化工设备机械基础第三篇第一章.ppt

第三篇 化 工 容 器 第一章 化工设备常用金属和非金属n序序 言言 重要性重要性（硫酸泵叶轮、不锈钢）硫酸泵叶轮、不锈钢）n第一节第一节 碳钢和铸铁碳钢和铸铁n第二节第二节 合金钢合金钢n第三节第三节 有色金属及其合金有色金属及其合金n第四节第四节 金属的腐蚀与防护金属的腐蚀与防护n第五节第五节 非金属材料非金属材料 n第六节第六节 管路连接件和阀门管路连接件和阀门第一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第一节 铁碳合金碳钢和铸铁n1.1碳钢与铸铁都是由铁（95%以上）和碳（0.054%）所组成的合金。n1.1.1铁：组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构，910 以下为-铁；910 以上为-铁，二者互为同素异构体。n1.1.2碳：碳在铁碳合金中的存在形式有三种：碳溶解在铁中形成固溶体，即在-铁中叫铁素体，在-铁中叫奥氏体。铁与碳形成的化合物，当碳不能全部溶于铁素体或奥氏体时，“剩余”的碳与铁将形成碳化铁（渗碳体）通常将碳含量2.11%作为钢与铸铁的分界，2.11%叫钢，2.11%叫铸铁。碳以石墨状态单独存在，特别碳含量较高时。第二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n1.2碳钢与铸铁的不同：n1.2.1在组织上有两点不同:n碳含量不同，碳含量小于2.11的是钢，大于2.11的是铸铁；n碳的存在形式不同,钢中的碳只有两种存在形式，而铸铁中的碳除形成 Fe3C和溶入固溶体外，总有部分碳以石墨状态存在。n1.2.21.2.2性能上有四点区别：性能上有四点区别：n钢有良好塑性，铸铁是典型脆性材料；n钢的抗拉强度与抗压强度相同，铸铁抗拉强度远低于抗压强度；第三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n钢可进行压力加工和焊接，铸铁适于铸造；n钢的减震、摩擦性能不如铸铁；n碳含量的不同是使钢具有不同性能的主要原因，而影响铸铁性能的主要是石墨化程度与石墨的形状。第四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。1.3钢的热处理n1.3.1热处理的概念（就是以消除钢材的某些缺陷成改善钢材的某些性能为目的，将钢材加热到一定的温度，然后以不同的速度冷却下来的一种操作。）n1.3.2生产中常见的几种热处理操作n退火和正火n退火是将零件放在炉中，缓慢加热至某一温度（如图），经过一段时间的后，随炉或埋入砂中缓慢冷却。n退火可以消除冷加工导致的硬化，恢复材料的良好塑性，可以细化铸焊工件的粗大晶粒，改善零件的机械性能；可以消除残余应力，防止工件变形。n正火只是在冷却速度上与退火不同。退火是随炉缓冷，而正火是在空气中冷却。经过正火的零件，有比退火为高的强度与硬度。第五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n淬火和回火n淬火是先将工件加热至相变温度以上，保温一段时间，然后快速冷却。目的是获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨性。n为为了了消消除除淬淬火火后后工工件件的的内内应应力力，并并降降低低材材料料的的脆脆性性，钢钢件件在在淬淬火火后后，几乎几乎总总是跟是跟进进回回火。火。n所谓回火，就是把淬火后的钢件重新加热至一定温度，经保温烧透后再行冷却的一种热处理操作。n根据工件使用目的要求的不同，回火的加根据工件使用目的要求的不同，回火的加热热温度有温度有三三种种：n淬火加高温回火由于可以提高钢材的机械性能，所以称为调质处理。第七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n化学热处理n钢的化学热处理就是把钢放入一些介质内（如碳粉）加热到一定的温度，使介质原子渗透到钢内改变钢表层的化学成分和组织结构从而使钢件表面具有某些特殊性能。n如碳原子可以提高钢表面耐磨性，铝原子可以提高钢的抗高温氧化性。n决定金属材料性能的因素有三：化学组成、组织结构、热处理状态，这三者相互影响不能分割。第八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。1.4碳钢的分类、牌号、性能、品种与应用碳钢的分类、牌号、性能、品种与应用1.4.1碳钢的分类与牌号按含碳量的多少，碳钢分为下面三种低碳钢 含碳量小于含碳量小于0.30.3，是，是钢钢中中强强度度较较低、塑性最好低、塑性最好的一的一类类。