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5 化工设备材料
5.1 化工设备与管路常用的金属材料
化工设备常用金属材料:
钢铁、铜合金、铝合金等金属材料。钢铁是钢和铸铁的统称——铁碳合金。钢分为以铁和少量碳组成的碳钢，以及再加其它元素组成的合金钢两类。
5．1．1金属材料的主要性能
（一）力学性能
——材料在外力作用下表现出来的性能。
主要指标：强度、硬度、弹性、塑性和韧性等。
（1）强度
——抵抗在外力作用下产生塑性变形和断裂的能力。
常用的强度指标是屈服极限和强度极限。
①屈服极限（ s）②强度极限（ b）③疲劳强度
（2）弹性与塑性
外力作用下，材料的尺寸和形状发生变化，当外力卸除，材料又恢复到原始形状和尺寸，这种特性称为弹性
塑性：断裂前发生塑性变形的能力。
（3）硬度
材料抵抗更硬物体压入而产生塑性变形的能力，包括产生压痕或划痕（4）冲击韧性
金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力
（5）材料在高温和低温下的力学性能
一般金属材料在高温和低温下，其力学性能会有显著改变，表现为高温蠕变和低温脆性。
(二)物理性能
金属材料的物理性能有热膨胀性、导电性、导热性、熔点、相对密度等。
(三)材料的化学性能
金属材料的化学性能主要是耐腐蚀性和抗氧化性。
①耐腐蚀性
材料抵抗周围介质，如大气、水、各种电解质溶液等对其腐蚀破坏的能力叫耐蚀性。
②抗氧化性
在高温下使用的化工设备的材料与氧气或其他气体介质如水蒸气、CO2、SO2等产生化学反应而使材料氧化。
(四)加工工艺性
化工设备制造过程中，其材料具有适应各种制造方法的性能，即具有工艺性，它标志着制成成品的难易程度。主要性能有可焊性、可铸性、可锻性、热处理性、切削加工性和冷变形性等。一般塑性好的材料，焊接性能和冷冲压性能都好。
5．1．2碳钢
在工业上使用的金属材料一般不是纯金属，而是合金。合金是一种金属与其他金属或非金属熔合在一起的金属材料。铁与碳及少量其他元素熔合的合金为铁碳合金。它按含碳量的不同分为碳钢和铸铁。
（1）碳钢的分类
碳钢是含碳量是含碳量小于2.11%的铁碳合金。
（2）普通碳素结构钢
普通碳素结构钢含碳量较低，杂质含量较高，是质量不高的碳钢，具有一定的力学性能。这种钢价格低廉，广泛用于要求不高的金属结构和机械零件。
国家标准规定，这类钢材按保证力学性能供应，并按屈服点将其分成不同的牌号。每种牌号又按质量分为A、B、C、D四种等级。A级、B级为普通级，C级、D级为优级。
（3）优质碳素结构钢
优质碳素结构钢在供货时，除保证钢材的力学性能和化学成份外，还对硫磷的含量严格控制，品质较高，多用于重要的零件，应用非常广泛。
依据含碳量的不同，这种钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
①低碳钢 含碳量≤0.25%，钢的强度较低，但塑性好，焊接性能好，在化工设备中广泛使用。
②中碳钢 含碳量为0.30~0.60%，强度、硬度高，塑性、韧性稍差；焊接性能较差，不宜用于制造化工设备壳体。多用于制造传动设备的零件。
③高碳钢 含碳量≥60%，它的强度和硬度均较高，塑性差、焊接性能差，不适于制造化工设备，常用来制造弹簧、刃具及钢丝绳等。
（4）优质碳素结构钢的牌号
