资源简介

(共30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
6
有色金属材料
1.6 有色金属材料
　　有色金属及其合金的种类很多 , 常用的有铝 、 铜 、 铅 、 钛等及其合金 。
　　在石油化工中 , 由于耐腐蚀 、 低温 、 高温 、 高压等特殊工艺条件的要求 , 设备的材质也经常采用有色金属及其合金 。
　　有色金属具有很多优越性能 , 例如 , 铜有良好的导电性和低温韧性 ; 铝的相对密度小 , 耐硝酸腐蚀 ; 铅能防辐射 , 耐稀硫酸等多种介质的腐蚀 。 本节简要介绍几种常用的有色金属及其合金的性能和用途 。
1.6.1 铝及其合金
1 . 工业纯铝
　　铝的密度为 2.72 kg/m 3 , 约为铁密度的 1/3。 铝的熔点与其纯度有关 , 并随铝的纯度的提高而升高 。 当铝的纯度达到 99.996% 时 , 熔点为 660.24℃。 铝具有良好的导电性 、 导热性 , 其导电性仅次于银和铜 , 在所有金属中居第三位 。 由于铝和氧有较强的亲和力 , 在室温下能与空气中的氧发生化合并生成致密的氧化膜牢固地附着于基体金属表面 , 从而阻止氧进一步与基体金属化合 , 因此铝在大气中具有优良的耐腐蚀性能 。 铝为面心立方晶格 , 因此较容易发生滑移变形 , 所以具有塑性高而强度低的力学性能特点 。 工业纯铝的力学性质与纯度有关 , 纯度越高则塑性越好 、 强度越低 。 容器中常用的纯铝牌号有 5083、5086 等 。
1.6.1 铝及其合金
2 . 铝合金
　　在铝中适当添加铜 、 锌 、 镁 、 硅 、 锰及稀土元素等构成的合金称为铝合金 。 所添加的合金元素在固态铝中的溶解度一般都是有限的 , 因此在铝合金的组织中除了会形成铝基固溶体外 , 还会有第二相 ——— 金属间化合物 。 铝合金保持了纯铝的相对密度小 、 耐腐蚀能力强的特点 , 其力学性能大幅度提高 。 经过热处理的铝合金的力学性能完全可以和钢铁材料相媲美 。铝合金的上述特性 , 使其在航空工业和交通运输行业得到了广泛的应用 。 近年来在化工 、 石油化工行业的应用也在逐渐增加 。 另外 , 由于铝及铝合金具有面心立方晶格 , 在低温时无脆性转变现象 , 因此非常适用于制造深冷设备中的容器 、 贮罐及管道等 。
1.6.1 铝及其合金
3 . 铝合金牌号表示方法
　　铝合金牌号按 GB/T 16474—2011《 变形铝及铝合金牌号表示方法 》 执行 。
　　1000 系列为纯铝板 , 如 1100、1145, 这类铝板铝含量为 99% 以上 。
　　2000 系列为以铜为合金元素的铝板 , 铜含量为 2%~5%, 常用于航空航天工业 , 又称航空铝材 。
　　3000 系列为以锰为合金元素的铝板 , 锰含量为 2%~5%, 具有一定防锈性能 , 广泛用于空调 、 冷箱等潮湿环境 。
　　4000 系列为以硅为合金元素的铝板 , 目前应用不太广泛 。
1.6.1 铝及其合金
　　5000 系列为以镁为合金元素的铝板 , 主要有 5052、5083 等牌号 , 具有比重轻 、 抗拉强度高 、 延伸性良好 、 耐腐蚀性能良好等特性 , 主要用于焊接结构 、 贮槽 、 压力器皿 、 运输槽罐等 。
　　6000~8000 系列目前不常用 。
　　铝制化工设备具有钢所没有的优越性能 , 它在化工生产中有许多特殊用途 。 如铝的导热性能好 , 适于制作换热设备 ; 铝不会产生火花 , 可用来制作贮存易挥发性介质的容器 ; 铝不会使食物中毒 , 不污染物品 , 不改变物品颜色 , 在食品工业中可广泛用以代替不锈钢制作有关设备 ; 高纯铝可用来制作高压釜 、 漂白塔设备及浓硝酸贮槽 、 槽车 、 管道 、 泵 、 阀门等 。
　　铝及铝合金用于压力容器受压元件时的使用规定 : 设计压力不大于 16 MPa; 镁含量大于或等于 3% 的铝合金 ( 如 5083、5086), 设计温度为 -269~65 ℃, 其他牌号的铝和铝合金 ,设计温度为 -269~200 ℃。
