方式：渗碳，渗氮，渗铬，氰化等。热处理概述n热处理是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的一种工艺。n热处理在加热、保温和冷却过程中，钢的内部组织和性能都发生了变化，从而改变了其性能，通过热处理，可以充分发挥材料的性能潜力，提高零件质量，延长零件寿命，节省钢材。n热处理包括普通热处理和表面热处理。n一般零件的生产工艺过程为：锻造预先热处理粗加工最终热处理精加工。n一、普通热处理n普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等。n退火和正火 退火是将钢材加热到适当的温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷、坑冷）。正火是将钢材加热到适当温度，保温一定时间后，在空气中冷却。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。n退火和正火属于预先热处理，能降低钢材硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分，为后道工序做准备。n正火比退火冷却速度稍快，得到的组织较细，强度硬度稍有提高；生产周期短，节约能量，操作简便。生产中优先采用正火工艺。n 对力学性能要求不高的零件，可用正火作为最终热处理，不再进行淬火加回火。n淬火和回火 n淬火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在介质中快速冷却，以获得高硬度组织的一种热处理工艺。钢的冷却分为水冷和油冷。水的冷却能力强，一般用于碳钢，称为水淬；油的冷却能力低，常用于合金钢，称为油淬。n淬火是一种很早就应用的热处理工艺，淬火后的钢硬而脆，组织不稳定，而且有内应力，不能满足使用要求。因此淬火后必须回火。n回火是将零件加热到适当温度, 保温一定时间后，以适当速度冷却到室温的热处理工艺。回火分为三类：低温回火、中温回火、高温回火。n低温回火的回火温度为150250，目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。 n中温回火的回火温度为350500，可大大降低零件的内应力，提高弹性，降低硬度，适用于弹簧等弹性元件。 n高温回火的回火温度为500650，在生产中将淬火后再高温回火的复合热处理工艺称为调质，调质后得到的零件，具有良好的综合力学性能，可以完全消除钢制零件的内应力，获得较高的塑性和韧性，但硬度降低很多，广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件。n二、表面热处理n在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度，而心部要求有较好的塑性和韧性。为满足这一要求，通常采用表面热处理。n表面热处理方法有表面淬火和化学热处理。n表面淬火 表面淬火是仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺。为满足工件表层的高硬度、高耐磨性要求，表面淬火后一般进行低温回火；为满足对心部的塑性和韧性要求，表面淬火前一般进行调质。n化学热处理 化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理可以提高工件表层的某些力学性能，如表层硬度、耐磨性、疲劳极限等；保护工件表面，提高工件表层的物理、化学性能，如耐高温、耐腐蚀性等。n按渗入的元素不同，化学热处理可分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。渗入元素介质可以是固体、液体和气体。n渗碳是将钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入到钢表层的化学热处理工艺。