优质碳素结构钢的牌号是两位数字，表示含碳量的万分数。例如20钢，表示平均含碳量为0.2%的钢。如果优质碳素结构钢中含锰量较高，则在两位数字后标以汉字锰或Mn元素符号。例如，20 Mn是较高含锰量优质碳素钢。
特殊用途用钢，规定在数字后加注字母。R为容器用钢，20R为含碳量0.20%普通含锰量优质碳素结构钢的压力容器用钢板。
5.1.3合金钢
为了改善碳钢的力学性能和耐腐蚀性能等，特意在钢中加入少量合金元素，如铬、镍、钛、锰、钼、钒等，所特到的钢统称为合金钢。化工生产中常用的主要类型有低合金结构钢、不锈耐酸钢和耐热钢等。
（一）低合金结构钢
低合金结构钢是由含碳量较低（0.1~0.25%）的碳素钢加入少量合金元素（锰、钒、铌、镍、铬、钼）熔合而成，合金元素的含量一般小于5%。
低合金结构钢的牌号是以前面两位数字表示含碳量的万分数；以化学元素符号表示含有何种合金元素，合金元素后面的数字表示该元素含量的百分数，当合金元素含量小于1.5%时不标数字，平均含量为1.5~2.5% , 2.5~3.5%时，则相应标注2，3…。
（二）合金结构钢
合金结构钢的牌号也是以前面两位数字表示含碳量的万分数；以化学元素符号表示含有何种合金元素，合金元素后面的数字表示该元素含量的百分数。化工机械使用的合金结构钢主要是不锈耐酸钢和耐热钢。
5．1．4铸铁
铸铁是含碳量为2℅～4.5%的铁碳合金。其中硅、锰、硫、磷的含量都高于钢。碳在铸铁中以游离状态的石墨存在，铸铁的力学性能与石墨的形状、大小和分布状态有关。
（1）灰铸铁
碳元素以片状的石墨形式存在。石墨割裂了铸铁基体，使灰铸铁的抗拉强度和塑性比钢低很多。但抗压强度并不降低。石墨的存在还使灰铸铁具有良好的耐磨性、减震性、铸造性和切削性。
（2）球墨铸铁
碳在铸铁基体中以球状石墨存在。球墨铸铁的强度和塑性比灰铸铁高，综合力学性能接近于钢，可以代钢制造一些机械零件，如曲轴、阀门等。
（3）可锻铸铁
铸铁中的石墨呈团絮状。比灰铸铁有较高的强度、塑性和韧性。因其有一定的塑性变形能力，故得名可锻铸铁，实际上可锻铸铁并不能锻造。
（4）耐蚀铸铁和耐热铸铁
在铸铁中加入适量的合金元素后形成的具有耐蚀、耐热性能的铸铁, 如加入硅形成的耐蚀铸铁、加入铬形成的耐热铸铁等，常用于铸造化工机械的泵、阀门等零件。
5.1.5有色金属及其合金
在化工生产中，由于腐蚀、低温、高温、高压等特殊工艺条件的要求，设备的材质也经常用有色金属及其合金。常用的有铝、铜、铅、钛等。
(1)铝及其合金
(2)铜及其合金
(3)钛及其合金
(4)铅及其合金
5.2 化工设备与管路使用的非金属材料
在化工生产中，由于非金属材料具有优良的耐腐蚀性而获得广泛使用。非金属材料包括除金属材料以外的所有材料，依其组成分为无机非金属材料、有机非金属材料两大类。
5．2．1无机非金属材料
无机非金属材料的主要化学成分是硅酸盐。主要用于化工生产中的产品有化工陶瓷、玻璃、搪瓷和辉绿岩铸石等。
（1）化工陶瓷
化工陶瓷由粘土、瘠性材料和助熔剂用水混合后经过干燥和高温焙烧而成。
（2）化工搪瓷
化工搪瓷是由含硅量高的瓷釉通过900℃左右的高温煅烧，使瓷釉紧密附着在金属胎表面而制成的成品。
（3）玻璃
玻璃在化工生产中主要用作耐蚀材料，且玻璃中的SiO2含量越高，耐蚀性越强。
（4）辉绿岩铸石
辉绿岩铸石是用辉绿岩熔融后，铸造成一定形状的板、砖等材料，主要用来做设备衬里，也可做管道。
5．2．2有机非金属材料
