化工设备机械基础化工设备机械基础u压力容器的常规设计方法压力容器的常规设计方法u内压、外压（中、低压）内压、外压（中、低压） u几类常用化工设备几类常用化工设备u换热设备、塔设备、搅拌设备换热设备、塔设备、搅拌设备 参考书目u化工容器及设备化工容器及设备，余国琮主编，北京：化学工业出，余国琮主编，北京：化学工业出版社，版社，1980u化工容器设计化工容器设计，化工设备设计全书编委员会，上海：，化工设备设计全书编委员会，上海：上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，1987u过程设备设计过程设备设计，郑津洋等主编，北京：化学工业出，郑津洋等主编，北京：化学工业出版社，版社，2005uGB150-98钢制压力容器钢制压力容器，北京：学苑出版社，北京：学苑出版社，1998uGB151-99钢制管壳式换热器钢制管壳式换热器，北京：学苑出版社，北京：学苑出版社，1999绪论绪论一、问题的提出一、问题的提出二、课程内容二、课程内容（一）（一）设备是工是工艺的基的基础（二）材料是（二）材料是设备的基的基础（一）基（一）基础篇篇材料材料材料的性能材料的性能碳钢碳钢特殊性能钢特殊性能钢合金钢合金钢常用三类钢常用三类钢内压容器内压容器外压容器的失稳外压容器的失稳（二）理（二）理论篇篇中低中低压容器容器设计（内（内压和外和外压）换热器换热器搅拌器搅拌器塔设备塔设备（三）（三）实践篇践篇典型典型设备（换热器、塔器、塔设备、搅拌器）拌器）第一章第一章 化工设备材料及其选择化工设备材料及其选择第一篇化工设备材料第一篇化工设备材料第一节第一节 概述概述 一、化工设备选材的重要性和复杂性一、化工设备选材的重要性和复杂性1.1.操作条件的限制操作条件的限制2.2.制造条件的限制制造条件的限制3.3.材料自身性能的限制材料自身性能的限制二、选材要遵循二、选材要遵循 适用、安全和经济的原则适用、安全和经济的原则第二节第二节 材料的性能材料的性能一、力学性能一、力学性能 材料在外力（或外加能量）作用下抵抗外力材料在外力（或外加能量）作用下抵抗外力所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力作用所表现的行为，包括变形和抗力，即在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。 金属材料承受金属材料承受载荷作用，荷作用，当当载荷不再增加或荷不再增加或缓慢慢增加增加时，仍，仍继续发生明生明显的塑性的塑性变形，形，这种种现象就称象就称为屈服。屈服。 1、强强度度：固固体体材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗产产生生塑塑性性变变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久持久强度度D蠕蠕变强度度n屈服屈服强度度s(0.2)抗拉抗拉强度度b疲疲劳极限极限n常温拉应力下常温拉应力下20号钢的拉抻试验号钢的拉抻试验 l0=10d0l0= 5d0或或从开始加载到发生断裂所能从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗达到的最大应力值，叫做抗拉强度。拉强度。 开始出现塑性变形时的应开始出现塑性变形时的应力，称为力，称为“屈服点屈服点”s ss s sb1、强强度度：固固体体材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗产产生生塑塑性性变变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 金属在拉伸条件下，金属在拉伸条件下，从开始加从开始加载到到发生生断裂所能承受的最断裂所能承受的最大大应力力值，叫作抗，叫作抗拉拉强度。度。 持久持久强度度D蠕蠕变强度度n屈服屈服强度度s(0.2)抗拉抗拉强度度b疲疲劳极限极限n1 1、强强度度：固固体体材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗产产生生塑塑性性变变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 材料在高温下，在材料在高温下，在一定的一定的应力下，抵力下，抵抗抗发生生缓慢塑性慢塑性变形的能力。