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(共34张PPT)
　　正确选择和使用材料是化工容器与设备机械设计的基础及重要环节。本篇主要内容如下：
　　1. 详细介绍化工设备用材料的基础知识，其主脉络是讲述材料的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能及加工工艺性能）、影响材料性能的因素（金属材料的组织、结构、化学成分等），以及通过改变金属材料的化学成分、进行热处理等方法和途径达到获得理想材料的目的。
　　2. 详细介绍我国最新金属材料标准，普通碳素钢、优质碳素钢和铸铁的牌号、性能及选用，以及化工设备应用最广泛的低合金钢和化工设备用的特种钢，如不锈钢、耐热钢、低温用钢等。
　　3. 简要介绍铝、铜、铅、钛及其合金，无机、有机非金属材料的种类及应用。
　　4. 简要讲述化工设备的腐蚀与防护措施 ,着重介绍氢腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀的机理及防腐措施。
　　通过本篇内容的学习，使大家初步学会正确合理地选用承压类化工容器和设备用材料。
第 1 篇　化工设备材料
　　1.1 概 述
　　1.2 材料的性能
　　1.3 金属材料的分类与牌号
　　1.4 碳钢与铸铁
　　1.5 低合金钢
　　1.6 有色金属材料
　　1.7 非金属材料
　　1.8 化工设备的腐蚀及防腐措施
　　1.9 化工设备材料的选择
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低合金钢
1.5 低合金钢
　　随着现代工业和科学技术的不断发展 , 对设备及零件的强度 、 硬度 、 韧性 、 塑性 、 耐磨性 、耐腐蚀性以及各种物理 、 化学性能的要求也越来越高 。 而碳素钢与合金钢相比 , 有强度与屈强比低 ( 表 1-14)、 淬透性差 、 高温强度低 ( 表 1-15) 以及特殊物理 、 化学性能差等缺点 , 已不能完全满足要求 , 故只有各种合金钢才能胜任 。
1.5 低合金钢
1.5 低合金钢
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
　　为了改善钢材的性能 , 在碳钢中特意加入一些合金元素 , 即为合金钢 。 目前常用的合金元素有铬 (Cr)、 锰 (Mn)、 镍 (Ni)、 硅 (Si)、 硼 (B)、 钨 (W)、 铝 (Al)、 钼(Mo)、 钒 (V)、 钛 (Ti) 和稀土元素 (RE) 等 。
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
　　铬
　　是合金钢主加元素之一 , 在化学性能方面 , 它不仅能提高耐腐蚀性能 , 也能提高抗氧化性能 。 当其含量达到 13% 时 , 能使钢的耐腐蚀能力显著提高 。 铬能提高钢的淬透性 , 显著提高钢的强度 、 硬度和耐磨性 , 但会降低钢的塑性和韧性 。
　　锰
　　可提高钢的强度 。 锰含量增加有利于提高钢的低温冲击韧性 。
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
　　镍
　　镍对钢铁性能有良好的作用 。 它能提高淬透性 , 使钢具有很高的强度 , 而又保持良好的塑性和韧性 。 镍能提高耐腐蚀性和低温冲击韧性 。 镍基合金具有更高的热强性能 。 镍被广泛应用于不锈钢和耐热钢中 。
　　硅
　　可提高强度 、 高温疲劳强度 、 耐热性及耐 H 2 S 等介质的腐蚀性 。 硅含量增加会降低钢的塑性和冲击韧性 。