冷冲。冷冲压压及及焊焊接性接性好，用于制造化工容器及负荷不好，用于制造化工容器及负荷不大的机械零件。大的机械零件。中碳钢 含含碳碳量量在在0.30.30.60.6之之间间，钢钢的的强强度度与与塑塑性性适适中中，可可用用适适当当的的热热处处理理获获良良的的综综合合机机械械性性能能，适适于于制制作作轴轴、齿齿轮轮、高压设备顶盖等重要零件。高压设备顶盖等重要零件。高碳钢 含碳在0.6以上，钢的强度及硬度均较高，塑性较差，用来制作弹簧、钢丝绳等。第九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n按钢的质量，碳钢有普通的和优质的两种。n“普通”与“优质”的主要区别是有害杂质硫（引起钢的热脆）和磷（引起钢的冷脆）的控制松严程度不同，和钢材出厂时检验项目和保证条件不同。n这类钢属普通碳素钢，共有五个钢号（不包括质量等级与脱氧程度）。Q275、Q255、Q235Q235、Q215、Q195n P107页条n优质碳素结构钢共31个钢号见 P150页表8-21.4.2碳钢的性能（机械性能、制造工艺性能、耐蚀性）第十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。1.5铸铁铸铁n从化学成分看，铸铁中碳与硅的含量要高于钢，硫磷杂质的控制也比较松。一般组成如下：C2-4.5%；Si0.5-3.5%；Mn0.5-1.5%；P0.1-1.0%；S0.15%n从组织结构上看，由钢的基体与散布在其中的石墨组成。n灰口铸铁（HT-）如牌号为HT150330的灰口铸铁，表示抗拉强度为150 MPa，抗弯强度为330 MPa；灰铸铁n可用来制造常压容器，但是其工作温度不能超过250；n球磨铸铁（QT-）其强度较高，可以代替钢材，常用来制造压缩机的曲轴等形状复杂的零件。n耐蚀铸铁、耐热铸铁、可锻铸铁n铸铁也可加入少量合金元素来提高它的耐蚀性等，这样的铸铁称为合金铸铁，如高硅铸铁，被广泛用来制造耐酸泵等。第十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第二节 合 金 钢2.1合金钢的概念合金钢的概念n以改善钢材的性能为目的，在碳钢中特意加入某以改善钢材的性能为目的，在碳钢中特意加入某些合金元素所得到的钢。些合金元素所得到的钢。2.2合金元素对钢材性能的影响合金元素对钢材性能的影响n降低钢材的临界淬火速度；n增加钢组织的分散度；n提高铁素体的强度；n减少马氏体的脆性；n提高钢材的高温强度及抗氧化性能；n 增强钢材的耐蚀性。第十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2.3低合金钢低合金钢2.3.1合金元素与钢号合金元素与钢号n低合金钢中熔合的合金元素主要是低合金钢中熔合的合金元素主要是 M n、V、N b、N、Cr、Mo等，含量大多在等，含量大多在 1以下，只有少数低合金钢，其合金以下，只有少数低合金钢，其合金元素含量可达元素含量可达25。加入这些合金元素后，钢材的屈服限。加入这些合金元素后，钢材的屈服限提高并可扩大的使用温度范围提高并可扩大的使用温度范围。n低合金钢的钢号是以钢中碳含量的万分数的数字为首，后边低合金钢的钢号是以钢中碳含量的万分数的数字为首，后边依次写出所熔入合金元素的元素号及每种元素含量的百分数；依次写出所熔入合金元素的元素号及每种元素含量的百分数；当合金元素含量在当合金元素含量在1.5%以下时，该元素符号后不注数字。当以下时，该元素符号后不注数字。当合金元素含量在（合金元素含量在（1.52.5）时，可在该元素后面注）时，可在该元素后面注“2”以此类推。如以此类推。如 09Mn2V，其含碳，其含碳0.09，含锰量，含锰量为为2，含矾量是，含矾量是1.5%以下；或含锰量为以下；或含锰量为1.52.5，含，含矾量是矾量是1.5%以下。以下。第十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2.3.2分类与应用分类与应用n低合金结构钢（GB 1519）这类钢是供焊接使用的低碳含量的低合金钢。n合金结构钢（GB3077）这类钢供压力加工和切削使用。2.4高合金钢高合金钢2.4.1不锈钢（价格贵、炊具）不锈钢（价格贵、炊具）n不锈钢中的主要合金元素是铬、镍、钼、钛。它们对钢材的不锈钢中的主要合金元素是铬、镍、钼、钛。