第一章 化工设备材料及其选择

第一章 化工设备材料及其选择
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：材料的性能
建议学时：4学时
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
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供应情况；
(2)材质可靠，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；
(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
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。

（我们先看两个实例，再作总结）
压力 温度 介质 (从高真空到几千大气压,故有强度要求) (-250℃~2000℃，材料受冷、热) 酸碱（腐蚀）、核反应堆中子照射（变脆)
[实例1]常温拉应力下20号钢的拉抻试验
[实例2]高碳钢T10A 的拉伸试验
(1)屈服点（s σ）
金屑材料承受载荷作用，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 σ(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（2.0σ）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 σ）
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 σ）
（3）注意： δ的大小与试件尺寸有关；
ψ的大小与试件尺寸无关。

（试件计算长度为试件直径5倍时，用5δ表示）
2、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。

)
（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A K 或冲击韧度表示αK 表示。

冲击功A K=GH1-GH2，而冲击韧度αK= A K/F（F为面积）
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；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）
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、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。

三、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、弹性模数E
σE
ε
=，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E随温度的升高而降低。

2、泊桑比μ
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μ≈0.3
第三节金属材料的分类及牌号
一、分类
1、金属的分类
2、钢的分类
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
二、钢铁牌号及表示方法
1、牌号表示原则（GB221-79）
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：Q235F F---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
1）标准：旧GB700-79，已作废，新GB700-88，已正式执行。

2）新标准GB700-88，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-B 0~350 ≤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-C 0~400 ≤2.5 ≤30
②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 ，15MnVR ，15MnTi 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可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
化学腐蚀 电化学腐蚀 （如氢腐蚀） （如晶间腐蚀、应力腐蚀）
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：
GB150-1998《钢制压力容器》《压力容器安全技术监察规程》
HGJ15-89《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、Q235C
3、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] 选择液氨贮材料（使用地：沈阳）
[实例2] 选择浓硫酸贮罐材料
[实例3] 选择PVC聚合釜材料。