渗碳适用于含碳量为0.100.25%的低碳钢或低碳合金钢，经渗碳和淬火、低温回火后，可在零件的表层和心部分别获得高碳和低碳组织，使高碳钢和低碳钢的不同性能结合在一个零件上，从而满足了零件的使用性能要求。n渗氮、渗硼可使零件的表面硬度很高，显著提高零件的耐磨性和耐腐蚀性能；渗硫可提高减摩性；渗硅可提高耐酸性；也可以硫氮共渗；也可以碳、氮、硼三元素共渗。三、焊后热处理n焊后消氢处理，是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100以下时，进行的低温热处理。一般规范为加热到200350，保温2-6小时。焊后消氢处理可加快焊缝及热影响区中氢的逸出，有效防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹。n在焊接过程中，由于加热和冷却不均匀，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接完成后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时，还会导致构件的破坏。n消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80%90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。n有些合金钢材料在焊接以后，其焊接接头会出现淬硬组织，降低材料的机械性能。另外，这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下，可能导致接头破坏。经过热处理后，接头的金相组织得到改善，可提高焊接接头的塑性、韧性，从而改善焊接接头的综合机械性能。n焊后热处理一般选用单一高温回火或正火加高温回火处理。对于气焊焊口采用正火加高温回火热处理。单一的中温回火只适用于工地拼装的大型普通低碳钢容器的组装焊接，绝大多数选用单一的高温回火。【项目练习】n1.什么是热处理？有哪些种类？热处理的目的是什么？n2.什么是退火？什么是正火？两者有什么区别？n3.为什么工件淬火后应及时回火？说明回火的种类及适用场合。n4.叙述表面热处理的目的，表面淬火和化学热处理有什么区别？【项目实例】n试说明下列零部件通常采用什么样的热处理工艺方式。n搅拌轴；齿轮；弹簧；法兰；低碳钢容器的焊接组装n分析：搅拌轴 淬火后高温回火；n 齿轮 淬火后高温回火；n 弹簧 淬火后中温回火；n 法兰 正火加高温回火；n 低碳钢容器的焊接组装 中温回火。【项目练习】n1.什么是热处理？有哪些种类？热处理的目的是什么？n2.什么是退火？什么是正火？两者有什么区别？n3.为什么工件淬火后应及时回火？说明回火的种类及适用场合。n4.叙述表面热处理的目的，表面淬火和化学热处理有什么区别？二、金属设备的防护措施n n改变金属改变金属n n材料的性质材料的性质非金属保护层非金属保护层电化学保护电化学保护缓蚀剂保护缓蚀剂保护常用的防腐常用的防腐蚀措施蚀措施n1.改变金属材料的性质n根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。如在钢中加入镍制成不锈钢可以增强金属防腐蚀能力。n2.隔离金属与非金属介质n在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。n非金属保护层 将有机或无机的非金属材料覆盖在金属制品表面作为保护层，包括非金属衬里和涂层。非金属保护层是目前应用较多的防腐措施。n非金属衬里常用板砖衬里、玻璃衬里和橡胶衬里。n板砖材料包括耐酸瓷砖、耐酸砖、辉绿岩板、天然石材、不透性石墨、玻璃等。板砖衬里是把上述材料用胶泥衬砌于钢铁或混凝土设备内部，以防止腐蚀。n玻璃钢衬里是用黏结剂把玻璃纤维制品逐层铺贴在设备的内表面，经固化处理，形成防腐蚀结构。n橡胶衬里是把生橡胶板，按一定的工艺要求，衬贴在设备的内表面上，再经硫化而形成保护层。n涂层 是把具有防腐功能的涂料涂在设备内表面，经干燥固化形成均匀的涂膜，从而达到防止介质腐蚀的目的。n金属保护层 用电镀的办法将耐腐蚀性较强的金属或合金覆盖在被保护的金属上，形成保护镀层。