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
　　硼
　　提高钢的淬透性 、 高温强度 , 强化晶界 。
　　钨
　　提高钢的硬度 、 强度 、 耐磨性 、 抗氢性能 , 增加淬火钢回火稳定性 , 使钢具有热硬性 。
　　铝
　　为强脱氧剂 , 能显著细化晶粒 , 提高冲击韧性 , 降低冷脆性 。 铝还能提高钢的抗氧化性和耐热性 , 对抵抗 H 2 S 介质腐蚀有良好作用 。 铝的价格比较便宜 , 所以在耐热合金钢中常以铝来代替铬 。
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
　　钼
　　能提高钢的高温强度 、 硬度 , 细化晶粒 , 防止回火脆性 。 含钼小于 0.6% 时可提高塑性 。 钼能抗氢腐蚀 。
　　钒
　　可提高钢的高温强度 , 细化晶粒 , 提高淬透性 。 铬钢中加一点钒 , 在保持钢的强度的同时 , 能改善钢的塑性 。
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
　　钛
　　为强脱氧剂 , 可提高强度 , 细化晶粒 , 提高韧性 , 减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向 ,在不锈钢中起稳定碳的作用 , 减少铬与碳化合的机会 , 防止晶间腐蚀 , 还可提高耐热性 。
　　稀土元素
　　可提高强度 , 改善塑性 、 低温脆性 、 耐腐蚀性及焊接性能 。
1.5.1 合金元素对钢性能的影响
1.5.2 低合金钢
　　低合金钢 , 亦称低合金高强度钢 , 是在碳素钢的基础上加入少量 Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb、低合金钢P 等合金元素构成的 , 它的碳含量较低 , 多数都小于 0.2%, 其组织多数仍为铁素体和珠光体组织 。 少量合金元素的加入可以大大提高钢材的强度 , 并改善钢材的耐腐蚀性能和低温性能 。
　　低合金钢可轧制成各种钢材 , 如板材 、 管材 、 棒材和型材等 。 它广泛用于制造远洋轮船 、 大跨度桥梁 、 高压锅炉 、 大型容器 、 汽车 、 矿山机械及农业机械等 。 采用 Q345R制造的大型化工容器 , 其重量比采用碳钢制造的轻 1/3; 用 14Cr1MoR 制造的球形贮罐 , 与碳钢制造的相比可节省钢材 45%; 用 12Cr2Mo1R 代替 Q245R 制造的氨合成塔 , 每台可节省 30~40 t 钢材 。 低合金钢具有耐低温性能 , 这对北方高寒地区使用的车辆 、 桥梁 、 容器等具有十分重要的意义 。
1.5.3 不锈耐酸钢
　　不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称 。 严格地讲 , 不锈钢是指耐大气腐蚀的钢 ; 耐酸钢是指能抵抗酸和其他强腐蚀性介质腐蚀的钢 。 耐酸钢一般都具有不锈的性能 。
　　不锈钢中同时加入铬和镍 , 可形成单一的奥氏体组织 。
　　根据所含主要合金元素的不同 , 不锈钢常分为以铬为主的铬不锈钢和以铬 、 镍为主的铬镍不锈钢 。 目前 , 还有我国自行研制的节镍 ( 无镍 ) 不锈钢 。
1.5.3 不锈耐酸钢
(1) 铬不锈钢