形的能力。持久持久强度度D蠕蠕变强度度n屈服屈服强度度s(0.2)抗拉抗拉强度度b疲疲劳极限极限n 材料在高温下，抵抗材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。发生断裂的能力。 1 1、强强度度：固固体体材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗产产生生塑塑性性变变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久持久强度度D蠕蠕变强度度n屈服屈服强度度s(0.2)抗拉抗拉强度度b疲疲劳极限极限n材料在材料在交交变载荷荷作用下，作用下，会在会在远低于材料本身的屈低于材料本身的屈服点服点时就已就已经断裂了，断裂了，这种种现象就是疲象就是疲劳。我。我们把把经过106108次次循循环试验而不而不发生断裂的最大生断裂的最大应力，力，作作为疲疲劳强度。度。1 1、强强度度：固固体体材材料料在在外外力力作作用用下下抵抵抗抗产产生生塑塑性性变变形和断裂的特性。形和断裂的特性。 持久持久强度度D蠕蠕变强度度n屈服屈服强度度s(0.2)抗拉抗拉强度度b疲疲劳极限极限n2、塑性塑性：金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。能力。主要有两个塑性指标：主要有两个塑性指标：延伸率延伸率断面收缩率断面收缩率3、韧性：韧性： 表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量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。的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。承受承受静静载荷抗裂纹扩展的能力载荷抗裂纹扩展的能力 缺口敏感性缺口敏感性承受承受动动载荷时抗裂纹的能力载荷时抗裂纹的能力 冲击韧性冲击韧性冲击功冲击功 ，而冲击韧度而冲击韧度 （F为面积）为面积） 图图1-1冲击试样的安放冲击试样的安放1-摆锤摆锤2-试样试样3-机座机座图图1-2 冲击试验原理冲击试验原理1-摆锤摆锤2-试样试样（1）冲击韧度冲击韧度 韧性高的材料，塑性好；塑性较高韧性高的材料，塑性好；塑性较高的材料，韧性也好。的材料，韧性也好。问题问题判断正误并说出理由判断正误并说出理由 注意！韧性是材料在外加动载注意！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。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。下不一定能迅速塑性变形。 （2）缺口敏感性）缺口敏感性指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。下，抵抗裂纹扩展的能力。图图1-3 冲击试验的标准试样冲击试验的标准试样10281055R1(a) U型缺口型缺口104581055R0.25(a) V型缺口型缺口 4、硬度硬度：金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。金属材料抵抗其它更硬的物体压入其内的能力。 表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗 弹性变形、塑性变形或破断的能力。弹性变形、塑性变形或破断的能力。布布氏氏硬硬度度HB（一一般般在在HB450以以上上就就不不能能使使用用) 、 洛洛氏氏硬硬度度HR (可可以以用用于于硬硬度度很很高高的的材材料料) 、 维维氏氏硬硬度度HV ( 比比洛洛氏氏硬硬度度更更适适合合于于测测定极薄试样的硬度定极薄试样的硬度) ，显微硬度。，显微硬度。材材料料的的力力学学性性能能所所包包括括的的强强度度、塑塑性性、韧韧性性、硬硬度度四四个个指指标标中中，强强度度和和塑塑性性占占主主导导地地位位，但使用时要考虑温度的变化。但使用时要考虑温度的变化。T T 小结小结二、二、物理性能物理性能相相对密度、熔点、密度、熔点、热膨膨胀性、性、导热性、性、导电性、磁性、性、磁性、弹性模数与泊桑比等。