第六章 化工設備材料及其選擇

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Nanjing University of Technology,《食品機械基礎》第二篇 化工設備材料,授課教師：仲兆祥,第六章 化工設備材料及選擇,,碳鋼,1,,2,低合金鋼及化工設備用特種鋼,4,非金屬材料,,,3,有色金屬材料,化工設備的使用環(huán)境： 壓力：真空—低壓—中壓— 高壓—超高壓 溫度：低溫—常溫—中溫—高溫 介質：腐蝕性；有毒；易燃；劇毒。 氨合成的壓力有的達到32MPa 高壓聚乙烯生產壓力為300MPa 乙烯生產工藝中裂解爐溫度高達1200℃ 乙烯深冷分離溫度需降到-167℃,高壓反應器,6.1 碳鋼,一.碳鋼中雜質對其性能的影響 1）錳(Mn) 來源——在冶煉過程中加入錳鐵。 作用——鋼材中錳含量高于0.8%時，即為合金 元素存在——提高強度。有益元素。 2）硫(S) 來源——礦石和焦炭。 存在形式：FeS。 作用——FeS的熔點低于鋼材熱加工開始溫度，它過早熔化，導致工件開裂，稱為“熱脆性”。有害元素！,3) 磷(P) 來源——礦石。 作用——溶于鐵素體，使鋼材常溫下脆性增加，塑性、韌性下降，即所謂“冷脆性”。 有害元素！ 4）氫(H) 來源——鋼由高溫奧氏體冷至常溫時，氫的溶解度降低，來不及到鋼的表面逸出而積聚，并產生高壓力，在鋼材內產生“白點”。 “白點”——裂紋源,有害元素！,二.碳鋼的分類、牌號,（1）普通碳鋼 含P、S等有害雜質較多（S≤0.055% P≤0.045%) 常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F Q235-B, Q235-C, Q275 式中 Q—普通碳鋼，“屈服”的拼音首位字母。 235——材料屈服點（MPa) A,B,C,D——鋼材質量等級，越后越高。 F——沸騰鋼,（2）優(yōu)質碳素鋼 特點：含硫、磷等雜質較少，均≤0.04%，雜質少，組織均勻， 表面質量好。常用有：08,10,15,20,20g,20R,30Mn,40Mn等。 式中 數字--含C量的萬分數; g --鍋爐鋼； R --容器鋼； Mn ---含錳元素約1%。 （3）高級優(yōu)質鋼 特點：磷硫雜質極少 P,S含量≤0.03%。 表示法：如20A,6.2 低合金鋼及特殊性能鋼,合金元素對鋼的影響 ——為改善鋼材性能特意在碳鋼中加入合金元素，以改變鋼材性質，即為合金鋼。例如： 鉻：耐腐蝕抗氧化； 提高了強度硬度和耐磨性； 使鋼材的韌性和塑性降低。 錳：提高強度和低溫沖擊韌性。 鎳：提高淬透性，保持良好塑性和韌性； 提高耐腐蝕性和低溫沖擊韌性； 提高熱強性能。 硅：提高強度、高溫疲勞強度、耐熱性、耐H2S腐蝕； 降低了塑性和沖擊韌性。,1.成分特點： ※由碳素鋼+Si、Mn、Cu、Ti、V、Nb等元素組成； ※含碳量均較低，≤0.2%； ※合金元素總含量＜5% 。 2. 相對于碳素鋼，其性能特點： ※強度提高； ※耐腐蝕性能提高； ※低溫性能提高。,低合金鋼,,6.2 低合金鋼及化工設備用特種鋼,3.常用材料：板，管，圓鋼等型材。 4.用途： 廣泛用于造船，壓力容器，橋梁，高壓鍋爐，汽車，礦山機械，農業(yè)機械等。 5.常用材料： 16MnR，15MnVR,18MnMoNbR, 16MnDR,15CrMoR,14Cr1MoR….,碳素鋼與低合金鋼比較,鍋爐鋼和容器鋼,1.工作環(huán)境： 鍋爐：中溫或高溫；中壓或高壓。 容器：壓力；溫度；介質腐蝕；操作特點。 2.