在化工生产中广泛使用的有机非金属材料主要有塑料、橡胶、不透性石墨等。
（一）塑料
塑料是一类以高分子合成树脂为基本原料，在一定温度下塑制成形，并在常温下保持其形状不变的高聚物。
① 硬聚氯乙烯
② 聚乙烯塑料
③ 聚丙烯塑料
④耐酸酚醛塑料
⑤ 聚四氯乙烯
（二）橡胶
橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类，天然橡胶是用橡胶树汁经炼制得到的，它是不饱和异戊二烯的高分子聚合物。合成橡胶在化工生产中常用的有氯丁橡胶，丁苯橡胶，丁睛橡胶，氯磺化聚乙烯橡胶，氟橡胶，聚异丁烯橡胶等多种。
（三）不透性石墨
石墨分天然石墨和人造石墨两种。化工生产中使用的是人造石墨。人造石墨是由无烟煤、焦炭、与沥青混合压制成型后，在电炉中焙烧制成。石墨在加入树脂后，性质发生变化，表现出石墨和树脂的综合性能。
（四）玻璃钢
玻璃钢是用合成树脂做粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，按一定方法制成的塑料。
5. 3 化工设备的腐蚀与防护
5. 3. 1常见的腐蚀类型及其腐蚀机理
材料由于和环境作用而引起的破坏或变质称为材料的腐蚀。“材料”包括金属材料和非金属材料，“环境”指的是与材料接触的所有介质和气氛，包括水、水气、土壤、化工介质、压力、温度等，材料和环境的作用包括化学反应，电化学反应等。材料腐蚀所造成的破坏或变质指的是重量损失、穿孔、溶胀、开裂等；变质即材料性质变差，包括强度下降，脆性增大等。
腐蚀的机理是复杂的，通常认为是由于化学作用和电化学作用引起的，分别称为化学腐蚀和电化学腐蚀。
（1） 化学腐蚀
化学腐蚀是指金属与介质发生纯化学作用而引起的破坏。其反应过程的特点是，非电解质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互作用，电子的传递是在它们之间进行的，因而没有电流产生。
（2）电化学腐蚀
电化学腐蚀是金属与介质之间由于电化学作用而引起的破坏。其特点是在腐蚀过程中有电流产生，它的反应过程特点与电池中的电化学作用原理是一样的。
5. 3. 2常见的腐蚀破坏的形式
金属材料常见的腐蚀破坏的形式有多种，对应于化学腐蚀机理的腐蚀形式叫作全面腐蚀,以及高温条件下的气体腐蚀；对应于电化学腐蚀机理的腐蚀形式叫作局部腐蚀。
（1）全面腐蚀
全面腐蚀遍布金属结构的整个表面上，腐蚀的结果是质量减少，壁厚减薄，也称均匀腐蚀。
（2）局部腐蚀
局部腐蚀只集中局部区域而大部分金属表面几乎不被腐蚀。
①电偶腐蚀
② 缝隙腐蚀
③ 小孔腐蚀
④ 晶间腐蚀
⑤ 应力腐蚀破裂
（3）金属的高温气体腐蚀
在化工生产中高温气体对金属的腐蚀经常发生。
常见的高温气体腐蚀有以下三种。
(1)钢铁的高温氧化
(2)钢的脱碳
(3)氢腐蚀
5. 3. 3 化工机械常用的防腐蚀措施
（1）改善介质的防腐蚀条件
为了改善介质的防腐蚀条件，可以采用以下两种方法。
① 去掉介质中的有害成份（如O2、Cl-等）。
②添加缓蚀剂。
（2）采用电化学保护
具体方法有以下三种。
①利用外加电流使需要保护的金属成为阴极
②牺牲阳极保护法
③阳极保护法
（3）表面覆盖层法
表面覆盖层是一种较经济、方便的防腐蚀方法，在工业中应用广泛。
①金属覆盖层
②非金属覆盖层

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