资源简介

(共20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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化工设备材料的选择
1.9.1 选材的一般原则
　　在设计和制造化工容器与设备时 , 合理选择和正确使用材料是一项十分重要的工作 。
　　选择容器用钢必须综合考虑 :
　　容器的操作条件 ——— 设计压力 、 设计温度 、 介质特性和操作特点等 ;
　　材料的使用性能 ——— 力学性能 、 物理性能 、 化学性能 ( 主要是耐腐蚀性能 );
　　材料的加工工艺性能 ——— 焊接性能 、 热处理性能 、 冷弯性能及其他冷热加工性能 ;
　　经济合理性及容器结构 ——— 材料价格 、 制造费用和使用寿命等 。
1.9.1 选材的一般原则
　　通常，容器的材料选择须遵循下列一般原则 :
　　(1) 压力容器用钢材应符合 GB/T 150.2—2011《 压力容器 第 2 部分 : 材料 》 的要求 , 材料适用于设计压力不大于 35 MPa 的压力容器 。 选材应接受国家质量技术监督局颁发的 《 固定式压力容器安全技术监察规程 》 的监督 。 压力容器受压元件用钢应是由电炉或氧气顶吹转炉冶炼的镇静钢 。 对于标准抗拉强度下限值大于或等于 540 MPa 的低合金钢钢板和奥氏体 - 铁素体不锈钢钢板 , 以及用于设计温度低于 -20 ℃ 的低温钢板和低温钢锻件 , 还应采用炉外精炼工艺 。 钢材 ( 板材 、 带材 、 管材 、 型材 、 锻件等 ) 的质量与规格应符合现行国家标准 、行业标准或有关技术规定 。
1.9.1 选材的一般原则
　　(2) 选用材料时还应考虑容器具体使用条件及标准对材料附加要求的力学性能试验项目 , 应注意中高温 、 低温及腐蚀条件下材料可能出现的问题 , 如碳素钢 、 碳锰钢在高于 425 ℃温度下长期使用时 , 钢中碳化物有石墨化倾向 ; 低温下某些材料出现低应力脆断等 。
　　(3) 一般情况下 , 按下列原则规定选材是经济的 。
　　① 所需钢板厚度小于 8 mm 时 , 在碳素钢与低合金钢之间 , 应优先选用碳素钢钢板 。 在以刚度设计或结构设计为主时 , 亦应尽量选用普通碳素钢钢板 。
1.9.1 选材的一般原则
　　② 在 以 强 度 设 计 为 主 时 , 应 根 据 材 料 对 压 力 、 温 度 、 介 质 等 的 使 用 限 制 , 依 次 选 用Q245R、Q345R、18MnMoNbR 等钢板 ( 由于 15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR 焊接性能差 , 焊接工艺要求严格 , 在使用中发现较多压力容器焊接接头处有裂纹 , 因此 , 近年来为新钢种 13MnNiMoNbR 和 07MnCrMoVR 所代替 )。 高压容器应优先选用低合金钢 , 高 、 中强度钢 。 如选用屈服强度级别为 350 MPa 和 400 MPa 的低合金钢 Q345R 与 Q370R, 价格与碳素钢相近 , 但强度比碳素钢 ( 如 Q235B 和 Q245R) 高 30%~60%。
　　③ 所需不锈钢厚度大于 12 mm 时 , 应尽量采用衬里 、 复合 、 堆焊等结构 。 另外 , 不锈钢应尽量不用作设计温度小于等于 500 ℃ 的耐热用钢 。
1.9.1 选材的一般原则
　　④ 珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于等于 350 ℃ 的耐热用钢 。 在必须用作耐热或抗氢用途时 , 应尽量减少 、 合并钢材的品种与规格 ( 减少钢材的品种与规格也是所有设计选材中应遵循的原则 )。
　　⑤ 温度不低于 -196 ℃ 的低温用钢 , 应尽可能采用无镍铬铁素体钢 , 以代替镍铬不锈钢和有色金属 ; 中温用钢 ( 温度不超过 500 ℃) 可采用含钼或钒的中 、 高强度钢 , 以代替 Cr-Mo钢 。
　　⑥ 在有强腐蚀介质的情况下 , 应积极试用无镍 、 铬或少镍 、 铬的新型合金钢 ( 如含 Si、Al、V、Mo 的钢种 )。 对要求耐大气腐蚀及海水腐蚀的场合 , 应尽量采用我国自己研制的含铜和含磷等钢种 , 如 16MnCu、15MnVCu、12MnPV 及 10 PCuRe、16MnRe、10MnPNbRe 等 。
1.9.1 选材的一般原则
　　(4) 通常 , 下列各类钢材选用对象也是设计选材的指导准则 。
　　① 碳素钢用于介质腐蚀性不强的常 、 低压容器 , 厚度不大的中压容器 , 锻件 、 承压钢管 、非受压元件以及其他由刚性和结构因素决定厚度的场合 。
　　② 低合金高强度钢用于介质腐蚀性不强 、 厚度较大 (≥8 mm) 的受压容器 。
　　③ 珠光体耐热钢用作抗高温 、 氢或硫化氢腐蚀 , 或设计温度为 350~650 ℃ 的压力容器用耐热钢 。
