第一章化工裝置材料
第一節概述
一、 化工裝置選材的重要性和複雜性
1、 操作條件的限制
2、 製造條件的限制
裝置在製造過程中，要經過各種冷、熱加工使它成型，例如下料、捲板、焊接、熱處理等，要求材料的加工效能要好。
3、 材料自身效能的限制
二、選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經濟的原則。
(1)材料品種應符合我國資源和**情況；
(2)材質可靠，能保證使用壽命；
(3)要有足夠的強度，良好的塑性和韌性，對腐蝕性介質能耐腐蝕；
(4)便於製造加工，焊接效能良好；
(5)成本低。
第二節材料的效能
一、力學效能
材料抵抗外力而不產生超過允許的變形或不被破壞的能力，叫做材料的力學效能。主要包括強度、塑性、韌性和硬度，這是設計時選用材料的重要依據
1、強度
強度是固體材料在外力作用下抵抗產生塑性變形和斷裂的特性。常用的強度指標有屈服點和抗拉強度等。
（我們先看兩個例項，再作總結）
[例項1]常溫拉應力下20號鋼的拉抻試驗
[例項2]高碳鋼t10a的拉伸試驗
(1)屈服點（）
金屑材料承受載荷作用，當載荷不再增加或緩慢增加時，仍繼續發生明顯的塑性變形，這種現象，習慣上稱為「屈服」。
發生屈服現象時的應力．即開始出現塑性變形時的應力，稱為「屈服點」，用(mpa)表示。
它即代表材料抵抗產生塑性變形的能力。
條件屈服點（）工程中規定發生0.2％殘餘伸長時的應力，作為「條件屈服點」
(2)抗拉強度（）
金屬材料在受力過程中，從開始載入到發生斷裂所能達到的最大應力值，叫做抗拉強度。
由於外力形式的不同，有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度等。抗拉強度是壓力容器設計常用的效能指標，
(3) 蠕變極限（）
蠕變現象
[例項1] （某工廠的蒸汽管，由於存在蠕變，管徑隨時間的延長不斷增大，壁厚減薄，最後導致破裂。）
[例項2] （汽輪機的葉片，可能因蠕變發生過大的塑性變形，以致與輪殼相碰而打碎。）
材料在高溫條件下，抵抗發生緩慢塑性變形的能力。
(4) 持久強度（）：材料在高溫條件下，抵抗發生斷裂的能力。
(5) 疲勞強度（）：（材料在交變載荷作用下，會在遠低於材料本身的屈服點時就已經斷裂了，這種現象就是疲勞。
我們把經過106~108次迴圈試驗而不發生斷裂的最大應力，作為疲勞強度，用表示
2、塑性
（指金屬在外力作用下產生塑性變形而不被破壞的能力，常用指標：延伸率、斷面收縮率。）
（1）延伸率：
（試件受拉力拉斷後，總伸長和長度與原始長度之比的百分率。）
==—試件斷裂後的標距長度，mm；
—試件的原始標距長度，mm；
—斷裂後試件的絕對伸長，mm；
（2）斷面收縮率：
（試件受拉力拉斷後，斷面縮小的面積同原始面積比值的百分率。）
—斷裂後試件的最小截面積，mm2;—試件的原始截面積，mm2;
（3）注意： 的大小與試件尺寸有關；
的大小與試件尺寸無關。
（試件計算長度為試件直徑5倍時，用表示）
2、韌性
(韌性是表示材料彈塑性變形為斷裂全過程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂紋擴充套件的能力。
我們常用衝擊韌性來表示材料承受動載荷時抗裂紋的能力，用缺口敏感性表示材料承受靜載荷時抗裂紋擴充套件的能力。)
（1）衝擊韌性：材料在衝擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用衝擊吸收功ak或衝擊韌度表示αk表示。
衝擊功ak=gh1-gh2，而衝擊韌度αk= ak/f（f為面積）
2）斷裂機理：
