第六章 化工設(shè)備材料及其選擇

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Nanjing University of Technology,食品機(jī)械基礎(chǔ)第二篇 化工設(shè)備材料,授課教師：仲兆祥,第六章 化工設(shè)備材料及選擇,碳鋼,1,2,低合金鋼及化工設(shè)備用特種鋼,4,非金屬材料,3,有色金屬材料,化工設(shè)備的使用環(huán)境：壓力：真空低壓中壓 高壓超高壓溫度：低溫常溫中溫高溫介質(zhì)：腐蝕性；有毒；易燃；劇毒。氨合成的壓力有的達(dá)到32MPa高壓聚乙烯生產(chǎn)壓力為300MPa乙烯生產(chǎn)工藝中裂解爐溫度高達(dá)1200乙烯深冷分離溫度需降到-167,高壓反應(yīng)器,6.1 碳鋼,一.碳鋼中雜質(zhì)對(duì)其性能的影響1）錳(Mn) 來(lái)源在冶煉過(guò)程中加入錳鐵。 作用鋼材中錳含量高于0.8%時(shí)，即為合金 元素存在提高強(qiáng)度。有益元素。2）硫(S) 來(lái)源礦石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用FeS的熔點(diǎn)低于鋼材熱加工開(kāi)始溫度，它過(guò)早熔化，導(dǎo)致工件開(kāi)裂，稱(chēng)為“熱脆性”。有害元素！,3) 磷(P) 來(lái)源礦石。 作用溶于鐵素體，使鋼材常溫下脆性增加，塑性、韌性下降，即所謂“冷脆性”。 有害元素！ 4）氫(H) 來(lái)源鋼由高溫奧氏體冷至常溫時(shí)，氫的溶解度降低，來(lái)不及到鋼的表面逸出而積聚，并產(chǎn)生高壓力，在鋼材內(nèi)產(chǎn)生“白點(diǎn)”。 “白點(diǎn)”裂紋源,有害元素！,二.碳鋼的分類(lèi)、牌號(hào),（1）普通碳鋼含P、S等有害雜質(zhì)較多（S0.055% P0.045%)常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F Q235-B, Q235-C, Q275式中 Q普通碳鋼，“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈服點(diǎn)（MPa) A,B,C,D鋼材質(zhì)量等級(jí)，越后越高。 F沸騰鋼,（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼特點(diǎn)：含硫、磷等雜質(zhì)較少，均0.04%，雜質(zhì)少，組織均勻，表面質(zhì)量好。常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 數(shù)字-含C量的萬(wàn)分?jǐn)?shù); g -鍋爐鋼； R -容器鋼； Mn -含錳元素約1%。 （3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 特點(diǎn)：磷硫雜質(zhì)極少 P,S含量0.03%。 表示法：如20A,6.2 低合金鋼及特殊性能鋼,合金元素對(duì)鋼的影響為改善鋼材性能特意在碳鋼中加入合金元素，以改變鋼材性質(zhì)，即為合金鋼。例如：鉻：耐腐蝕抗氧化； 提高了強(qiáng)度硬度和耐磨性； 使鋼材的韌性和塑性降低。錳：提高強(qiáng)度和低溫沖擊韌性。鎳：提高淬透性，保持良好塑性和韌性； 提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性； 提高熱強(qiáng)性能。硅：提高強(qiáng)度、高溫疲勞強(qiáng)度、耐熱性、耐H2S腐蝕； 降低了塑性和沖擊韌性。,1.成分特點(diǎn)：由碳素鋼+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素組成；含碳量均較低，0.2%；合金元素總含量5% 。2. 相對(duì)于碳素鋼，其性能特點(diǎn)：強(qiáng)度提高；耐腐蝕性能提高；低溫性能提高。,低合金鋼,6.2 低合金鋼及化工設(shè)備用特種鋼,3.常用材料：板，管，圓鋼等型材。4.用途： 廣泛用于造船，壓力容器，橋梁，高壓鍋爐，汽車(chē)，礦山機(jī)械，農(nóng)業(yè)機(jī)械等。5.常用材料： 16MnR，15MnVR,18MnMoNbR, 16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR.,碳素鋼與低合金鋼比較,鍋爐鋼和容器鋼,1.