一、化工设备材料及其选择

文章大纲

1. 1. 化工设备概述
2. 2. 材料的机械性能
   1. 2.1. 强度
   2. 2.2. 塑性
   3. 2.3. 硬度
   4. 2.4. 冲击功
3. 3. 材料的物理化学性能
4. 4. 金属材料的分类与牌号
5. 5. 碳钢与铸铁
   1. 5.1. 铁碳合金的组织结构
   2. 5.2. 杂质元素对碳钢性能的影响
6. 6. 特种钢、有色金属、非金属材料
7. 7. 化工设备腐蚀与防腐
8. 8. 化工设备选材的原则

化工设备概述

1. 设备的分类

   1. 按压力分类

      

   2. 按温度分类：

      

2．设备选材的基本要求

• 有足够的力学性能。
• 具有良好的加工性能。
• 具有良好的耐腐蚀性能。
• 经济合算。
• 其它各种性能符合设计要求。

材料的机械性能

• 强度：屈服点 抗拉强度 蠕变强度 持久强度 疲劳强度
• 塑性：延伸率 断面收缩率 冷弯性能
• 硬度：布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度
• 韧性：冲击韧性

强度

在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。

1. 屈服点 $R _ { e L }$ ：开始出现屈服现象时相对应的应力，MPa。

   • 在外力不再增加，仍发生明显塑性变形，这个现象称为材料达到了屈服点。

   • 金属或合金一般很少有明显的屈服现象，而高分子材料一般具有明显的屈 服现象。

   • 条件屈服点：发生0.2%残余伸长时的应力。

     $R _ { p0 . 2} = \dfrac { F _ { 0 . 2 } } { S _ { 0 }}$

   • 影响屈服点大小的因素

     【内在因素】

     • 结合键
     • 组织结构
     • 原子本性

     【外在因素】

     • 温度：温度升高，屈服点下降
     • 应变速率：应变速率升高，屈服点升高
     • 应力状态

2. 抗拉强度 $R _ { m }$ ：材料发生断裂时所能达到的最大应力值(抗压、抗弯、抗剪)。

   • 屈强比 $R _ { e L } / R _ { m }$ ：反映了材料塑性贮备的一个指标

   • 由于一般 $R _ { e L } < R _ { m }$ ，屈强比一般小于1。

   • 屈强比越大，屈服点与抗拉强度愈接近，塑性储备越小，这时有可能发生脆性断裂; 这类材料如木棒。

     屈强比越小，屈服点愈小于抗拉强度，这时塑性储备愈大，但材料的强度往往得不 到充分的发挥;这类材料如竹条。

   • 因此，在工程上希望所选用的材料具有合适的屈强比。

3. 蠕变强度 $R_{n}^{t}$：表征材料在高温和应力下抵抗发生缓慢塑性变形的能力。

   • 蠕变:在一定应力下，应变随时间而增加的现象。

   • 发生蠕变现象往往需要很长的时间，如古罗马教堂的玻璃。

   • 蠕变强度:材料抵抗蠕变现象发生的能力。

   • 表达蠕变强度的方法

     • 达到某一蠕变速度的应力值
     • 达到某一总变形的应力值

   • 蠕变速率 $= d \delta / { d \tau }$

     

     img

     oa段：材料在温度t下承受拉应力时所产生的起始伸长率（不计入蠕变） 。

     ab段：减速蠕变阶段。

     bc段：恒速蠕变阶段。

     cd段：加速蠕变阶段。

   • 温度↑，蠕变强度↓

4. 持久强度$R _ {D} ^ { t }$：在给定温度下，促使材料经过一定时间发生断裂的应力

   • 在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般为十万小时。
   • 持久强度是一定温度和一定应力下材料抵抗断裂的能力。在相同条件下，能支持的时间越久，则该材料抵抗断裂的能力也越大。

5. 疲劳强度 $R _ { - 1 }$

   • 很多构件经常受到大小及方向变化的交变载荷，这种交变载荷使金属材料在应力还远低于屈服点时就发生断裂，这种现象称为“疲劳”。金属在无数次交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力，称为“疲劳极限”。
   • 实际上不可能进行无数次试验，一般以$10^{6} \sim 10 ^ { 8 }$次循环试验作为疲劳强度。
   • 影响金属疲劳强度的因素主要有：合金成分、表面状态、组织结构、夹杂物的多少与分布状况、应力集中情况。

塑性

在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力

1. 延伸率A：试样受力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率

   $A = \dfrac { L _ { u } - L _ { 0 } } { L _ { 0 } } \times 1 0 0 \% = \dfrac { \Delta L } { L _ { 0 } } \times 1 0 0 \%$

   • 延伸率愈大，材料的塑性愈好。
   • 由于试样的总伸长为均匀伸长与局部缩颈伸长，故延伸率与试样尺寸有关。

2. 断面收缩率Z：试样受力拉断后，断面缩小的面积与原始截面面积之比的百分率。

   $Z = \dfrac { S _ { 0 } - S _ { u } } { S _ { 0 } } \times 1 0 0 \% = \dfrac { \Delta S _ { u } } { S _ { 0 } } \times 1 0 0 \%$