衝擊試樣在受到擺錘突然打擊發生斷裂時，它的斷裂過程是乙個裂紋發生和擴充套件的過程。
在裂紋向前發展的道路中，如果塑性變形能發生在它的前面，就可以制止裂紋的長驅直入。
它要繼續發展，就需另找途徑，這樣．就能消耗更多的能量。因此，衝擊吸收功的高低，決定於材料有無迅速塑性變形的能力。
3）韌性與塑性：
韌性是材料在外加動載荷突然襲擊時的一種及時和迅速塑性變形的能力。
韌性高的材料，一般都有較高的塑性指標；但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。
其所以如此，就是因為靜載菏下能夠緩慢塑性變形的材料．在動載荷下不一定能迅速塑性變形。
（2）缺口敏感性
（也是通過試驗方法獲得，一般在油壓機上進行彎曲試驗，測定材料的缺口敏感性。）
4、 硬度
衡量材料軟硬的乙個指標
（一般用布氏硬度-----hb，較軟；洛氏硬度-----hrc較硬；維氏硬度----hv，另有顯微硬度）
總之，在材料的力學效能所包括的強度、塑性、韌性、硬度四個指標中，強度和塑性佔主導地位，但使用時要考慮溫度的變化。
二、 化學效能
（主要指耐腐蝕性和抗氧化性）
1、耐腐蝕性：
金屬和合金對周圍介質，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力。
2、抗氧化性：
在現代工業生產中的許多裝置，如各種工業鍋爐、熱加工機械、汽輪機及各種高溫化工裝置等，
它們在高溫工作條件下，不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣體介質如水蒸氣，co2、so2等的氧化腐蝕作用，
因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質中的硫及其他雜質的含量對鋼的氧化是有一定影響的。
三、工藝效能
金屬和合金的工藝效能是指鑄造性、可鍛性、可焊性、切削加工性、熱處理效能等。對於設計壓力容器最重要的兩個效能是：
1、良好的冷熱加工效能
例a：用鋼板卷制筒體，如果不好會發生裂紋，存在事故的隱患。
例b：沖壓封頭，微裂紋或巨集觀裂紋，都會使以後的生產造成事故。
2、良好的焊接效能
例：某工廠某容器焊縫裂紋擴充套件，造成事故。
四、物理效能
主要有相對密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性、彈性模數與泊桑比等。
1、彈性模數
，這個比例係數稱為彈性模數，彈性模數是金屬材料對彈性變形抗力的指標，
是衡量材料產生彈性變形難易程度的，材料的彈性模數越大．使它產生一定量的彈性變形的應力也越大。
對同一種材料，彈性模數隨溫度的公升高而降低。
2、泊桑比
泊桑比是拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。對於各種鋼材它近乎為乙個常數，即0.3
第三節金屬材料的分類及牌號
一、分類
1、金屬的分類
2、鋼的分類
二、鋼鐵牌號及表示方法
1、牌號表示原則（gb221-79）
1 牌號中化學元素用化學符號或漢字表示；
（如：1鉻13或1cr13）
②產品用途、治煉和澆注方法採用漢字或拼音字母並用的原則。
（如：q235f f---沸騰鋼）
2、鋼號表示法
目前製造壓力容器所用鋼材，一般有三大類別：碳鋼、合金鋼、和特殊效能鋼，其中碳鋼又分為普通碳素鋼與優質碳素結構鋼。
①普通碳素鋼(gb700-88)
1）代表鋼材屈服點的字母 ＋ 屈服點的數值 ＋ 材料質量等級符號 ＋ 脫氧方法符號，常用q235b，q235c，q235a—f
2）舉例：q235—a·f