1.6.2 铜及其合金
1 . 铜
　　纯铜又称紫铜 。 纯铜塑性好 , 导电性和导热性很高 , 在低温下可保持较高的塑性和冲击韧性 , 多用来制作深冷设备和高压设备的垫片 。
　　铜耐稀的硫酸 、 亚硫酸 , 稀的和中等浓度的盐酸 、 醋酸 、 氢氟酸及其他非氧化性酸的腐蚀 。 铜 不 耐 各 种 浓 度 的 硝 酸 。 在 氨 和 铵 盐溶液中 , 会形成可溶性的铜氨离子[Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ , 故不耐腐蚀 。
　　铜用于深度冷冻分离气体的装置中 , 也用于有机合成及有机酸工业 。
　　铜可用来制作蒸发器 、 蒸馏釜 、 蒸馏塔 、 蛇管 、 管子 、 离心机的转鼓等 。
　　化工上常用的纯铜有 T2、T3、T4、TUP( 用磷脱氧的无氧纯铜 )4 种 , 供应品种有板材和管材等 。 铜板的牌号 、 化学成分及力学性能见表 1-20。
1.6.2 铜及其合金
1.6.2 铜及其合金
2 . 铜合金
　　铜的强度较低 , 虽然可以通过加工硬化提高其强度和硬度 , 但其塑性急剧下降 。 为了改善铜的性能 , 在铜中加入锌 、 锡等元素 , 构成铜合金 。
　　(1) 黄铜
　　铜与锌的合金称为黄铜 。 它的铸造性能良好 , 强度比纯铜高 , 价格也便宜 。 为了改善黄铜的性能 , 在黄铜中加入锡 、 锰 、 铝等构成特殊黄铜 。
　　化工上常用的黄铜有 H80、H68、H62 等 。H80、H68 塑性好 , 可在常温下冲压成型 , 可用来制作容器的零件 。H62 在室温下塑性较差 , 但强度较高 , 价格低廉 , 可用来制作深冷设备的筒体 、 管板 、 法兰及螺母等 。
1.6.2 铜及其合金
　　(2) 青铜
　　铜与锌以外的元素组成的合金称为青铜 。
　　铜与锡的合金称为锡青铜 。 它具有良好的耐腐蚀性 、 耐磨性 , 主要用来制作耐腐蚀及耐磨零件 , 如泵壳 、 阀门 、 轴承 、 涡轮 、 齿轮及旋塞等 。
　　锡青铜分为铸造和压力加工两种 , 其中以铸造锡青铜用得最多 。
　　用于压力容器受压元件的铜及铜合金应为退火状态 。
1.6.3 铅及其合金
　　铅在许多介质中 , 特别是在硫酸中 , 具有很高的耐腐蚀性 。 由于铅的强度和硬度都低 ,不耐磨 , 非常软 , 相对密度大等 , 故不适于单独制作化工设备 , 只能制作设备衬里 。 铅还有耐辐射的特点 。
　　铅耐亚硫酸 、 磷酸 (<85%)、 铬酸 、 氢氟酸 (<60%) 等介质的腐蚀 , 不耐蚁酸 、 醋酸 、 硝酸和碱溶液等介质的腐蚀 。
　　铅与锑的合金称为硬铅 , 强度和硬度都比纯铅高 , 可用来制作加料管 、 鼓泡器 、 耐酸泵和阀门等零件 。
1.6.4 钛及其合金
　　钛的相对密度不大 ( 仅 4.5), 比铁轻 43%, 但钛的强度比铁的强度高 1 倍 , 比纯铝的强度几乎高 5 倍 。 这种高的强度与不大的相对密度相结合 , 使得钛在技术上占有极重要的地位 。 同时 , 钛的耐腐蚀性接近或超过不锈钢 。 因此 , 在航空工业和化学工业中 , 钛及其合金都得到了广泛应用 。
　　在钛中添加锰 、 铝或铬 、 钒等金属元素 , 能获得性能优良的钛合金 。 钛还是一种很好的耐热材料 。
　　钛及钛合金 用于压力容器受压元件时的使用规定 : 钛及钛合金的设计温度不高于315 ℃, 钛 - 钢复合板的设计温度不高于 350℃; 用于制造压力容器壳体的钛及钛合金在退火状态下使用 。
7
非金属材料
大连理工大学出版社
1.7 非金属材料
　　非金属材料具有优良的耐腐蚀性能 , 原料来源丰富 , 品种多样 , 适于因地制宜 , 就地取材 , 是一种有着广阔发展前途的化工材料 。