　　在铬不锈钢中 , 起耐腐蚀作用的主要元素是铬 , 铬能固溶于铁的晶格中形成固溶体 。 在氧化性介质中 , 铬能生成一层稳定而致密的氧化膜 , 对钢材起保护作用而且耐腐蚀 。 这种耐腐蚀作用的强弱常与钢中的碳含量 、 铬含量有关 。 当铬含量大于 11.7% 时 , 钢的耐腐蚀性会显著地提高 , 而且铬含量越多越耐腐蚀 。 但由于碳是钢中必须存在的元素 , 它能与铬形成铬的碳化物 ( 如 Cr 23 C 6 等 ), 因而可能消耗大量的铬 , 致使铁固溶体中的有效铬含量减少 , 使钢的耐腐蚀性降低 , 故不锈钢中碳含量越少越耐腐蚀 。 为了使铁固 溶 体 中 的 铬 含 量 不 低 于11.7%, 以保证耐腐蚀性能 , 就要将不锈钢的铬含量适当地提高 , 所以实际应用的不锈钢 , 其铬含量都在 13% 以上 。 常用的铬不锈钢有 :
1.5.3 不锈耐酸钢
　　①1Cr13( 碳含量不大于 0.15%) 和 2Cr13( 平均碳含量为 0.2%) 等钢种
　　经调质后有较高的强度与韧性 , 并对弱腐蚀介质 ( 如盐水溶液 、 稀硝酸 、 浓度不高的某些有机酸等 ) 在温度低于 30 ℃ 时 , 有良好的耐腐蚀性 。 在淡水 、 海水 、 蒸气 、 潮湿大气条件下 ,也具有足够的耐腐蚀性 , 但在硫酸 、 盐酸 、 热硝酸 、 熔融碱中耐腐蚀性低 , 故多用作化工设备中受力大的耐腐蚀零件 , 如轴 、 活塞杆 、 阀件 、 螺栓 、 浮阀 ( 塔盘零件 ) 等 。
1.5.3 不锈耐酸钢
　　②0Cr13 和 Cr17Ti 等钢种
　　因含形成奥氏体的碳元素量少 ( 都小于 0.1%), 铬含量多 , 且铬 、 钛 ( 少量 ) 都是形成铁素体的元素 , 故在高温与常温下都是铁素体组织 , 因而常在退火状态下使用 。 它们具有较好的塑性 , 而且耐氧化性酸 ( 如稀硝酸 ) 和硫化氢气体腐蚀 , 故常用来部分代替高铬镍 18-8 不锈钢用于化工设备上 , 如用于维尼纶生产中耐冷醋酸和防铁锈污染产品的耐腐蚀设备上 。
1.5.3 不锈耐酸钢
(2) 铬镍不锈钢
　　铬镍不锈钢的典型钢号是 S30408(0Cr18Ni9), 其中含 C≤0.08%,Cr 17%~19%,Ni 8%~11%, 故常以其 Cr、Ni 平均含量 “18-8” 来表示这种钢的代号 。 因钢中含有形成奥氏体的镍元素量较多 , 故 18-8 钢加热至 1 100~1 150 ℃, 并在水中淬火后 , 常温下也能得到单一的奥氏体组织 , 钢中的 C、Cr、Ni 都固溶于奥氏体晶格中 。 经这种热处理后 , 奥氏体 18-8 不锈钢具有较高的抗拉强度 、 较低的屈服强度 、 极好的塑性和韧性 , 其焊接性能和冷弯成型等工艺性能也很好 , 是目前用来制造各种贮槽 、 塔器 、 反应釜 、 阀件等化工设备使用最广泛的一类不锈钢 。
1.5.3 不锈耐酸钢
　　18-8 钢具有铬不锈钢的氧化铬薄膜的保护作用 , 且因镍能使钢得到单一的奥氏体组织 ,故在很多介质中比铬不锈钢具有更高的耐腐蚀性 。18-8 钢对 65% 以下 、 温度低于 70 ℃, 或60% 以下 、 温度低于 100 ℃ 的硝酸 , 以及苛性碱 ( 熔融碱除外 )、 硫酸盐 、 硝酸盐 、 硫化氢 、 醋酸等都很耐腐蚀 , 并且有良好的抗氢 、 氮性能 , 而对还原性介质 , 如盐酸 、 稀硫酸等则是不耐腐蚀的 。18-8 钢在含有氯离子的溶液中易遭受腐蚀 , 严重时往往引起钢板穿孔腐蚀 。
　　另外 ,18-8 钢容易产生一种所谓 “ 晶间腐蚀 ” 的现象 。 当 18-8 钢加热到 400~850 ℃, 或自高温缓慢冷却 ( 如焊接 ) 时 , 碳会从过饱和奥氏体中以碳化铬 (Cr 23 C 6 ) 的形式沿晶界析出 ,使奥氏体晶界附近的铬含量降低至不锈钢耐腐蚀所需要的最低含量 (12%) 以下 , 从而使腐蚀集中在晶界附近的贫铬区 , 这种沿晶界附近产生的腐蚀现象 , 称为晶间腐蚀 。