工作環(huán)境：鍋爐：中溫或高溫；中壓或高壓。容器：壓力；溫度；介質(zhì)腐蝕；操作特點(diǎn)。2.對(duì)材質(zhì)要求：1）較高的強(qiáng)度；2）良好的塑性、韌性和冷彎性能；3）較低的缺口敏感性；4）良好的焊接性能和其他工藝性能；5）良好的冶金質(zhì)量。,3.常用的材料：鍋爐鋼 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。容器鋼（GB150-1998 鋼制壓力容器推薦） Q235-B，Q235-C; 20R; 16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。,7月20日上午天水方大建材有限公司某生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)的4個(gè)壓力容器中一個(gè)不明原因脫離閥門(mén)，巨大的沖擊力將該容器彈射出十余米，撞向生產(chǎn)車(chē)間后墻并將墻撞了個(gè)窟窿后才停了下來(lái)。由于“肇事”容器射出時(shí)磨擦力擦出火花，加之巨大的沖擊力將電源震壞，因此事故現(xiàn)場(chǎng)上空火光一片。經(jīng)查，事發(fā)時(shí)，生產(chǎn)車(chē)間有13名工人，其中4人不幸遇難，5人受傷。,壓力容器事故 一甘肅天水壓力容器爆炸,山西嘉寶酒業(yè)鍋爐爆炸壓力容器事故 二,事故經(jīng)過(guò)：2000年11月28日，寧波北侖發(fā)電廠發(fā)生鍋爐爆炸，造成2人死亡， 2人重傷， 2人輕傷，直接經(jīng)濟(jì)損失30萬(wàn)元，間接損失20萬(wàn)元。,事故原因：私自制造鍋爐，自行安裝投入使用，制造安裝人員均沒(méi)有專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)。,壓力容器事故 三寧波北侖港電廠鍋爐爆炸,事故經(jīng)過(guò)：1993年3月10日，寧波北侖發(fā)電廠發(fā)生鍋爐爆炸，死亡23人，傷24人，直接經(jīng)濟(jì)損失778萬(wàn)元，修復(fù)132天少發(fā)電近14億度。,事故原因：主要可能因?yàn)殄仩t嚴(yán)重結(jié)渣，落渣進(jìn)入水產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入爐膛，造成壓力升高。,不銹耐酸鋼,不銹-耐大氣腐蝕；耐酸-耐酸及強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。常用品種：1）鉻不銹鋼-如1Cr13,2Cr13,0Cr13等。第一個(gè)數(shù)字-含碳量的千分?jǐn)?shù)； Cr13-含鉻13%。組織成分：鉻固溶于鐵素體的晶格中形成固溶體。,“不銹”的原因： 在氧化性介質(zhì)中，鉻能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜，對(duì)鋼材起保護(hù)作用。,性能特點(diǎn)： 碳的作用-與鉻生成碳化鉻(Cr23C6)，消耗大量的鉻。為保證耐腐蝕性能，不銹鋼中碳含量越低越好。,鉻的作用： 能提高耐腐蝕性能。實(shí)際鉻不銹鋼的平均含鉻量13%。 能提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，而塑性、韌性降低。用作受載荷大的耐蝕零件，如軸類(lèi)，活塞桿、螺栓、浮閥等。,鉻鎳不銹鋼,常用鉻鎳不銹鋼型號(hào):06Cr19Ni10 式中 06-含碳量的千分?jǐn)?shù),C0.08%； Cr19-含鉻量17-19%； Ni10-含鎳量8-11%左右。 通常以鉻鎳平均含量“18-8”標(biāo)志這種鋼。組織特征：C、Cr、Ni固溶于奧氏體晶格中，是單一的奧氏體組織。,性能特點(diǎn): 耐腐蝕性好 Cr含量13%，表面形成氧化膜； 組織為單一的奧氏體，在電解液中不能形成微 電池，避免了電化學(xué)腐蝕。 力學(xué)性能優(yōu)異。 在400850期間，碳生成碳化鉻在晶界析出，使晶 界附近貧鉻（鉻含量低于12%）導(dǎo)致晶間腐蝕。 ！不能反復(fù)施焊，否則必須進(jìn)行熱處理。 不耐氯離子腐蝕。,耐熱鋼,高溫環(huán)境-原油加熱、裂解、催化等。如轉(zhuǎn)化爐爐管，工作溫度為650800。 碳鋼使用溫度一般在400以下。如20鋼 500時(shí)屈服點(diǎn)只有50MPa,變得很軟，鋼中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化過(guò)程）；同時(shí)鋼表面生成氧化皮，層層剝落。 