　　非金属材料分为无机非金属材料 ( 陶瓷 、 搪瓷 、 铸石 、 玻璃等 ) 及有机非金属材料 ( 塑料 、涂料 、 不透性石墨等 ) 两大类 。
1.7.1 无机非金属材料
1 . 化工陶瓷
　　化工陶瓷具有良好的耐腐蚀性能 , 足够的不透性 、 耐热性和一定的机械强度 。 其主要原料是黏土 、 瘠性材料和助熔剂 , 用水混合后经过干燥和高温焙烧 , 形成表面光滑 、 断面像细密石质的材料 。 但陶瓷性脆易裂 , 导热性差 。
　　目前化工生产中 , 化工陶瓷设备与管道应用很多 。 化工陶瓷产品有塔 、 贮槽 、 容器 、 泵 、阀门 、 旋塞 、 反应器 、 搅拌器和管道 、 管件等 。
1.7.1 无机非金属材料
2 . 化工搪瓷
　　化工搪瓷由硅含量高的瓷釉经过 900 ℃ 左右的高温煅烧 , 使瓷釉密着在金属胎表面而形成 。 化工搪瓷具有优良的耐腐蚀性能和电绝缘性能 , 但易碎裂 。
　　搪瓷的导热系数不到钢的 1/4, 热膨胀系数较大 , 故搪瓷设备不能直接用火焰加热 , 以免损坏搪瓷面 , 可以用蒸气或油浴缓慢加热 。 使用温度为 -30~270 ℃。
　　目前我国生产的搪瓷设备有反应釜 、 贮罐 、 换热器 、 蒸发器 、 塔和阀门等 。
1.7.1 无机非金属材料
3 . 辉绿岩铸石
　　辉绿岩铸石是用辉绿岩熔融后铸成的 , 可制成板 、 砖等材料 , 用来制作设备衬里 , 也可用来制作管材 。 铸石除了对氢氟酸和熔融碱不耐腐蚀外 , 对其他各种酸 、 碱 、 盐均具有良好的耐腐蚀性能 。
1.7.1 无机非金属材料
4 . 玻璃
　　化工上用的玻璃不是一般的钠钙玻璃 , 而是硼玻璃 ( 耐热玻璃 ) 或高铝玻璃 , 它们有良好的热稳定性和耐腐蚀性 。
　　玻璃在化工生产上用来制作管道或管件 , 也可以用来制作容器 、 反应器 、 泵 、 换热器 、 隔膜阀等 。
　　玻璃虽然有耐腐蚀 、 清洁 、 透明 、 阻力小 、 价格低等特点 , 但质脆 , 耐温度急变性差 , 不耐冲击和振动 。 目前已成功地采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道等方法来弥补其不足 。
1.7.2 有机非金属材料
1 . 工程塑料
　　以高分子合成树脂为主要原料 , 在一定条件下塑制成的型材或产品 ( 泵 、 阀等 ), 统称为塑料 。 在工业生产中广泛应用的塑料即为 “ 工程塑料 ”。
　　一般塑料是以合成树脂为主 , 加入添加剂以改善产品性能 。 一般添加剂有 :
　　① 填料 提高塑料的力学性能 ;
　　② 增塑剂 降低材料的脆性和硬度 , 使材料具有可塑性 ;
　　③ 稳定剂 延缓塑料的老化 ;及螺母等 。
　　④ 固化剂 加快固化速度 , 使固化后的树脂具有优良的机械强度 。
1.7.2 有机非金属材料
　　塑料的品种较多 , 根据受热后的变化和性能的不同 , 可分为热塑性和热固性两大类 。
　　热塑性塑料是以可经受反复受热软化 ( 或熔化 ) 和冷却凝固的树脂为基本成分制成的塑料 , 如聚氯乙烯 、 聚乙烯等 。 热固性塑料是以经加热转化 ( 或熔化 ) 和冷却凝固后变成不溶状态的树脂为基本成分制成的塑料 , 如酚醛树脂 、 氨基树脂等 。
　　由于塑料一般具有良好的耐腐蚀性能 、 一定的机械强度 , 相对密度不大 , 价格较低 , 所以在化工生产中得到了广泛应用 。
1.7.2 有机非金属材料
　　(1) 硬聚氯乙烯塑料
　　硬聚氯乙烯塑料具有良好的耐腐蚀性能 , 能耐稀硝酸 、 稀硫酸 、 盐酸 、 碱 、 盐等腐蚀 , 并有一定的强度 , 加工成型方便 , 焊接性能较好 。 导热系数小 , 冲击韧性低 , 耐热性较差是它的缺点 。 硬聚氯乙烯塑料的使用温度为 -15~60 ℃; 当温度为 60~90 ℃ 时 , 其强度显著下降 。
　　硬聚氯乙烯塑料广泛地用于制作各种化工设备 , 如塔 、 贮槽 、 容器 、 尾气烟囱 、 离心泵 、 通风机 、 管道 、 管件 、 阀门等 。