常用的方法有电镀、化学镀（如镀镍）、喷镀（如喷铝）和衬里（铅衬里、不锈钢衬里）等方法。n3.缓蚀剂保护 n在腐蚀介质中加入少量能减小腐蚀速度的物质就能大大降低金属腐蚀的速度，此法叫缓蚀剂保护法。常用的缓蚀剂有无机缓释剂如重铬酸盐、过氧化氢、磷酸盐、亚硫酸钠、硫酸锌等和有机缓释剂如有机胶体、氨基酸、酮类、醛类等。n4.电化学保护法 n电化学保护法是把引起金属发生电化学腐蚀的原电池反应消除掉，使金属得到防护的方法。有阳极保护法和阴极保护法。n阳极保护法是被保护设备接在外加直流电源的阳极，金属的阳极极化到一定电位，使金属表面生成钝化膜，从而使金属设备得到保护。如铝及铝合金的阳极氧化薄膜化学性能稳定，提高了铝及铝合金的耐磨性、硬度，也提高了防腐蚀性能；铜及铜合金的阳极氧化膜层为黑色，在大气条件下容易变色，其耐磨能力不强。n阴极保护法是通过外加电流，使被保护金属阴极极化，使金属得到保护。有外加电流法和牺牲阳极保护法。n外加电流法是把被保护的金属设备与直流电源负极相连，电源正极与一个辅助阳极相连，接通电源后，电源给金属设备以阴极电流，此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。n牺牲阳极保护法是接一块电位更负的金属，更容易失去电子，输出阴极的电流使被保护的金属阴极极化，此法常用于保护海轮外壳，海水中的各种金属设备、构件、石油管路的腐蚀。【项目实训】n为盛装下列介质的设备采取合适的防腐蚀措施。n制盐（氯化钠）蒸发罐；n二氧化硫转化三氧化硫的转化器；n碳钢制的碱液（NaOH）蒸发罐；n合成氨生产中热钾碱法脱碳系统。n分析：制盐蒸发罐，外加电流阴极保护法； n二氧化硫转化三氧化硫的转化器，可采用喷镀铝层方法；n碱液碳钢蒸发罐：阳极保护法；n合成氨生产中热钾碱法脱碳系统：在系统中加入五氧化二钒，与钾碱溶液生成偏钒酸钾，偏钒酸钾作为缓蚀剂可大大降低介质对设备、管道的腐蚀。【项目练习】n什么是金属腐蚀? n化学腐蚀和电化学腐蚀有何区别?n化工设备的防腐蚀有哪些措施？n考察化工厂设备的防腐蚀问题。n3.缓蚀剂保护 n在腐蚀介质中加入少量能减小腐蚀速度的物质就能大大降低金属腐蚀的速度，此法叫缓蚀剂保护法。常用的缓蚀剂有无机缓释剂如重铬酸盐、过氧化氢、磷酸盐、亚硫酸钠、硫酸锌等和有机缓释剂如有机胶体、氨基酸、酮类、醛类等。 5.4 5.4 碳素钢碳素钢一、碳钢中杂质对其性能的影响一、碳钢中杂质对其性能的影响1、锰、锰(Mn) 有益元素有益元素n来源在冶炼过程中加入锰铁。n作用钢材中锰含量高于0.8%时，显著提高强度。2、硫、硫(S) 有害元素有害元素n来源矿石和焦炭。存在形式：FeSn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，称为热脆性热脆性。n化工设备是处理气体、液体和浆料等流体的容器，它与普通机械设备不同，通常具有以下特点。n.功能原理多换热设备、反应设备、分离设备、储存设备等等。n设备开孔多如反应釜的上封头有人孔、视镜、回流管口、仪表口、进料口、搅拌器口等各种开孔。n设备工艺条件苛刻化工生产的每一道工序都有严格的工艺条件，如压力、温度、液位等在操作中要严格按照设计的参数进行，有些设备在高温、高压，有些在低温，还有高真空或强腐蚀条件下操作。n自动化程度高随着科技水平的不断提高，对化工设备的使用也提出了更高的要求，设备各工艺条件的控制均可采用计算机控制。n n一、化工设备的特点3、 磷磷(P) 有害元素有害元素n来源矿石。n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“冷脆性冷脆性”。4、氢、氢(H) 有害元素有害元素n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”。n“白点”裂纹源n二、化工设备的基本要求n一台化工设备不仅要求满足化工工艺要求，还要能安全可靠地运行，同时还应经济合理。n满足工艺要求n化工设备首先应满足化工工艺过程要求，化工设备的主要结构与尺寸都由工艺设计决定。