它们对钢材的性能影响如下：性能影响如下：n铬：铬：不锈钢的耐蚀性主要来源于铬，实验证明，当钢中铬不锈钢的耐蚀性主要来源于铬，实验证明，当钢中铬含量超过含量超过1212时，钢的耐蚀性会大幅度提高，所以不锈钢时，钢的耐蚀性会大幅度提高，所以不锈钢中的铬含量都在中的铬含量都在1212以上。以上。n镍：镍：镍可扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高耐碱能力。镍可扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高耐碱能力。n钼：钼：能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力。能提高不锈钢对氯离子的抗蚀能力。n钛：钛：为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加人的元素。为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加人的元素。第十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。n2.4.2耐热钢n在原油加氢、裂解、催化设备中，常用许多耐高温的钢材，如裂解炉的温度可达650800度。普通碳钢在350时会显著的蠕变。a.高温设备对钢材的要求 高温设备对钢材的要求主要是：良好的化学稳定性与热强性。化学稳定性化学稳定性 化学稳定性或称热稳定性，主要是指钢材抵抗高温气体（如 O2、H2S、SO2等）腐蚀的能力，但主要是O2，即主要是抗氧化性。如果在钢中加入Cr、Al、Si 等合金元素，被氧化后，该类元素能在钢材表面能生成一层致密的氧化膜，从而避免氧的继续侵蚀，也就提高了钢材的热稳定性。第十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。(2)热强性 在一定热稳定性的前提下，钢材的高温强度愈高，蠕变过程愈缓慢，即说明其热强性愈好。为了提高钢的热强性，通常采用加入Cr、Mo、V、Ti等元素，以强化金属金相组织，提高材料的再结晶温度。b.常用耐热钢 化工设备上常用的耐热钢，按耐热要求的不同，可分为抗氧化钢与热强钢。抗氧化钢主要能抗高温氧化，但强度并不高，常用作直接受力或受力不大的零部件，如炉管托架等 常用的如Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti.热强钢主要能抗蠕变，但也有一定的抗氧化能力，常用作高温下受力的零部件，如炉管、反应器等。常用的有12CrMo,0Cr18Ni9.第十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2.4.3低温用钢 在化工生产中，有些设备（如深冷分离、空气分离、润滑油脱脂、液化天然气贮存等）常处于低温状态下工作，因而其零部件必须采用能承受低温的金属材料制造。普通碳钢在低温F（-20度以下）变脆，冲击韧性显著下降。对低温用钢的基本要求是：具有良好的韧，良好的加工工艺性能和可焊性。为保证这些性能，低温钢的含碳量尽可能降低，其平均含碳量为008-0.18%，再加入含适量的Mn、Nb、Ti、V、N等元素以改善钢的综合机械性能。目前国外低温设备用的钢材，主要是以高铬镍钢为主，其次是使用镍钢、铜、铝等。第十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第三节 有色金属及其合金3.1 铜及其合金3.2 铝及其合金3.3 铅3.4 钛第十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。q有色金属具有很多优越性，例如铜有良好的导电性和低温韧性，铝的相对密度小，铅能防辐射耐稀硫酸等多种介质的腐蚀。q3.1 铜q铜及其合金具有很高的导热、导电性和塑性。在低温下因强度提高，冲击韧性好，常用来作低温设备。q在大气、水及中性盐、苛性碱中都相当稳定。在不浓的硫酸、亚硫酸、乙酸、氢氟酸、稀的和中等浓度的盐酸、乙酸、氢氨酸和其他非氧化性酸中也有较高的稳定性。在氮、铁盐和各种浓度的硝酸中则不耐蚀。第十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。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，多用来做深冷设备和高压设备的垫片；也可以用于深度冷冻分离气体的装置中，如制做蒸发器、蒸馏釜、蒸馏塔、蛇管、管子、离心机的转鼓等；也可以用于有机合成及有机酸工业。化工上常用的紫铜有T2、T3、T4、TUP（用磷脱氧的无氧纯铜）等四种。