1.5.3 不锈耐酸钢
1.5.3 不锈耐酸钢
1.5.4 耐热钢
　　在原油加热 、 裂解 、 催化设备中 , 常用到许多能耐高温的钢材 , 例如裂解炉管 , 在工作时就要求能承受 650~800 ℃ 的高温 。 在这样高的温度下 , 一般碳钢是无法承受的 , 必须采用耐热钢 。
　　从强度与抗氧化腐蚀两方面来考虑 , 一般碳钢大多只能用于 400 ℃ 以下的温度 。当使用温度要求更高时 , 就应选用其他更耐热的钢种 。
1.5.4 耐热钢
1 . 高温设备对钢材的要求
化学
稳定性
热强性
1.5.4 耐热钢
　　(1) 化学稳定性
　　化学稳定性又称热稳定性 , 主要是指钢材抵抗高温气体 ( 如 O 2 、H 2 S、SO 2等 ) 腐蚀的能力 , 但对一般耐热钢来说 , 高温气体主要是指 O 2 , 所以 , 耐热钢的热稳定性主要是指抗氧化性 。
　　在钢中加入 Cr、Al、Si 等合金元素 , 可以提高钢的热稳定性 , 这主要是由于钢中的 Cr( 或Al、Si) 被氧化后能生成一层致密的氧化膜 , 保护钢的表面 , 从而避免氧的继续侵蚀 。
1.5.4 耐热钢
　　(2) 热强性
　　在一定热稳定性的前提下 , 钢材的高温强度越高 , 蠕变过程越缓慢 , 说明其热强性越好 。
　　为了提高钢的热强性 , 通常采用三种方法 :
　　① 强化固溶体 。
　　② 稳定金相组织 。
　　③ 提高钢的再结晶温度 。
1.5.4 耐热钢
2 . 常用耐热钢
1.5.5 低温用钢
　　目前低温设备用钢材 , 主要是以高铬镍钢为主 , 其次是使用镍钢 、 铜 、 铝等 。 结合我国的资源情况 , 近年我国研制成功了无铬镍的低温钢系列 , 并逐步应用于生产 。例如 , 使用温度
为 -40~-110 ℃ 的低温钢都属于低合金钢 , 这些低温钢的组织均为铁素体 ; 使用温度为-196~-253 ℃ 的低温钢是 Fe-Mn-Al 系新钢种 , 它是单相奥氏体组织 。 常用低温钢的主要化学成分 、 热处理状态及力学性能见表 1-19。
1.5.5 低温用钢
1.5.6 锅炉和压力容器用钢
1 . 压力容器用钢材品种
1.5.6 锅炉和压力容器用钢
2 . 压力容器用钢材标准
　　(1) 钢板
　　GB/T 150.2—2011 引用的压力容器用碳素钢和低合金钢钢板标准分别为 GB 713—2014《 锅炉和压力容器用钢板 》、GB/T 3531—2014《 低温压力容器用钢板 》 和 GB/T 19189—2011《 压力容器用调质高强度钢板 》。
1.5.6 锅炉和压力容器用钢
　　(2) 钢管
　　GB/T 150.2—2011 规定压力容器用碳素钢和低合金钢钢管标准有 GB/T 8163—2018《 输送流体用无缝钢管 》、GB/T 5310—2017《 高压锅炉用无缝钢管 》、GB/T 9948—2013《 石油裂化用无缝钢管 》、GB/T 6479—2013《 高压化肥设备用无缝钢管 》。 高合金钢钢管标准有GB 13296—2013《 锅炉 、 热交换器用不锈钢无缝钢管 》、GB/T 21833—2020《 奥氏体 - 铁素体型双相不锈钢无缝钢管 》 等 。
1.5.6 锅炉和压力容器用钢
　　(3) 锻件
　　GB/T 150.2—2011 规定压力容器用锻件标准有 NB/T 47008—2017《 承压设备用碳素钢和低合金 钢 锻 件 》、NB/T 47009—2017《 低温 承压设备用合金钢锻件 》、NB/T 47010—2017《 承压设备用不锈钢和耐热钢锻件 》。

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