工艺人员通过工艺计算确定容器的直径、容积等尺寸，并确定压力、温度、介质特性等生产条件。这些条件是产品生产的基础，任何一台设备都应该严格控制按照工艺条件进行设计、制造、安装、使用，否则，不仅影响产品生产效率，更重要的是影响产品的质量。安全性要求安全性要求安全性要求要有足够的强度要有足够的强度要保证其刚度要保证其刚度要有足够的严密性要有足够的严密性耐蚀性要好耐蚀性要好n要有足够的强度 强度就是容器抵抗外力破坏的能力。容器应有足够的强度，否则易造成事故。首先是材料要选择适当，另外是壳体与零部件的连接，因为化工设备多数是以焊接形式连接的，所以应力集中现象比较严重，是比较薄弱的环节，所以设备的设计、制造应特别注意。n要保证其刚度 刚度是指容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力。承受压力的容器或构件，必须保证足够的稳定性，以防止被压瘪或出现折皱。外压容器压力低，壁厚薄，在使用过程中特别容易发生“失稳”现象，这种现象不是因为容器强度不足，而是因为容器刚度不足造成的，所以要注意保证这类容器的刚度足够。n要有足够的严密性 严密性是保证容器正常操作防止泄漏的重要方面。如果不能保证容器的密封性，那么设备的压力、温度等工艺条件则不能实现，假如设备内盛装的是易燃、易爆、有毒介质，那么不但污染环境，同时对操作人员的安全构成威胁，甚至可能造成爆炸等事故，后果不堪设想。n耐蚀性要好 耐蚀性是保证设备安全生产的一个基本要求。选择设备材料时，要特别注意介质是否具有腐蚀性。若材料选择不当，介质会腐蚀设备，设备壁厚会越来越薄，在应力集中区或构件焊接处，腐蚀更加严重，会引起泄漏，导致设备使用寿命缩短。使用性能要求使用性能要求使用性能要求使用性能要求使用性能要求制造工艺要合理制造工艺要合理运输要方便运输要方便要便于安装要便于安装便于操作、维护、检修便于操作、维护、检修n制造工艺要合理 化工设备的结构要紧凑、设计要合理。注意连接处要圆滑过渡，采用等厚度连接，尽量使焊缝远离边缘，在焊缝区域要采用焊后热处理，以消除热应力等。n运输要方便 化工设备的制造厂与使用厂通常不是一个厂家，往往需要由制造厂运至使用单位安装，所以设备的设计、制造需要考虑运输的问题，尤其是大型设备，应考虑运载工具的能力、空间大小、桥梁、码头承载能力及吊装设备的吨位等。如蒸发罐，体积比较大，通常做成分段可拆，段与段用法兰连接，到生产厂家现场安装。n要便于安装 化工设备通常安装在地面上，有些安装在楼板或楼顶上，还有的吊装在墙壁上，安装时要注意地基、楼板的承载能力，像高大的塔、蒸发罐等工作时往往充满液体，液柱静压力比较大，应特别注意。吊装设备应注意墙上安装孔、屋架的承载能力。n便于操作、维护、检修 化工设备操作中，温度压力的控制、液位和流量的调节是必须密切关注，并严格控制的，所以化工设备的设计、制造、安装应便于操作、维护和检修。例如阀门、人（手）孔、视镜的设计，操作平台、楼梯的设置，位置应合适，以便于工作人员操作、维护；化工设备多数是压力容器，需要定期检验其安全性，检验后对易损零件要更换、维修，对这些零部件的维护，应便于拆装、修理和更换。5.5 5.5 低合金钢及特殊性能钢低合金钢及特殊性能钢一、合金元素对钢的影响一、合金元素对钢的影响铬铬：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。锰锰：提高强度和低温冲击韧性。镍镍：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。1 1、成份特点、成份特点：碳素钢+Si、Mn、Cu、 Ti、V、Nb等元素含碳量均较低，0.2%；合金元素总含量5% 。2 2、相对于碳素钢，其、相对于碳素钢，其性能特点性能特点：l强度提高；l耐腐蚀性能提高；l低温性能提高。二、低合金钢二、低合金钢 碳素钢与低合金钢比较碳素钢与低合金钢比较 类别类别 品种品种 S (MPa) b (MPa) S/b使用温度使用温度 （）碳素钢碳素钢Q235-A 20 400 400 240 250 0.6 0.630350-19475低合金钢低合金钢 16Mn 15MnV 520 540 360 400 0.69 0.74-40475-45450n制造工艺要合理 化工设备的结构要紧凑、设计要合理。