铜与锌组成的合金叫黄铜。黄铜铸造性能好，机械强度比纯铜高，价格便宜，耐蚀性也高于纯铜，但在中性、弱酸性介质中，因锌易溶解而被腐蚀。第二十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。o化工上常用的黄铜有H80、H68、H62（H后的数字代表铜的平均百分含量）等。H80、H 68的塑性好，可在常温下冲压成形做容器的零件。H62在室温下塑性较差，机械强度较高，价格低廉，可做深冷设备的筒体、管板、法兰及螺母等。o 铜与银、铝、铅等元素的合金统称为青铜。它具有较高的耐蚀性和耐磨性，所以常用来制造轴瓦等耐磨零件。常用的锡青铜有ZQSn6-6-3和ZQSn10-1等。o 因锡价格昂贵，在铜基合金中加入铝、铁、铅等得到的青铜称无锡青铜，它的价格低于锡青铜，而机械强度和耐蚀耐磨性都好。第二十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。3.2 铝铝及其合金铝以相对密度小，导热导电性好而著称。它的塑性好，强度低，因而压力加工性能良好，可以焊接和切削。纯铝和铝合金最高使用温度为 150。防锈铝LF3、LFS、LFll等使用温度不超过66。熔焊的铝材在0-196之间冲击韧性不下降，因此铝和铝合金很适于制作低温设备。铝能耐硝酸、乙酸、碳酸氢氨和尿素等的腐蚀，但不耐碱及盐水的腐蚀。化工上常用的工业纯铝牌号有：L2、L3和L4，主要用来制作热交换器、塔、贮罐、深冷设备和防止污染产品的设备，如在食品工业中可广泛用以代替不锈钢做有关的设备。第二十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。铝和铜、镁的合金叫硬铝，它的显著特点除耐蚀性好之外，是强度高。化工上常以硬铝棒料制作受力零件，如深冷设备上螺栓等。3.3 铅 铅在硫酸中和在大气中（特别是有SO2、H2S的气体中）有很高的耐蚀性。所以化工上主要用于处理硫酸的设备上。因铅的强度低，比重大，有毒且价贵，所以目前生产上多为其他非金属材料所代替。3.4钛及其合金 钛的相对密度不大（仅 4.5），比钢轻 43，但钛的强度比铁高一倍，比纯铝几乎高5倍。这种高的强度与不大的相对密度相结合的特性，使得钛在技术上占有极重要的地位。同时，钛的耐腐蚀性近乎或超过不锈钢，因此，在航空工业和化学工业中，钛及其合金都得到了广泛的应用。第二十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第四节 金属的腐蚀与防护4.1腐蚀的定义与分类4.1.1化学腐蚀4.1.2电化学腐蚀（钛）4.1.3物理腐蚀（略）4.2常见的几种腐蚀与控制方法均匀腐蚀电偶腐蚀或双金属腐蚀应力腐蚀缝隙腐蚀、小孔腐蚀、高温气体腐蚀等第二十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4.1腐蚀的定义与分类 通常将金属及其合金在外界介质（液体和气体）的作用（化学、电化学、物理溶解）下所引起破坏称为腐蚀腐蚀。1.腐蚀的危害：在化学工业中，制造设备的主要材料为金属（特别是黑色金属），由于其经常要和强烈的腐蚀性介质如各种酸、碱。盐、有机溶剂及腐蚀性气体等接触，常常会发生腐蚀现象。腐蚀不仅会给金属及其合金材料造成巨大的损失，影响设备的使用寿命，而且会使得设备的检修周期缩短，增加非生产时间和修理费用；腐蚀还会使设备及管道的跑、冒、滴、漏现象更为严重，使原料和成品造成大量损失，影响产品质量、污染环境、损害人体的健康；特别是腐蚀会引起设备爆炸、火灾等事故，使设备遭到破坏而导致停止生产甚至会危及人的生命。第二十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2.腐蚀的分类：按作用机理分为：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀；根据腐蚀破坏形式的不同，又可分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是指在整个金属的表面均匀发生的腐蚀，所以又称为均匀腐蚀；局部腐蚀是指发生在构件不同区域的腐蚀，如发生于构件的某个区域、一点或者发生在金属及其合金的晶粒边缘上的腐蚀，根据其发生的区域的不同，它们又分别被称为区域腐蚀、点腐蚀和晶间腐蚀。第二十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4.1.1化学腐蚀 金属在干燥的气体和非电解质溶液中发生化学作用所引起的腐蚀叫做化学腐蚀。