《化工设备常用材料》PPT课件.pptx

主讲 任会松化工设备常用材料化工设备常用材料了解化工设备常用材料了解热处理工艺了解化工设备材料的腐蚀及防腐措施了解化工设备材料选用学习向导 决定压力容器安全性的内在因素是结构和材料性能，外在因素是载荷、时间和环境条件。材料是构成设备的物质基础，合理选材是压力容器设计的任务之一，而对大家来说了解化工设备常用材料对自己的工作及顺利生产也有相当帮助，辅助自己更好的工作。1 化工设备常用材料一、钢材分类 钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件等。压力容器本体主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。钢板 主要用途：壳体、封头、板状构件等 加工要求：下料、卷板、冲压、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能 GB3531 低温压力容器用低合金钢钢板GB6654 压力容器用钢板1.1 压力容器常用钢材钢管 主要用途：接管、换热管等 主要类型：无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢管 加工要求：下料、焊接、热处理 性能要求：较高的强度、良好的塑性、韧性、焊接性能锻件 主要用途：高压容器的平盖、端部法兰与长颈对焊法兰等 分级：、四个级别。级别越高，要求检验项 目越多，越严格，价格越高。1.1 压力容器常用钢材二、钢材类型钢材类型按化学成分分类：碳素钢、低合金钢、高合金钢（1）碳素钢 含碳量小于的铁碳合金，含有少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。压力容器用钢优质碳素结构钢：Q235-B、Q235-C钢板；10、20钢钢管；20、35钢锻件。压力容器专用钢板：20R（R表示压力容器专用钢板）1.1 压力容器常用钢材20R的特点和应用场合：强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。（2）低合金钢 特点及优点是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。1.1 压力容器常用钢材压力容器常用低合金钢钢板：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR；07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR 钢管：16Mn、09MnD；（D表示低温用钢）锻件：16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、。应用介绍16MnR 屈服点为340MPa级的压力容器专用钢板 是我国压力容器行业使用量最大的钢板 具有良好的综合力学性能、制造工艺性能 主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器 1.1 压力容器常用钢材16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR 低温压力容器用钢，工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板16MnDR：可用于-40的钢种；液氨储罐等设备 15MnNiDR：提高了低温韧性；-40级低温球形容器 09MnNiDR：-70级低温压力容器用钢；用于制造液丙烯（-47.7）、液硫化氢（-61）等设备 15CrMoR 低合金珠光体热强钢 中温抗氢钢板 用于制造壁温不超过560的压力容器 1.1 压力容器常用钢材20MnMo、09MnNiD、锻件 20MnMo：良好的热加工和焊接工艺性能；常制造使用温度为-40470的重要大中型锻件09MnNiD：良好的低温韧性；常制造使用温度为-4045的低温容器：较高的热强性、抗氧化性和良好的焊接性能；常制造高温（350480）、高压（25MPa）、临氢压力容器（3）高合金钢压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢；铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢1.1 压力容器常用钢材铬钢：0Cr13 是常用的铁素体不锈钢 有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能 在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性 但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀 铬镍钼钢：00Cr18Ni5Mo3Si2 是奥氏体-铁素体双相不锈钢 耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。1.1 压力容器常用钢材铬镍钢 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。0Cr18Ni9：在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳；但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。0Cr18Ni10Ti：具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温度范围内长期使用。00Cr19Ni10：为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。1.1 压力容器常用钢材复合板基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/101/3。复合板应用特点：用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。1.1 压力容器常用钢材焊接材料压力容器零部件间焊接还需要焊条、焊丝、焊剂、电极和衬垫等焊接材料。一般应根据待连接件的化学成分、力学性能、焊接性能，结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过试验确定。压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。1.1 压力容器常用钢材一、有色金属 有色金属在退火状态下塑性好，综合指标均衡且性能稳定，所以一般都在退火状态下使用，选用时应注意选择同类有色金属的合适牌号。中国固定式压力容器安全技术监察规程中的有色金属主要由以下几种。（1）铜与铜合金 纯铜与黄铜的设计温度不高于200。纯铜的导热率是压力容器用各种金属材料中最高的。在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料。