注意连接处要圆滑过渡，采用等厚度连接，尽量使焊缝远离边缘，在焊缝区域要采用焊后热处理，以消除热应力等。n运输要方便 化工设备的制造厂与使用厂通常不是一个厂家，往往需要由制造厂运至使用单位安装，所以设备的设计、制造需要考虑运输的问题，尤其是大型设备，应考虑运载工具的能力、空间大小、桥梁、码头承载能力及吊装设备的吨位等。如蒸发罐，体积比较大，通常做成分段可拆，段与段用法兰连接，到生产厂家现场安装。n要便于安装 化工设备通常安装在地面上，有些安装在楼板或楼顶上，还有的吊装在墙壁上，安装时要注意地基、楼板的承载能力，像高大的塔、蒸发罐等工作时往往充满液体，液柱静压力比较大，应特别注意。吊装设备应注意墙上安装孔、屋架的承载能力。n便于操作、维护、检修 化工设备操作中，温度压力的控制、液位和流量的调节是必须密切关注，并严格控制的，所以化工设备的设计、制造、安装应便于操作、维护和检修。例如阀门、人（手）孔、视镜的设计，操作平台、楼梯的设置，位置应合适，以便于工作人员操作、维护；化工设备多数是压力容器，需要定期检验其安全性，检验后对易损零件要更换、维修，对这些零部件的维护，应便于拆装、修理和更换。n4经济性能要求n 化工设备的经济性能要求是使其成本尽量降低。包括两方面内容。n设备制造的经济性 材料费、加工费、运输费要因地制宜，使费用尽量降低，有些没有危险性的常压设备，企业可以用本厂已经报废的旧设备改造。n设备使用的经济性 一般用消耗定额来衡量。n消耗定额是指生产一定的产品，燃料、蒸汽、电力的消耗量，还有设备的运转费（操作工时、维修费等）。n考虑设备的运转费用，选择设备时可以考虑采用先进的新设备，新设备使用不易出现问题，操作工时长，维修费少，生产产品多、质量好，利润高，综合考虑房租费、人工费，成本降低。【项目实训】n2004年4月15号，某化工厂发生一起压力容器爆炸事故，造成9人死亡、3人重伤，直接经济损失达227万元。n经调查：该设备因腐蚀穿孔，导致盐水泄漏，造成三氯化氮形成和富集，三氯化氮富集达到爆炸浓度和启动事故氯处理装置造成振动，引起三氯化氮爆炸。n试说明一台完善的设备应满足哪些安全性要求？n分析：一台完善的设备应满足强度、刚度、密封性、耐蚀性等安全性要求。项目二 化工设备常用材料子项目1 化工设备材料识别n【项目目标】n知识目标：掌握化工设备材料的四大性能；掌握金属材料分类及特点；掌握非金属主要种类及特点。n技能目标：能识别化工设备的材料及类型。一、化工设备材料性能化工设备材料性能化工设备材料性能化工设备材料性能化工设备材料性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能n1. 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，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。在材料的力学性能四个指标中，强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。n2. 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。n3. 化学性能 指材料在常温或高温条件下，抵抗氧化或腐蚀介质对其化学侵蚀的能力。包括耐腐蚀性、抗氧化性等。n4. 工艺性能 金属和合金的工艺性能是指在各种加工条件下表现出来的适应性能，包括铸造性、锻压性、焊接性、切削加工性、热处理性能等。其中，焊接性和切削加工性是压力容器最重要的两个性能。 n二、化工设备材料分类n化工设备可以选用的材料非常广泛，有金属材料和非金属材料。n1金属的分类n凡是由金属元素或以金属元素为主形成的，具有金属特性的物质称为金属材料。包括两大类。一类是铁和以铁为基的合金，俗称“黑色金属”，常用的有钢、铸铁和铁合金；另一类是非铁合金，俗称“有色金属”，常用的有铜、铝、铅等及其合金。