化学腐蚀的产物存在于金属的表面，腐蚀过程中没有电流产生。如果化学腐蚀所产生的化合物很稳定，即不易挥发和溶解，且组织致密，与金属母体结合牢固，那么这层腐蚀产物附着在金属表面上，对金属母体可以起到保护的作用，有钝化腐蚀的作用，称为“钝化作用”。如果化学腐蚀所生成的化合物不稳定，即易挥发或溶解，或与金属结合不牢固，则腐蚀产物就会一层层脱落，这种腐蚀产物不能保护金属不再继续受到腐蚀，这种作用称为“活化作用”。第二十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。A.金属的高温氧化及脱碳 在化工生产中，有很多机器、设备是在高温下操作的，如氨合成塔、硫酸氧化炉、石油裂解炉等。金属的高温氧化及脱碳是一种在高温下的气体腐蚀，是过程设备中常见的化学腐蚀之一。一般当钢材和铸铁的温度高于300时，在其表面就会出现可见的氧化皮。随着温度的升高，其氧化的速度也大大的提高。在570以下氧化时，氧化所形成的氧化物中不含 FeO，其氧化层是由Fe2O3和Fe3O4构成。这两种氧化物所构成的氧化层组织致密、稳定，附着在钢材表面上不易脱落，起到了保护膜的作用。在570以上时，钢材表面所形成的氧化物有三种，即Fe2O3、Fe3O4 和FeO，其厚度比大约为1：10：100，氧化层的主要成分是FeO，其结构疏松，容易剥落，这就是常见的氧化皮。当温度高于700时，钢材在氧化的同时，还发生了脱碳作用，脱碳作用的化学反应如下：第二十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。钢材脱碳会使其机械性能下降，特别是降低了表面硬度和抗疲劳强度，因而高温工作的零件要特别注意这一问题。因此，为了提高钢材的高温抗氧化能力，必须设法阻止或减弱钢材表面FeO的形成。在冶金工业中，通过在钢里加入适量的合金元素如铬、硅或铝，可以使钢材具有抗氧化的能力。第二十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。B.氢腐蚀 在合成氨工业、石油加氢裂解及其他一些化工工艺中，常遇到氢在反应介质中占有很大比例的混合气体，而且这些化学反应过程又多是在高温、高压下进行的，例如合成氨的压力通常在31.4MPa，温度一般在470500左右。在较低温度和压力（温度200，压力4.9MPa）下，氢气对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀作用。但是，在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“红腐蚀”或“氢脆”。铁碳合金在高温高压下的氢腐蚀过程可分为氢脆阶段和氢侵蚀阶段。第三十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第一阶段为氢脆阶段。在该阶段，氢在与钢材直接接触时被钢材所吸附，并以原子状态向钢材内部扩散，溶解在铁素体中，形成固溶体。但是，在此阶段溶在钢中的氢并未与钢材发生化学作用，也未改变钢材的组织，在显微镜下观察不到裂纹，钢材的强度极限和屈服极限也无大改变。但是它使钢材塑性降低，冲击韧性值明显减少。钢材的这种脆性与氢在其中的溶解量成正比。材料处于氢脆阶段只要将材料进行消氢处理，其性能又可恢复为原来状态。第二阶段为氢侵蚀阶段。这时，溶解在钢材中的氢气与钢中的渗碳体发生化学反应，生成甲烷气，从而改变了钢材的组织，其化学反应式为：第三十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。该化学反应常常在晶界处发生，生成的甲烷气也通常聚集在晶界原有的微观孔隙内，形成局部高压，引起应力集中，使得晶界变宽，从而产生更大的裂纹；或者在钢材表层夹杂等缺陷中聚集，形成气泡，使钢材的机械性能降低。另一方面，由于渗碳体在还原为铁素体时，其体积也将减小，因此，在钢材内部由于组织的体积变化而生产相应的组织应力，该应力与前述的内应力叠加在一起，将使得裂纹扩展。而裂纹的扩展又为氢和碳的扩散与反应提供了更加有利的条件。如此这样反复不断地进行下去，最后导致钢材完全脱碳，内部的裂纹形成网格，机械性能严重下降，甚至遭到破坏。通过降低钢中的合碳量，使其没有碳化物（Fe3C）析出，可以有效地防止氢腐蚀的发生。另外，在钢中加人某些合金元素如铬、钛、钨、钒等，使其不易与氢作用，也可以避兔氢腐蚀的发生。第三十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4.1.2电化学腐蚀（重要）焦化和钛电化学腐蚀是指金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。