1.2 有色金属和非金属（2）铝及铝合金铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；在低温下具有良好的塑性和韧性；使用温度范围为-269200；有良好的成型和焊接性能。可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备。（3）镍及镍合金高强度和塑性，好的延伸性和可锻性。好的耐腐蚀性，用于制造处理碱介质的化工设备。牌号为的蒙乃尔耐蚀合金应用最广。蒙乃尔合金能在500时保持高的力学性能，能在750以下抗氧化，在非氧化性酸、盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐蚀性。1.2 有色金属和非金属（4）钛及钛合金钛的密度小（）、强度高、耐腐蚀性好、熔点高。工业纯钛牌号有 TA0、TA2、TA3(编号愈大、杂质含量愈多)。纯钛加工性能良好；有良好的耐蚀性。钛也是很好的耐热材料。在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可获得性能优良的钛合金。在介质腐蚀性强，寿命长的设备中应用，可获到较好的综合经济效果。1.2 有色金属和非金属二、非金属材料1.2 有色金属和非金属1.2 有色金属和非金属1.2 有色金属和非金属1.2 有色金属和非金属1.2 有色金属和非金属 金属热处理：金属热处理：是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理的意义：金属热处理的意义：是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。金属热处理过程：金属热处理过程：包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳，因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一。冷却是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。2 热处理2 热处理热热处处理理普通（整体）热处理普通（整体）热处理表面热处理表面热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火表面化学热处理表面化学热处理感应加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火等激光加热表面淬火等渗碳渗碳渗氮渗氮碳氮共渗碳氮共渗渗金属等渗金属等2 热处理（1）退火 操作方法：将钢件加热到Ac3以上3050度或Ac1以上3050度或Ac1以下的温度（可以查阅有关资料）后，一般随炉温缓慢冷却。目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。应用要点：1.适用于合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速钢的锻件、焊接件以及供应状态不合格的原材料；2.一般在毛坯状态进行退火。2 热处理（2）正火 操作方法：将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上3050度，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却。目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工与压力加工性能；2.细化晶粒，改善力学性能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所产生的内应力。应用要点：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件，也可作为最后热处理。对于一般中、高合金钢，空冷可导致完全或局部淬火，因此不能作为最后热处理工序。2 热处理（3）淬火 操作方法：将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上，保温一段时间，然后在水、硝盐、油、或空气中快速冷却。目的：淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织，有时对某些高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体组织，以提高耐磨性和耐蚀性。应用要点：1.一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢；2.淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但同时会造成很大的内应力，降低钢的塑性和冲击韧度，故要进行回火以得到较好的综合力学性能。2 热处理（4）回火 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后，于空气或油、热水、水中冷却。目的：1.降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2.调整硬度，提高塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3.稳定工件尺寸。应用要点：1.保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；2.一般钢尽量避免在230280度、不锈钢在400450度之间回火，因为这时会产生一次回火脆性。2 热处理（5）调质 操作方法：淬火后高温回火称调质，即将钢件加热到比淬火时高1020度的温度，保温后进行淬火，然后在400720度的温度下进行回火。目的：1.改善切削加工性能，提高加工表面光洁程度；2.减小淬火时的变形和开裂；3.获得良好的综合力学性能。应用要点：1.适用于淬透性较高的合金结构钢、合金工具钢和高速钢；2.不仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理，而且还可以作为某些紧密零件，如丝杠等的预先热处理，以减小变形。2 热处理（6）时效 操作方法：将钢件加热到80200度，保温520小时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。目的：1.稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期间的变形；2.减轻淬火以及磨削加工后的内应力，稳定形状和尺寸。应用要点：1.适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量工具、床身机箱等。2 热处理（7）冷处理 操作方法：将淬火后的钢件，在低温介质（如干冰、液氮）中冷却到6080度或更低，温度均匀一致后取出均温到室温。