其中钢的应用最广泛。 n2钢的分类n按冶炼时钢脱氧的程度不同，钢可分为n镇静钢：完全脱氧的钢。n半镇静钢：脱氧较完全的钢n沸腾钢：脱氧不完全的钢。n按化学成分钢可分为碳素钢和合金钢。n 碳素钢根据含碳量多少又可以分为n低碳钢 含碳量0.25%，常用钢号有10、15、20、25等。 n中碳钢含碳量0. 60%，常用钢号有30、35、40、45、50、55、60钢n高碳钢含碳量0. 60%，常用钢号有65、70钢。n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。根据加入合金元素的多少又可分为n低合金钢 合金元素总含量5%。n中合金钢 合金元素总含量510%。n高合金钢 合金元素总含量10%。n按质量分类，钢可以分为普通钢、优质钢和高级优质钢。n按用途分类，钢可以分为建筑钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、结构钢和特殊性能钢。其中结构钢又可分为碳素结构钢和合金结构钢。n3非金属材料的分类n化工设备常用的非金属材料有：n硬聚氯乙烯塑料 耐酸、耐碱性好，易加工，易焊接，耐热性差，常用于制作常压贮槽、泵、管件。n玻璃钢 耐蚀性好，强度高，有良好的工艺性能，常用于制造容器、塔器、管道、阀门、管道。n聚四氟乙烯塑料 耐蚀性极好，耐热性好，常用于制造耐腐蚀、耐高温的密封元件、高温管道。 n化工搪瓷 耐腐蚀性能好，性脆，不耐冲击，绝缘性能好，常用于制作塔器、反应器、阀门衬里。n化工陶瓷 耐蚀性好，性脆，抗拉强度小，有一定耐热性和不透性，常用于制造贮罐、反应器、阀门、管件等。n耐酸酚醛塑料 耐热性好，耐酸，常用于制造阀门、塔器、贮槽、泵、管道。n3非金属材料的分类n化工设备常用的非金属材料有：n硬聚氯乙烯塑料 耐酸、耐碱性好，易加工，易焊接，耐热性差，常用于制作常压贮槽、泵、管件。n玻璃钢 耐蚀性好，强度高，有良好的工艺性能，常用于制造容器、塔器、管道、阀门、管道。n聚四氟乙烯塑料 耐蚀性极好，耐热性好，常用于制造耐腐蚀、耐高温的密封元件、高温管道。 n化工搪瓷 耐腐蚀性能好，性脆，不耐冲击，绝缘性能好，常用于制作塔器、反应器、阀门衬里。n化工陶瓷 耐蚀性好，性脆，抗拉强度小，有一定耐热性和不透性，常用于制造贮罐、反应器、阀门、管件等。n耐酸酚醛塑料 耐热性好，耐酸，常用于制造阀门、塔器、贮槽、泵、管道。【项目实训】n某化工厂蒸馏车间内有一台蒸馏塔，用于粗溴的蒸馏，请指出塔中各部件所用材料，并分析选用该材料的理由。n分析：粗溴是氧化海水（或卤水）得到的中间产品，含有酸、溴、氯等腐蚀性介质，对普通碳钢材料有一定的腐蚀性，不能单独使用。n碳钢具有较好的塑性、韧性，强度高；聚四氟乙烯具有优良的耐蚀性和耐热性，同时有优良的电性能、抗粘性和低摩擦系数。n蒸馏塔可采用碳钢作为外壳，在碳钢内表面加一层聚四氟乙烯作衬里。填料用瓷环，支撑筛板和填料的收缩圈，用钢板制成，外包聚四氟乙烯，以防止腐蚀。【项目练习】n1.简述化工设备四大性能。n2.按化学成分分类，钢材有哪些品种？n3.比较金属材料与非金属材料特点。5.6 5.6 化工设备材料选择的化工设备材料选择的一般原则一般原则要考虑要考虑：n设备的操作条件压力、温度、介质特性、操作特点；n材料的使用性能力学性能、物理性能、化学性能；n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；n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：钢板牌号使用温度 设计压力 MPa壳体厚度 mm 其他限制Q235-B03501.620不得用于高度毒性和极度危害介质Q235-C04002.5303.设计温度应在允许使用温度范围内设计温度应在允许使用温度范围内。4.耐腐蚀耐腐蚀5.经济性好经济性好6.其他其他（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。