在水分子作用下，电解质溶液中金属本身呈离子化，当金属离子与水分子的结合能力大于金属离子与其电子的结合力时，一部分金属离子就从金属表面跑到电解液中，而形成了电化学腐蚀。A.原电池作用 金属在电解质溶液中的腐蚀过程与电池中的电化学反应过程完全类同。如图所示，是铁一铜电池，即铁与铜在H2SO4溶液中所构成的电池。因为铁的电位较铜低而成为阳极，而铜则成为阴极。在阳极，铁被溶解并释放出电子，所放出的电子经过外部导线可以移动到阴极。在阴极，流来的电子在被能吸收电子的物质所吸收，在这里即被溶液中的阳离子（H“）所吸收，并释放出氢气。第三十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。在实际腐蚀过程中，这类腐蚀电池是最常见的。有的设备可能是由两种金属材料制成，或者同一材料内部存在不同的相、或者材料各部分的物理机械性能不同、受力不均等导致了设备材料各部分的电位不相同，从而形成这类腐蚀电池。第三十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。B、微电池和电化学腐蚀原理如前所述，金属表面组织常常存在着不同的相（如钢中的铁素体和碳化物），在同一介质中相邻两个区域可能具有不同的电位，这些区域往往是直接接触的，故形成了许多局部的微电池，如图利用微电池的原理，可以说明电化学腐蚀的化学反应过程。阳极反应，金属溶解：电子移动，阳极过剩的电子流向阴极：阴极反应，电子在阴极被吸收电子的物质所吸收第三十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。在阴极区的反应，由于吸收电子的物质不同，有三种不同的反应情况：1当溶液中有电位较高的金属离子（如 铜离子）存在时，这种金属离于就吸收电子，还原为金属：2当溶液中呈酸性时，溶液中有氢离子 存在时，H+吸收电子变成氢原子，再结合成氢分子：3当溶液为中性时，溶液中含有的氧吸收了电子，和水一起变成了OH-离子，其反应为：值得注意的是：在腐蚀过程中，金属常常不是在含有电位较高的金属离子的溶液中，电位较高的离子金属吸收电子的阴极反应是不常发生的。而后两种化学反应所代表的阴极反应意义较大，特别是第二种化学反应更为常见。第三十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。C电化学腐蚀的条件由上述电化学腐蚀过程原理可以发现，电化学腐蚀过程是由阳极反应过程、电子流动及阴极反应过程等三个环节组成，三者缺一不可。其中阻力最大的环节决定着整个腐蚀过程的速度。也可以看出，电化学腐蚀进行的过程必须具备下列三个条件：1）同一金属上有不同电位的部分存在或不同金属之间存在着电位差；2）阴极和阳极互相连接；3）阳极和阴极处在互相联通的电解质溶液中。第三十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4.2常见的几种腐蚀与控制方法根据腐蚀的破坏形式，可分为均匀腐蚀与非均匀腐蚀，或称局部腐蚀。而局部腐蚀又可分为区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀和表面下腐蚀等。各种腐蚀形式如图所示。第三十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。1.均匀腐蚀是指金属在腐蚀介质作用下，整个表面所发生的腐蚀破坏。只要设备或零件具有一定厚度时，其机械性能因腐蚀而引起的改变并不大。因此，这是一种危险性较小的腐蚀破坏形式，可以通过适当增加设备厚度的方法来予以弥补。2.局部腐蚀是指只是在金属表面上个别地方所发生的腐蚀破坏。因为整个设备或零件是依最弱的断面强度而定的，而局部腐蚀能使强度大大降低。尤其是点腐蚀(小孔腐蚀)常造成设备个别地方穿孔而引起渗漏，无法通过增加壁厚的方法来弥补腐蚀所产生的破坏。因此该类腐蚀的危险性较大。第三十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。3.晶间腐蚀也是一类很危险的腐蚀破坏形式。因为该类腐蚀沿晶粒边界发展，使晶粒间的连续性受到了破坏，因而材料的机械强度和塑性剧烈降低。而且晶间腐蚀从外表不易发现，因此，其导致的破坏常常突然发生。前面讲到的红腐蚀就属于晶间腐蚀的一种。不锈钢与含氯离子介质接触，在500-800时，会产生晶间腐蚀。因此，在这一温度范围内使用的不锈钢，必须加以注意。