q—鋼材屈服點「屈」字漢語拼音首位字母；
235—鋼材屈服點的數值，單位為mpa；
a（b、c、d）—鋼材質量等級
f（b、z）—脫氧方法中沸騰鋼「沸」字漢語拼音首位字母(b—脫氧方法中半鎮靜鋼半字漢語拼音首位字母，
鎮靜鋼漢語拼音首位字母，在牌號組成表示方法中，「z」符號予以省略)。
3）擴充實踐知識
壓力容器用碳素鋼鎮靜鋼板的適用範圍表
2 優質碳素結構鋼
1) 特點：較普通碳素結構鋼含s、p量較少，表面質量較好。常用10、15和20等。
2) 牌號意義：含碳量以平均含量萬分之幾表示；含錳較高的鋼應將mn字標出；澆注方法如為鎮靜鋼不標符號；專門用途的鋼其牌號末用符號標明。
3) 舉例 45 20g 20r 40mn 08f
③低合金鋼及合金結構鋼
（合金鋼是在碳素鋼的基礎上加入少量合金元素，比如si，mn，cu，ti，v，nb，p等，從而提高鋼的強度、耐腐蝕性、低溫效能，如大型化工容器常用16mnr，15mnvr，15mnti 來代替碳素鋼製造容器，可以在保證強度的情況下，使容器壁厚減少，從而節省鋼材30%~45%左右。）
④特殊效能鋼
1）牌號意義
（含碳量以千分之幾表示；主要合金元素含量以百分數表示）
2）舉例 1cr18ni9
3）知識擴充
特殊效能鋼主要指不鏽耐酸鋼；
不鏽：指耐大氣腐蝕； 耐酸：抗酸和其它強腐蝕介質。
不鏽耐酸鋼根據合金元素的不同，分為三個大類。
第一類鉻不鏽鋼
第二類鉻鎳不鏽鋼
第三類節鎳不鏽鋼
第四節化工裝置的腐蝕及防腐
一、 金屬的腐蝕
1、定義：金屬與周圍介質之間發生化學可電化學作用而引起破壞的現象稱為腐蝕。（比如鐵生鏽、鐵在酸中溶解等。）
2、分類：根據腐蝕過程中有無電流產生
1 氫腐蝕：
氫氣在較低溫度和壓力(＜200℃，＜5.0mpa)下對普通碳鋼及低合金鋼不會有明顯的腐蝕，
但是在高溫高壓下則會對它們產生腐蝕，結果使材料的機械強度和塑性顯著下降，甚至損壞，這種現象常稱為「氫腐蝕」。
②晶間腐蝕
發生在晶界，晶粒之間結合力下降，與元素cr的含量有關。
典型例項：奧氏體不鏽鋼的晶間腐蝕
③應力腐蝕：
金屬在腐蝕介質和拉應力的共同作用下產生的一種破壞形式。腐蝕與拉應力起互相促進的作用。
二、 金屬裝置的防腐措施
1、襯覆保護層
2、電化學保護
3、緩蝕劑
第五節化工裝置材料的選擇
一、選材一般原則
1、遵循標準：
gb150-1998《鋼製壓力容器》 《壓力容器安全技術監察規程》
hgj15-89《鋼製化工容器材料選用規定》
2、 當壓力容器使用普通低碳鋼製造時，常用q235b、q235c
3、 考慮經濟性
4、 其它指導準則
a) 碳素鋼用於介質腐蝕性不強的常、低壓容器或壁厚不大的中壓容器；
b) 低合金鋼，用於介質腐蝕性不強的中、高壓容器；
c) 不鏽鋼用於介質腐蝕性較強的場合；
d) 耐熱鋼用於高溫場合
e) 奧氏體不鏽鋼不能用於易發生晶間腐蝕的場合；
5、 標準零部件（如法蘭、人孔、手孔等）的材料選擇符合國家標準或行業標準。
6、 鋼材使用溫度
二、選材例項分析
[例項1] 選擇液氨貯材料（使用地：瀋陽）
[例項2] 選擇濃硫酸貯罐材料
[例項3] 選擇pvc聚合釜材料
第一章化工裝置材料及其選擇
化工裝置機械基礎 習題解答 第一篇 化工裝置材料 第一章化工裝置材料及其選擇 一.名詞解釋 a組 1.蠕變 在高溫時，在一定的應力下，應變隨時間而增加的現象。或者金屬在高溫和應力的作用下逐漸產生塑性變形的現象。2.延伸率 試件受拉力拉斷後，總伸長的長度與原始長度之比的百分率。3.彈性模數 e 材料在...
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