1.7.2 有机非金属材料
　　(2) 聚乙烯塑料
　　聚乙烯塑料是乙烯的高分子聚合物 , 有优良的电绝缘性 、 防水性 、 化学稳定性 。 在室温下 , 除硝酸外 , 其对各种酸 、 碱 、 盐溶液均稳定 , 对氢氟酸特别稳定 。
　　聚乙烯塑料可用来制作管道 、 管件 、 阀门 、 泵等 , 也可以用来制作设备衬里 , 还可以涂在金属表面作为防腐涂层 。
1.7.2 有机非金属材料
　　(3) 耐酸酚醛塑料
　　耐酸酚醛塑料是以酚醛树脂为黏结剂 , 以耐酸材料 ( 石棉 、 石墨 、 玻璃纤维等 ) 为填料的一种热固性塑料 。 它有良好的耐腐蚀性和耐热性 , 能耐多种酸 、 盐和有机溶剂的腐蚀 。
　　耐酸酚醛塑料可以用来制作管道 、 阀门 、 泵 、 塔节 、 容器 、 贮槽 、 搅拌器 , 也可以用来制作设备衬里 , 目前在氯碱 、 染料 、 农药等工业中应用较多 , 使用温度为 -30~130 ℃。 这种塑料性质较脆 , 冲击韧性较低 。 设备在使用过程中出现裂缝或孔洞 , 可用酚醛胶泥修补 。
1.7.2 有机非金属材料
　　(4) 聚四氟乙烯塑料
　　聚四氟乙烯塑料具有优异的耐腐蚀性 , 能耐强腐蚀性介质 ( 硝酸 、 浓硫酸 、 王水 、 盐酸 、 苛性碱等 ) 腐蚀 , 耐腐蚀性甚至超过贵重金属 , 有 “ 塑料王 ” 之称 , 使用温度为 -100~250 ℃。
　　聚四氟乙烯塑料常用来制作耐腐蚀 、 耐高温的密封元件和管道等 。 由于聚四氟乙烯塑料有良好的自润滑性 , 还可以用来制作无油润滑的活塞环 。
1.7.2 有机非金属材料
　　(5) 玻璃钢
　　用玻璃钢纤维增强的塑料又称玻璃钢 。 它以合成树脂为黏结剂 , 以玻璃纤维为增强材料 , 按一定成型方法制成 。 玻璃钢是一种新型的非金属防腐蚀材料 , 强度高 , 具有优良的耐腐蚀性能和良好的工艺性能等 , 在化工生产中应用日益广泛 。
　　根据所用树脂的不同 , 玻璃钢性能差异很大 。 目前应用在化工防腐蚀方面的有环氧玻璃钢 、 酚醛玻璃钢 ( 耐酸性好 )、 呋喃玻璃钢 ( 耐腐蚀性好 )、 聚酯玻璃钢 ( 施工方便 ) 等 。
　　玻璃钢在化工生产中可用来制作容器 、 贮槽 、 塔 、 鼓风机 、 槽车 、 搅拌器 、 泵 、 管道 、 阀门等多种设备 。
1.7.2 有机非金属材料
2 . 涂料
　　涂料是一种高分子胶体的混合物溶液 。 将其涂在物体表面 , 即可固化形成薄涂层 , 可用来保护物体免遭大气及酸 、 碱等介质的腐蚀 。 涂料多数情况下用于涂刷设备 、 管道的外表面 , 也常用作设备内壁的防腐蚀涂层 。
　　采用涂料防腐的特点是 : 涂料品种多 , 选择范围广 , 适应性强 , 使用方便 , 价格低 , 适于现场施工等 。 但是 , 由于涂层较薄 , 在有冲击 、 磨蚀作用以及强腐蚀介质的情况下 , 涂层容易脱落 , 这限制了涂料在设备内壁防腐蚀方面的应用 。
　　常用的防腐蚀涂料有防锈漆 、 底漆 、 大漆 、 酚醛树脂漆 、 环氧树脂漆等以及某些塑料涂料 , 如聚乙烯涂料 、 聚氯乙烯涂料等 。
1.7.2 有机非金属材料
3 . 不透性石墨
　　不透性石墨是由各种树脂浸渍石墨消除孔隙而得到的 。 它具有较高的化学稳定性和良好的导热性 , 热膨胀系数小 , 耐温度急变性好 ; 不污染介质 , 能保证产品纯度 ; 加工性能良好和相对密度小等优点 。 它的缺点是机械强度较低 , 性脆 。
　　不透性石墨的耐腐蚀性主要取决于浸渍树脂的耐腐蚀性 。 由于其耐腐蚀性强和导热性好 , 常用来制作腐蚀性强的介质的换热器 , 如氯碱生产中应用的换热器和盐酸合成炉 ; 也可以用来制作泵 、 管道和机械密封中的密封环和压力容器用的安全爆破片等 。

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