　　④ 不锈钢用于介质腐蚀性较强 ( 电化学腐蚀 、 化学腐蚀 ) 及防铁离子污染时的耐腐蚀用钢及设计温度大于 500 ℃ 或小于 -100 ℃ 的耐热或低温用钢 。
　　⑤ 不含稳定化元素且碳含量大于 0.03% 的奥氏体不锈钢 , 需经焊接或 400℃ 以上热加工时 , 不应使用于可能引起不锈钢发生晶间腐蚀的环境 。
1.9.1 选材的一般原则
　　(5) 用作设备法兰 、 管法兰 、 管件 、 人 ( 手 ) 孔 、 液面计等化工设备标准零部件的钢材 , 应符合有关零部件的国家标准 、 行业标准对钢材的技术要求 。
　　(6) 钢板 ( 除奥氏体型钢材外 ) 根据最低使用温度下限板厚和使用状态进行冲击试验 , 低于 -196~-253 ℃ 由设计文件规定冲击试验要求 。
各种钢材都有其一定的允许使用温度范围 ( 表 1-24), 设计时应根据由工艺条件和设备结构确定的设计温度选择材料 。
1.9.1 选材的一般原则
1.9.2 选材举例
1 . 选择液氨贮罐材料 ( 使用地 : 沈阳 )
　　(1) 分析贮罐操作条件
　　① 介质
　　贮罐内盛装经氨压缩机压缩并被水冷凝下来的液氨 。 液氨对大多数材料尚无腐蚀作用 。
1.9.2 选材举例
　　② 温度与压力
　　根据冷却水的温度 , 氨气冷凝时一般需要加压 0.9~1.4 MPa, 由于液氨贮罐大都露天放置 , 因而罐内液氨的温度和压力直接受到大气温度的影响 。 夏季贮罐经太阳暴晒 , 温度可达 40 ℃ 甚至更高 , 这时氨的饱和蒸气压为 1.485 MPa( 表压 ), 冬季沈阳月平均最低气温为-19.8 ℃, 此时氨的饱和蒸气压约为 0.09 MPa( 表压 ), 因此 , 贮罐的操作温度和压力又是波动的 。 根据 《 固定式压力容器安全技术监察规程 》 有关固定式常温贮存液化气体压力容器设计压力的规定 , 其设计压力应当以规定温度下的工作压力为基础确定 。 对于液氨贮罐 , 在无保冷措施下 , 其工作压力为 50 ℃ 时液氨饱和蒸气压 [1.973 MPa( 表压 )], 设计压力取值为 2.16 MPa。
1.9.2 选材举例
　　(2) 选择材料品种
　　通过操作条件的分析可知 , 该容器属于中压 、 低温范畴 , 同时温度和压力有波动 。 对材料的要求应 是 耐 压 , 耐 低 温 , 且 抗 压 力 波 动 。 根 据 选 材 原 则 , 应 优 先 选 用 低 合 金 钢 , 如Q245R、Q345R 等材料 。
1.9.2 选材举例
2 . 选择浓硫酸贮罐材料
　　贮罐容积为 40 m 3 , 间歇操作 , 通蒸气清洗 。
　　(1) 分析贮罐操作条件
　　介质为浓硫酸 , 是强腐蚀介质 , 操作温度为常温 , 压力为常压 。 容器选材主要考虑腐蚀和制造因素 。
1.9.2 选材举例
　　(2) 选择材料品种
　　由表 1-5 可见 , 耐浓硫酸腐蚀的材料有灰铸铁 、 高硅铸铁 、 碳钢 、18-8 型不锈钢 。 其中 ,灰铸铁和高硅铸铁质脆 , 抗拉强度低 , 又不可能铸造出 40 m 3 的大型设备 , 故不能选用 ;18-8型不锈钢各种性能虽好 , 但价格较高 , 考虑经济合理性一般不宜首选 ; 似乎只能考虑碳钢 。但由于贮罐为间歇操作 , 即罐内浓硫酸时有时无 , 当空罐时遇到潮湿天气 , 加之有时通蒸气清洗 , 罐壁上的浓硫酸便吸收水分而变稀 , 由表 1-5 可见 , 碳钢不耐稀硫酸腐蚀 , 因此碳钢亦不能选用 。 该浓硫酸贮罐最好采用碳钢制作外壳来满足强度要求 , 内部采用衬里 , 如 Q245R衬瓷砖或衬铅来解决腐蚀问题 。
1.9.2 选材举例
3 . 选择生产聚氯乙烯的聚合釜材料
　　(1) 分析设备操作条件
　　① 介质
　　用悬浮法生产聚氯乙烯 , 釜内的反应物是水和氯乙烯单体 , 并加入一定量的明胶和引发剂 ( 偶氮二异丁腈 ) 以及少量的重铬酸钾 , 配制成近于中性的悬浮液 , 因而介质对材料的耐腐蚀性没有特殊要求 。
1.9.2 选材举例
　　② 温度与压力
　　该聚合反应开始需加热 , 随着反应的进行放出大量热量 , 需将热量移出 , 维持 50 ℃ 的正常反应温度 。 为了满足换热要求 , 聚合釜多采用夹套式结构 , 且要求釜壁材料有较高的导热系数 。 该聚合反应的压力一般控制为 0.7~0.8 MPa, 为了保证产品具有良好的热稳定性和电绝缘性 , 在生产过程中应防止铁离子混入 。
　　综上分析 , 该设备属常温常压 、 介质无腐蚀设备 , 主要是保证无铁离子进入产品和有良好的传热效果 。
1.9.2 选材举例
　　(2) 选择材料品种
　　考虑满足强度和传热等要求 , 釜体可选用搪瓷 、 铝和不锈钢等材料 , 夹套选用碳钢 。 如果搪瓷聚合釜规格 、 容积不能满足生产要求 , 可以采用不锈钢复合钢板制造釜体 。

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