性模数与泊桑比等。2、弹性模量弹性模量E E材料在材料在弹性范性范围内，内，应力和力和应变成正比，即成正比，即E，这个个比例系数比例系数E称称为弹性模量，表示金属材料在性模量，表示金属材料在弹性性变形形阶段段的的应力和力和应变关系。关系。对不同材料，材料的不同材料，材料的弹性模量越大使它性模量越大使它产生一定量的生一定量的弹性性变形的形的应力也越力也越。对同一种材料，同一种材料，弹性模数性模数E随温随温度的升高而度的升高而。1 1、线膨胀系数、线膨胀系数3、泊桑比、泊桑比泊桑比是拉伸泊桑比是拉伸试验中中试件件单位横向收位横向收缩与与单位位纵向伸向伸长之比之比，以，以表示。表示。对于各种于各种钢材它近乎材它近乎为一个常数，一个常数，即即0.3。 三、化学性能三、化学性能1 1、耐腐蚀性、耐腐蚀性金属和合金金属和合金对周周围介介质，如大气、水汽、各种，如大气、水汽、各种电解液解液侵侵蚀的抵抗能力叫做耐腐的抵抗能力叫做耐腐蚀性。性。 2 2、抗氧化性、抗氧化性在在现代工代工业生生产中的中的许多高温化工多高温化工设备，在高温工作，在高温工作条件下，不条件下，不仅有自由氧的氧化腐有自由氧的氧化腐蚀过程，程，还有其他气有其他气体介体介质如水蒸气，如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐等的氧化腐蚀作用，因此作用，因此锅炉炉给水中的含氧量和其他介水中的含氧量和其他介质中的硫及其他中的硫及其他杂质的的含量含量对钢的氧化是有一定影响的。的氧化是有一定影响的。 表表1-1 几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性几种材料在不同温度和浓度的酸、碱和盐类介质中的耐腐蚀性耐耐耐耐沸沸104010355沸沸任任钛300气气20干燥干燥气气(110)(浓)50(20)75(96)铅(40)(10)3550(55)(27)20(20)60(80100)铜300气气1002010(30)60(8095)95铝100溶液溶液与与气体气体100250饱1009040(40)(80100)(10)沸沸(沸沸)4050(6080)9518-8型型不不锈钢(70)20080120260480357010020(70)7080(80100)碳碳钢(沸沸)(25)耐耐耐耐100潮湿潮湿耐耐耐耐(100)(34)30(35)12050100沸沸704040高硅高硅铸铁STSi15R(480)(任任)20(70)7080(80100)灰灰铸铁()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)()(%)氨氨尿素尿素硫化硫化氢硫酸硫酸铵氢氧化氧化钠盐酸酸硫酸硫酸硝酸硝酸介介质材料材料金属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可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、热处理性能等直接影响化工焊性、切削加工性、热处理性能等直接影响化工设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时设备和零部件的制造工艺方法，也是选择材料时必须考虑的因素。必须考虑的因素。良好的冷热加工性能良好的冷热加工性能良好的焊接性能良好的焊接性能四、加工工艺性能四、加工工艺性能第三节金属材料的分类及牌号第三节金属材料的分类及牌号一、分类一、分类1、金属的分类、金属的分类铸造生铁铸造生铁金属金属黑色金属黑色金属有色金属有色金属生铁生铁钢钢炼钢生铁炼钢生铁合金生铁合金生铁铜及其合金铜及其合金轻金属及其合金轻金属及其合金其它有色及其合金其它有色及其合金纯铜（紫铜）纯铜（紫铜）铜锌合金（黄铜）铜锌合金（黄铜）铜锡合金（锡青铜）铜锡合金（锡青铜）无锡合金（铝青铜等）无锡合金（铝青铜等）铝及铝合金铝及铝合金钛及钛合金钛及钛合金镁及镁合金镁及镁合金铅、锡及其合金铅、锡及其合金锌及其合金锌及其合金镍、钴及其合金镍、钴及其合金2、钢的分类钢的分类二、钢铁牌号及表示方法（二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000GB/T221-2000） 1、碳素结构钢：、碳素结构钢：1）普通碳素结构钢（）普通碳素结构钢（GB700-88）代表钢材屈服点的字母代表钢材屈服点的字母 屈服点的数值屈服点的数值 材料质量等级符号材料质量等级符号 脱氧方法符号，脱氧方法符号，常用常用Q235B，Q235C，Q235AF2）优质碳素结构钢（）优质碳素结构钢（GB711-88）较普通碳素结构含较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。