第四十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4.3影响腐蚀的因素1.合金元素的影响及n8定律钢中的合金元素主要指铬、镍、锰、铝、硅等。钢中加入这些合金元素不但使其机械性能得到改善，往往还提高了钢材的抗腐蚀能力。合金元素对钢材抗腐蚀性能的影响可以包含两个方面：一是它的含量多少的影响，二是它在钢材中形成的组织形式的影响。如果形成的是单相固溶体合金钢，它的耐蚀性是随耐蚀合金组分的原子分数n/8时（n=1，2，3，）突变，如图所示。即只有合金钢中的耐蚀合金组分原子分数达到n8时，腐蚀速度才突然下降，这种现象称为n/8定律定律。第四十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。对于多相合金，由于是由具有不同组织的晶粒所组成的机械混合物，因此在接触电解溶液时会形成很多腐蚀微电池。所以大多数多相合金一般都不耐腐蚀。2.腐蚀介质酸碱性的影响溶液的酸碱性对金属腐蚀的影响有两种类型，如图所示，像铝、锌、铅、铜等金属，当处于pH值等于7的中性溶液中时，腐蚀最慢，随着溶液PH值的减小和增加也就是随溶液变酸性和变碱性都使腐蚀速度加快。这是由于这些金属的氧化物在强酸或强碱中都是可溶的，不能形成保护膜的缘故。第四十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。图（b）中说明像铁、镍、镁、锆等金属在碱性溶液中腐蚀速度较低，是耐蚀的，在酸性溶液中是不耐蚀的。这是由于这类金属在碱性溶液中能形成不溶性氢氧化物薄膜的缘故。铁在浓碱中不耐蚀是由于生成可溶性铁酸盐的缘故。对于氧化性的酸，如硝酸，含量大于 60的硫酸等能与铁生成保护膜，所以碳钢的耐蚀性随酸浓度的增加而增大。第四十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。3.温度与压力的影响 温度升高，腐蚀加快。如碳钢在18盐酸溶液内的腐蚀，是随着温度的提高，腐蚀速度成抛物线性关系上升。压力增加，腐蚀速度增加。如高压锅炉用水脱氧就是为了避免高压下少量的氧所引起的强烈腐蚀。4.应力对腐蚀的影响 过程装备在加工过程和工作承载过程中都会产生应力，在这些应力的作用下，设备金属材料内部的晶格扭曲，产生微裂纹，从而降低了这些部位材料的电位，当它们和电解液接触时，这些部位就形成腐蚀微电池的阳极，造成腐蚀。随着腐蚀的进行，裂纹很快扩展，以致最终产生破裂。这种由于应力和腐蚀性介质联合作用下产生的腐蚀叫应力腐蚀。为防止应力腐蚀，必须采取热处理方法消除加工应力，同时合理地采用保温措施以避免温差应力的产生。第四十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。4.5 金属设备的防腐蚀措施为了防止化工生产设备被腐蚀，除选择合适的耐腐蚀材料制造设备外，还可以采用多种防腐蚀措施对设备进行防腐。具体措施有以下几种。1.涂复保护层a.金属保护层是用耐腐蚀性能较强的金属或合金覆盖在耐腐蚀性能较弱的金属上。常见有电镀法（镀铬、镀镍等）、喷镀法及衬不锈钢等衬里等。b.非金属保护层常用的有金属设备内部衬以非金属衬里或涂防腐涂料。常用的砖板衬里材料有：酚醛胶泥衬瓷板、瓷砖、不透性石墨板、水玻璃胶泥衬辉绿岩板、瓷板、瓷砖。除砖砌衬里之外，还有橡胶衬里和塑料村里等。第四十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2.电化学保护a阴极保护又称牺牲阳极保护法。把盛有电解液的金属设备和直流电源的负极相连，电源正极和一个辅助阳极相连（如图所示）。当电路接通后，电源便给金属设备通以阴极电流，使金属设备的电位向负的方向移动，当电位降至腐蚀电池的阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即可停止。第四十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。外加电流阴极保护的实质是整个金属设备被外加电流极化为阴极，而辅助电极为阳极，称为辅助阳极。辅助阳极的材料必须是良好的导电体，在腐蚀介质中耐腐蚀，常用的有石墨、硅铸铁和废钢铁等。b阳极保护是把被保护设备接阳极直流电源，使金属表面生成钝化膜，起到保护作用。阳极保护只有当金属在介质中能钝化时才能应用，且技术复杂，使用不多。3.添加缓蚀剂 在腐蚀介质中加人少量物质，可以使金属的腐蚀速度降低甚至停止，这种物质被称为缓蚀剂。加入的缓蚀剂不应该影响化工工艺过程的进行，也不应该影响产品质量。