對材質要求： 1）較高的強度； 2）良好的塑性、韌性和冷彎性能； 3）較低的缺口敏感性； 4）良好的焊接性能和其他工藝性能； 5）良好的冶金質量。,3.常用的材料： 鍋爐鋼—— 20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。 容器鋼——（GB150-1998 《鋼制壓力容器》推薦） Q235-B，Q235-C; 20R; 16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。,7月20日上午天水方大建材有限公司某生產車間內的4個壓力容器中一個不明原因脫離閥門，巨大的沖擊力將該容器彈射出十余米，撞向生產車間后墻并將墻撞了個窟窿后才停了下來。由于“肇事”容器射出時磨擦力擦出火花，加之巨大的沖擊力將電源震壞，因此事故現場上空火光一片。經查，事發(fā)時，生產車間有13名工人，其中4人不幸遇難，5人受傷。,壓力容器事故 一 甘肅天水壓力容器爆炸,山西嘉寶酒業(yè)鍋爐爆炸 壓力容器事故 二,事故經過：2000年11月28日，寧波北侖發(fā)電廠發(fā)生鍋爐爆炸，造成2人死亡， 2人重傷， 2人輕傷，直接經濟損失30萬元，間接損失20萬元。,事故原因：私自制造鍋爐，自行安裝投入使用，制造安裝人員均沒有專業(yè)方面的知識。,壓力容器事故 三 寧波北侖港電廠鍋爐爆炸,事故經過：1993年3月10日，寧波北侖發(fā)電廠發(fā)生鍋爐爆炸，死亡23人，傷24人，直接經濟損失778萬元，修復132天少發(fā)電近14億度。,事故原因：主要可能因為鍋爐嚴重結渣，落渣進入水產生蒸汽，蒸汽進入爐膛，造成壓力升高。,不銹耐酸鋼,不銹---耐大氣腐蝕； 耐酸---耐酸及強腐蝕性介質的腐蝕。 常用品種： 1）鉻不銹鋼---如1Cr13,2Cr13,0Cr13等。 第一個數字---含碳量的千分數； Cr13---含鉻13%。 ◎組織成分：鉻固溶于鐵素體的晶格中形成固溶體。,◎“不銹”的原因： 在氧化性介質中，鉻能生成一層穩(wěn)定而致密的氧化膜，對鋼材起保護作用。,◎性能特點： 碳的作用---與鉻生成碳化鉻(Cr23C6)，消耗大量的鉻。為保證耐腐蝕性能，不銹鋼中碳含量越低越好。,鉻的作用： ——能提高耐腐蝕性能。實際鉻不銹鋼的平均含鉻量≥13%。 ——能提高鋼的淬透性，顯著提高鋼的強度、硬度和耐磨性，而塑性、韌性降低。 用作受載荷大的耐蝕零件，如軸類，活塞桿、螺栓、浮閥等。,鉻鎳不銹鋼,常用鉻鎳不銹鋼型號:06Cr19Ni10 式中 06---含碳量的千分數,C≤0.08%； Cr19---含鉻量17-19%； Ni10---含鎳量8-11%左右。 通常以鉻鎳平均含量“18-8”標志這種鋼。 組織特征：C、Cr、Ni固溶于奧氏體晶格中，是單一的奧氏體組織。,性能特點: ①耐腐蝕性好 ※Cr含量≥13%，表面形成氧化膜； ※組織為單一的奧氏體，在電解液中不能形成微 電池，避免了電化學腐蝕。 ②力學性能優(yōu)異。 ③在400～850℃期間，碳生成碳化鉻在晶界析出，使晶 界附近貧鉻（鉻含量低于12%）導致晶間腐蝕。 ！不能反復施焊，否則必須進行熱處理。 ④不耐氯離子腐蝕。,耐熱鋼,高溫環(huán)境---原油加熱、裂解、催化等。如轉化爐爐管，工作溫度為650～800℃。 碳鋼使用溫度一般在400℃以下。 如20鋼 500℃時屈服點只有50MPa,變得很軟，鋼中的Fe3C分解出石墨碳（石墨化過程）；同時鋼表面生成氧化皮，層層剝落。 ——碳鋼在高溫下強度和抗氧化性均下降。,高溫設備對材料的要求： ①化學穩(wěn)定性。