目的：1使淬火钢件内的残余奥氏体全部或大部转换为马氏体，从而提高钢件的硬度、强度、耐磨性和疲劳极限；2 稳定钢的组织，以稳定钢件的形状和尺寸。应用要点：1钢件淬火后应立即进行冷处理，然后再经低温回火，以消除低温冷却时的内应力；2冷处理主要适用于合金钢制的紧密刀具、量具和紧密零件。2 热处理（8）火焰加热表面淬火 操作方法：用氧乙炔混合气体燃烧的火焰，喷射到钢件表面上，快速加热，当达到淬火温度后立即喷水冷却。目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持韧性状态。应用要点：1多用于中碳钢制件，一般淬透层深度为26mm；2适用于单件或小批量生产的大型工件和需要局部淬火的工件。2 热处理（9）感应加热表面淬火 操作方法：将钢件放入感应器中，使钢件表层产生感应电流，在极短的时间内加热到淬火温度，然后喷水冷却。目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部保持韧性状态。应用要点：1多用于中碳钢和中堂合金结构钢制件；2 由于肌肤效应，高频感应淬火淬透层一般为12mm，中频淬火一般为35mm，高频淬火一般大于10mm。2 热处理（10）渗碳 操作方法：将钢件放入渗碳介质中，加热至900950度并保温，使钢件便面获得一定浓度和深度的渗碳层。目的：提高钢件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍然保持韧性状态。应用要点：1用于含碳量为015025的低碳钢和低合金钢制件，一般渗碳层深度为0525mm；2渗碳后必须进行淬火，使表面得到马氏体，才能实现渗碳的目的。2 热处理（11）氮化 操作方法：利用在5600度时氨气分解出来的活性氮原子，使钢件表面被氮饱和，形成氮化层。目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。应用要点：多用于含有铝、铬、钼等合金元素的中碳合金结构钢，以及碳钢和铸铁，一般氮化层深度为002508mm。2 热处理（12）氮碳共渗 操作方法：向钢件表面同时渗碳和渗氮。目的：提高钢件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗蚀能力。应用要点：1多用于低碳钢、低合金结构钢以及工具钢制件，一般氮化层深0023mm；2氮化后还要淬火和低温回火。随着科学技术和生产技术的发展，人们对钢铁材料的性能也提出了越来越高的要求。2 热处理2 热处理常见的金属腐蚀破坏的形态有均匀腐蚀和局部腐蚀（区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、表面下腐蚀等）。3 化工设备腐蚀与防腐措施3 化工设备腐蚀与防腐措施压力容器材料多种多样：钢用的最多 有色金属非金属复合材料等压力容器用钢的基本要求：较高的强度良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性改善钢材性能的途径：化学成分的设计组织结构的改变 零件表面改性本节对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。4 压力容器材料选择一、化学成分钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。1、碳碳含量强度增加可焊性（焊接时易在热影响区出现裂纹）压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%。2、钒、钛、铌等在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。3、S、P是钢中最主要的有害元素硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度。可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化性能、抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。4 压力容器材料选择二、力学性能1、材料的力学行为由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下它所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。力学性能决定力学行为。2、钢材的力学性能：主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选材和强度计算的主要依据。a、压力容器设计中，常用的强度判据包括：抗拉强度b 屈服点s 持久极限蠕变极限 疲劳极限-1b、压力容器设计中，常用的塑性判据：断后伸长率5 断面收缩率c、压力容器设计中，常用的韧性判据：冲击吸收功Akv 脆转变温度 断裂韧性4 压力容器材料选择韧性：材料从弹塑性变形到断裂过程中吸收能量的能力。韧性反映了材料对裂纹或缺口的敏感程度。临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。Akv：夏比V型缺口冲击吸收功Akv，能较好地反映材料的韧性，与断裂韧性有较好的数值联系，世界各国压力容器规范标准都对Akv提出了要求。总结：力容器用钢比一般钢材要求更严格，主要体现在：a.化学成分控制更严格b.抽样检验率较高c.力学性能检验中增加了冲击韧性值的要求等4 压力容器材料选择三、制造工艺性能冷加工的要求：制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑 其断后伸长率5应在1520%以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为1800的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。焊接的要求：可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。a.碳其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低，愈不易产生裂纹，可焊性愈好。b.合金元素影响通常是用碳当量Ceq来表示。国际焊接学会推荐的公式为：4 压力容器材料选择式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量 一般认为：eq 小于0.4%时，可焊性优良；Ceq 大于0.6%时，可焊性差。中国“锅炉压力容器制造许可条件”中，碳当量的计算公式为：碳当量不得大于0.45%压力容器钢材的选择压力容器零件材料选择综合考虑容器的：压力容器的使用条件 零件的功能和制造工艺 相容性 材料使用经验（历史）材料价格 规范标准设计人员选材时注意事项1.不应片面追求高强度材料，做到强度与塑性、韧性相结合，强度与可焊性相结合。2.钢板厚度与性能之间的关系。3.介质的腐蚀性。4.注意材料低温和高温性能及材料高温下使用的退化倾向。4 压力容器材料选择谢谢观看看