碳鋼在高溫下強(qiáng)度和抗氧化性均下降。,高溫設(shè)備對(duì)材料的要求：化學(xué)穩(wěn)定性。抵抗高溫氣體（O2、H2S、SO2 等)腐蝕的能力。加入Cr、Al、Si等合金元素，鋼的表面能生成致密的氧化膜，保護(hù)鋼的表面。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。熱強(qiáng)性抗高溫蠕變能力 熱強(qiáng)鋼抗蠕變，有一定抗氧化能力 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等,低溫用鋼,低溫環(huán)境天然氣液化、空氣分離、潤(rùn)滑油脫脂、輕烴回收等。普通碳鋼在低溫下（-20以下）變脆，沖擊韌性顯著下降。低溫用鋼的基本要求： 具有良好的韌性（包括低溫韌性），良好的加工工藝性能和可焊性；低溫用鋼的組織成分特點(diǎn)： 含碳量盡可能低，以形成單相鐵素體組織，再加入適量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。,6.3.有色金屬,1.特性：1）密度小，體輕； 2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好。不產(chǎn)生火花； 3）塑性高，強(qiáng)度低； 4）易冷加工，可焊，可鑄； 5）耐低溫； 6）一定的耐腐蝕性； 7）不污染食物。濃硝酸設(shè)備、熱交換器、食品工業(yè)設(shè)備等,鋁及其合金,銅及其合金,1.純銅（紫銅）特性：1）塑性好，導(dǎo)電性好，導(dǎo)熱好； 2）低溫下保持較高塑性和沖擊韌性； 3）耐低濃度酸。用途：深冷裝置；密封墊片。常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脫氧的無(wú)氧純銅）。,2.黃銅銅與鋅的合金。特性：鑄造性能好；較高的力學(xué)性能；易切削加工；可焊接；耐蝕性較好；有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向。用途：深冷設(shè)備的筒體、管板、法蘭及螺母等?；こＳ貌牧希篐80,H68,H62等。,銅含量%,代號(hào),3.青銅常用材料：錫青銅（銅錫合金）鑄造青銅用場(chǎng)較多。特點(diǎn)：良好的耐腐蝕性，耐磨性。用場(chǎng)：泵殼，軸承，渦輪，閥門(mén)等。,鈦及其合金,特點(diǎn)：1）密度不大而強(qiáng)度高； 2）耐腐蝕性能近乎或超過(guò)不銹鋼； 3）耐熱。用場(chǎng)：航空工業(yè)，化學(xué)工業(yè)。,6.4 非金屬材料,無(wú)機(jī)非金屬材料1. 化工陶瓷特點(diǎn)：1）良好的耐腐蝕性能； 2）足夠的不透性、耐熱性； 3）一定的機(jī)械強(qiáng)度； 4）性脆易裂，導(dǎo)熱性差。用場(chǎng)：化工陶瓷設(shè)備及管道，管件等。,2.化工搪瓷,含高硅的瓷釉經(jīng)900煅燒，密著在金屬胎表面而成。特點(diǎn)：1）優(yōu)良的耐腐蝕性能； 2）優(yōu)良的電絕緣性能； 3）易碎裂。用場(chǎng)：搪瓷設(shè)備，如反應(yīng)釜、儲(chǔ)罐、換熱器、塔、閥門(mén)等。,有機(jī)非金屬材料,1. 工程塑料高分子合成樹(shù)脂+ 填料提高力學(xué)性能； 增塑劑降低硬度和脆性； 穩(wěn)定劑延緩老化； 固化劑加快固化速度。特點(diǎn)：1）良好的耐腐蝕性能； 2）一定的機(jī)械強(qiáng)度； 3）密度不大； 4）價(jià)格較低。,常用材料：硬聚氯乙烯塑料聚乙烯塑料耐酸酚醛塑料聚四氟乙烯塑料玻璃鋼,塑料瓶底的數(shù)字,一般礦泉水瓶子，底部標(biāo)示 1,農(nóng)夫山泉4升裝， 底部標(biāo)示 2,2.涂料高分子膠體的混合物溶液。用途：設(shè)備防腐常用涂料：防銹漆；底漆；大漆；環(huán)氧樹(shù)脂漆；酚醛樹(shù)脂漆等。,3. 不透性石墨,各種樹(shù)脂浸漬石墨，消除孔隙而成。特點(diǎn)：1）較高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)熱性，熱膨脹系數(shù)小，耐溫度急變性好； 2）不污染介質(zhì)； 3）加工性能好，相對(duì)密度小； 4）力學(xué)性能較低，性脆。用場(chǎng)：腐蝕性強(qiáng)的換熱器；泵，管道，機(jī)械密封環(huán)，爆破片等。,