——抵抗高溫氣體（O2、H2S、SO2 等)腐蝕的能力。加入Cr、Al、Si等合金元素，鋼的表面能生成致密的氧化膜，保護鋼的表面。 Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。 ②熱強性——抗高溫蠕變能力 熱強鋼——抗蠕變，有一定抗氧化能力 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等,低溫用鋼,低溫環(huán)境——天然氣液化、空氣分離、潤滑油脫脂、輕烴回收等。 普通碳鋼在低溫下（-20℃以下）變脆，沖擊韌性顯著下降。 低溫用鋼的基本要求： 具有良好的韌性（包括低溫韌性），良好的加工工藝性能和可焊性； 低溫用鋼的組織成分特點： 含碳量盡可能低，以形成單相鐵素體組織，再加入適量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。,6.3.有色金屬,,1.特性：1）密度小，體輕； 2）導電、導熱性好。不產生火花； 3）塑性高，強度低； 4）易冷加工，可焊，可鑄； 5）耐低溫； 6）一定的耐腐蝕性； 7）不污染食物。 濃硝酸設備、熱交換器、食品工業(yè)設備等,鋁及其合金,銅及其合金,1.純銅（紫銅） 特性：1）塑性好，導電性好，導熱好； 2）低溫下保持較高塑性和沖擊韌性； 3）耐低濃度酸。 用途：深冷裝置；密封墊片。 常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脫氧的無氧純銅）。,2.黃銅 ——銅與鋅的合金。 特性：鑄造性能好；較高的力學性能；易切削加工；可焊接；耐蝕性較好；有應力腐蝕開裂傾向。 用途：深冷設備的筒體、管板、法蘭及螺母等。 化工常用材料：H80,H68,H62等。,,,,,,,銅含量%,,代號,3.青銅 常用材料：錫青銅（銅錫合金） ——鑄造青銅用場較多。 特點：良好的耐腐蝕性，耐磨性。 用場：泵殼，軸承，渦輪，閥門等。,鈦及其合金,特點：1）密度不大而強度高； 2）耐腐蝕性能近乎或超過不銹鋼； 3）耐熱。 用場：航空工業(yè)，化學工業(yè)。,6.4 非金屬材料,無機非金屬材料 1. 化工陶瓷 特點：1）良好的耐腐蝕性能； 2）足夠的不透性、耐熱性； 3）一定的機械強度； 4）性脆易裂，導熱性差。 用場：化工陶瓷設備及管道，管件等。,2.化工搪瓷,——含高硅的瓷釉經900℃煅燒，密著在金屬胎表面而成。 特點：1）優(yōu)良的耐腐蝕性能； 2）優(yōu)良的電絕緣性能； 3）易碎裂。 用場：搪瓷設備，如反應釜、儲罐、換熱器、塔、閥門等。,有機非金屬材料,1. 工程塑料 高分子合成樹脂+ 填料——提高力學性能； 增塑劑——降低硬度和脆性； 穩(wěn)定劑——延緩老化； 固化劑——加快固化速度。 特點：1）良好的耐腐蝕性能； 2）一定的機械強度； 3）密度不大； 4）價格較低。,常用材料： 硬聚氯乙烯塑料 聚乙烯塑料 耐酸酚醛塑料 聚四氟乙烯塑料 玻璃鋼,塑料瓶底的數字,一般礦泉水瓶子，底部標示 1,農夫山泉4升裝， 底部標示 2,,,,,,,,,2.涂料 ——高分子膠體的混合物溶液。 用途：設備防腐 常用涂料： 防銹漆； 底漆； 大漆； 環(huán)氧樹脂漆； 酚醛樹脂漆等。,3. 不透性石墨,——各種樹脂浸漬石墨，消除孔隙而成。 特點：1）較高的化學穩(wěn)定性和良好的導熱性，熱膨脹系數小，耐溫度急變性好； 2）不污染介質； 3）加工性能好，相對密度小； 4）力學性能較低，性脆。 用場：腐蝕性強的換熱器；泵，管道，機械密封環(huán)，爆破片等。,