   • 断面收缩率愈大，塑性愈好。
   • 由于断面收缩率与材料尺寸无关，故它能更加可靠地反映出材料塑性的变化。
   • $A = \dfrac { Z } { 1 - Z }$ 或 $Z = \dfrac { A } { 1 + A }$
   • 若发生缩颈，延伸率与断面收缩率之间难以确定明确的数学关系。

3. 冷弯性能：用弯心直径等于1.5a的弯心将试样弯曲180°，不得出现裂纹、裂缝为合格。

硬度

材料抵抗其它更硬物压入表面的能力。

• 硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料弹性、强度、塑性和韧性等的一个综合性能指标。
• 常用的硬度测量方法都是用一定的载荷（压力）把一定的压头压入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一定时，压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。
• 根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

冲击功

冲击功是衡量材料韧性的一个指标，是材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常以标准试样的冲击功KV2表示。

• 冲击韧性 $\alpha _ { k }$ ：表示材料在外加载荷突然袭击时及时和迅速塑性变形的能力。
• $\alpha _ { k } =\dfrac{KV_2}{F} \quad\rm(J/cm^2)$

材料的物理化学性能

1. 弹性模量E：金属材料抵抗弹性变形的指标

   $E = \sigma _ { \varepsilon }$

   温度升高，弹性模量E降低。

2. 泊松比μ：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比

   对于各种钢材它近乎为一个常数，即μ＝0.3。

3. 耐腐蚀性能

金属材料的分类与牌号

1. 

   其它分类方法

   

2. 钢铁牌号及表示方法

   牌号	种类	含碳量/%	合金元素含量/%	符号意义
   Q235A.F	普通碳素结构钢	/	/	F：沸腾钢
   Q：屈服极限
   Q235A	优质碳素结构钢	/	/	A：钢材质量等级A级
   20g	锅炉专用钢	0.2	/	g：锅炉用钢
   16MnR	低合金钢	0.16	小于1.5%	R：容器用钢
   16MnDR	低合金钢	0.16	小于1.5%	D：低温用钢
   00Cr19Ni10	不锈钢	“00”表示含碳量低于0.03%	铬 Cr：18.00～20.00
   镍 Ni：8.00～11.00

   PPT内容

   1. 

   2. 

      

   3. 

碳钢与铸铁

碳钢和铸铁都是由95％以上的铁和0.05％～4％的碳及1％左右的杂质元素组成的，因此又称为“铁碳合金”。

铁碳合金的组织结构

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• 铁碳合金的基本组织

  1. 碳溶解在铁的晶格中形成固溶体

     1. 铁素体（F, Ferrite）：碳溶解在α—Fe中形成的固溶体。0.006％。

        强度硬度低、韧性塑性好。

     2. 奥氏体（A, Austenite）：碳溶解在γ—Fe 中形成的固溶体。最多2.06％

        强度硬度高，韧性好，塑性低，无磁性。只有在t＞727℃时，奥氏体才存在

     3. 马氏体（M, Martensite）：钢铁从高温奥氏体状态急淬下来的固溶体。

        硬度高、但很脆，不稳定。

  2. 碳与铁形成化合物—渗碳体Fe3C（C）Cementite

     • 又脆又硬，熔点高。当碳含量大于2％时，部分碳以游离的形式存在于铁碳合金中，即为铸铁。
     • 渗碳体在一定条件下可分解成铁与碳，但这种游离的碳是以石墨的形式存在的，对强度影响极大。

  3. 碳与铁形成混合物

     • 珠光体（P）Pearlite：铁素体（88％）和渗碳体（12％）组成，平均含碳量为0.77％。性能介于铁素体与渗碳体之间。
     • 莱氏体（L）Ledeburite：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的组织。

     

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杂质元素对碳钢性能的影响

💡 一般而言，金属元素的存在有利，非金属元素存在不利。

对碳钢性能有利的元素：

• 锰（Mn）：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用；
• 硅（Si）：有利于脱氧；
• 绝大多数金属元素：如钛、铬、镍等。

对碳钢性能有害的元素：

• 硫（S）：热脆性；
• 磷（P）：冷脆性；
• 氧（O）：降低钢的机械性能；
• 氮（N）：时效现象，使钢的硬度、强度提高；塑性降低；
• 氢（H）：氢腐蚀。

特种钢、有色金属、非金属材料

• 低合金钢具有更优良的物理、化学性能

• 低合金钢中添加的元素及其作用：

  

• 低合金钢牌号

  

化工设备腐蚀与防腐

1. 评定金属的腐蚀

   $K _ { a } = \dfrac { 2 4 \times 3 6 5 K } { 1 0 0 0 \rho } = 8 . 7 6 \dfrac { K } { \rho }$

   $K _ { a }$ - 每年金属厚度的减小量，$\rm mm/a$;

   $ρ$ - 金属的相对密度，$\rm{g/ c m ^ { 3 } }$。

   耐腐蚀性能	腐蚀速度/(mm/a)	耐腐蚀级别
   耐蚀	<0.1	1
   可用	0.1~1.0	2
   不可用	>1.0	3

2. 常见腐蚀类型

   1. 化学腐蚀：金属高温氧化及脱碳、氢腐蚀。
   2. 电化学腐蚀：晶间腐蚀（与Cr含量有关）、应力腐蚀（腐蚀介质+拉应力的共同作用）

3. 金属设备的防腐措施：衬覆保护层、电化学保护、添加缓蚀剂

化工设备选材的原则

略