量较少，表面质量较好。常用常用10、15 、20g、20R和和20等。等。表表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表钢板钢板牌号牌号 使用温使用温度度 设计设计压力压力MPa 壳体钢壳体钢板厚度板厚度mm 其它限制其它限制 Q235-B 0350 1.6 20 不得用于毒不得用于毒性程度为高性程度为高度或极度危度或极度危害介质的压害介质的压力容器力容器 Q235-C 0400 2.5 30 二、钢铁牌号及表示方法二、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000） 2、合金（高强度）钢、合金（高强度）钢在碳素钢的基础上加入少量合金元素。在碳素钢的基础上加入少量合金元素。特别：锅炉钢和容器钢特别：锅炉钢和容器钢主要用于壳体或锅炉承压元件。主要用于壳体或锅炉承压元件。如如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。等。性能指标等见附录。性能指标等见附录。二、钢铁牌号及表示方法：二、钢铁牌号及表示方法： 3、特殊性能钢、特殊性能钢主要指不锈耐酸钢主要指不锈耐酸钢铬不锈钢，如铬不锈钢，如1Cr13铬镍不锈钢，如铬镍不锈钢，如0Cr18Ni9节镍不锈钢节镍不锈钢第四节 化工设备的腐蚀及防腐一、金属的腐蚀一、金属的腐蚀1.1.定义：定义：金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏现象。破坏现象。2.2.类型类型（腐蚀过程有无电流产生）（腐蚀过程有无电流产生）1 1）化学腐蚀（如氢腐蚀）化学腐蚀（如氢腐蚀）2 2）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）二、常见腐蚀类型二、常见腐蚀类型1. 氢腐蚀氢腐蚀氢气在气在较低温度和低温度和压力力(200，MPa)下下对普通碳普通碳钢及低合金及低合金钢不会有明不会有明显的腐的腐蚀，但是，但是在高温高在高温高压下下则会会对它它们产生腐生腐蚀，结果使材料果使材料的机械的机械强度和塑性度和塑性显著下降，甚至著下降，甚至损坏，坏，这种种现象常称象常称为“氢腐腐蚀”。二、常见腐蚀类型二、常见腐蚀类型2. 晶间腐蚀晶间腐蚀图图1-1 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体不锈钢的晶间腐蚀发生在晶界，晶粒之生在晶界，晶粒之间结合力下降，与元素合力下降，与元素Cr的含量有关。的含量有关。奥氏体不锈钢晶粒奥氏体不锈钢晶粒阴极阴极晶粒边界析出的碳化铬晶粒边界析出的碳化铬贫铬区贫铬区阳极阳极晶粒边界晶粒边界二、常见腐蚀类型二、常见腐蚀类型3. 应力腐蚀应力腐蚀图图1-2 应力腐蚀的裂纹扩展应力腐蚀的裂纹扩展金属在腐金属在腐蚀介介质和和拉拉应力的共同作用力的共同作用下下产生的一种破坏生的一种破坏形式。腐形式。腐蚀与拉与拉应力起互相促力起互相促进的作的作用。用。腐蚀性介质腐蚀性介质金属本身金属本身原始裂纹原始裂纹裂纹尖端裂纹尖端保护膜保护膜裂纹将扩展的区域裂纹将扩展的区域应力方向应力方向三、金属腐蚀的破坏形式三、金属腐蚀的破坏形式1.均匀腐蚀均匀腐蚀2. 非均匀腐蚀非均匀腐蚀区域腐区域腐蚀、点腐、点腐蚀、晶、晶间腐腐蚀 第五节 化工设备材料的选择一、选材的一般原则一、选材的一般原则1.遵循标准遵循标准2.根据钢材的选用范围根据钢材的选用范围3.经济性经济性4. 综合考虑：综合考虑：压力、温度和介质压力、温度和介质二、选材实例分析二、选材实例分析选择浓硫酸贮罐材料选择浓硫酸贮罐材料作业一、一、2题题A组前组前4题题3题选择材料，题选择材料，1，3二、判断题和填空题二、判断题和填空题