第四十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。常用的缓蚀剂有重铬酸盐、过氧化氢，磷酸盐、亚硫酸钠、硫酸锌、硫酸氢钙等无机缓蚀剂和生物碱、有机胶体、氨基酸、酮类、醛类等有机缓蚀剂。4.合理的结构设计 过程设备的腐蚀在很多场合下与它们的结构有关，不合理的结构通常引起机械应力、热应力、液体的停滞和局部过热等，它们都能引起金属的腐蚀或加剧金属的腐蚀。因此，设计较合理的设备结构，往往也是减轻腐蚀的一种有效措施。P177为腐蚀对结构的要求实例。a焊缝处通常容易发生腐蚀 因为焊接是在高温下进行的，其不均匀的加热、冷却过程，容易产生焊接残余应力。与此同时，焊缝附近的化学成分与主体金属也第四十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。不同，在接触化学介质时，容易形成应力腐蚀。这种腐蚀可通过热处理（退火）或选择适当焊条与焊接工艺来加以解决。例如大型合成氨装置CO2再生塔与碱性溶液接触，未经退火的焊缝在使用了6个月后，由于溶液的初生态氢渗入钢中，与焊接时产生的残余应力相互结合，促使焊缝处产生裂纹，而经过除焊接残余应力后的焊缝就不会产生裂纹。b由于搭接焊缝或角焊局部过热较严重，易引起腐蚀，因此在设计设备焊缝时，应尽可能采用对接焊缝；不同厚度的钢材焊接时，其厚度相差不能太大，否则容易产生局部应力，导致腐蚀；设备与接管的焊接，从防腐蚀角度考虑，最好不采用角焊缝，而采用对接焊缝。c.设备的死角，常常会造成液体停滞，形成浓度差，促进腐蚀破坏；不均匀的污垢和沉淀也可能加速腐蚀。因此，在设计设备结构时，应当尽量避免形成死角。第四十九页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室第五节 非金属材料有机非金属材料涂料工程塑料（PVC、CPVC、ABS）和玻璃钢石墨无机非金属材料化工陶瓷化工搪瓷第五十页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室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过程装备材料。非金属材料既可以用做单独的结构材料，又能用做金属设备的保护村里、涂层，还可做设备的密封材料、保温材料和耐火材料。应用非金属材料做化工设备，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，渗透性、孔隙及吸水性要小，热稳定性要好，加工制造容易，成本低以及来源丰富。第五十一页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室5.1无机非金属材料 常用的有耐酸陶瓷、化工搪瓷和耐热玻璃等。耐酸陶瓷的耐蚀性很高，除氢氟酸和强碱外，对所有介质都耐蚀。但它强度小，性脆，不耐冲击和骤冷骤热的作用。常制成管、瓷砖、塔和泵的零件供货。化工搪瓷，具有良好的耐蚀性，机械性能和电绝缘性也好。它的导热性差，热膨胀系数大。一般搪瓷设备不能用火焰加热，使用温度在-30270。目前我国已生产出成套搪瓷设备，如反应釜、贮罐、泵、阀门、旋塞、换热器和管件等。耐热玻璃，常用的是硼玻璃和高铝玻璃。它们有良好的耐腐蚀性和热稳定性。但性脆，不耐冲击和振动，温度的骤冷骤热也会使之破裂。目前化工上成功地用它作金属设备的衬里和用玻璃钢加强的玻璃管道，来弥补其不足。第五十二页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室5.2有机非金属材料 化工上应用的有机非金属材料有天然的，如木材、生漆等，有人造的，如塑料和人造石墨。因天然材料受资源限制，所以目前广泛应用的是人工合成的工程塑料、合成橡胶及人造石墨。化工上应用的工程塑料品种很多，主要有耐酸酚醛塑料、硬聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PP）、聚丙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE）和玻璃钢等。5.2.1酚醛塑料也叫法奥利特。它有良好的化学稳定性和热稳定性。能耐大部分酸性介质和有机溶剂的腐蚀。在氯碱、农药和染料工业中广泛用来制作搅拌器，管件阀门和设备衬里，它的主要缺点是冲击韧性差，易损坏。第五十三页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室5.2.2硬聚氯乙烯是在化工、石油部门应用最广泛的一种塑料。它的化学稳定性极高，除强氧化剂、芳香族碳氢化合物和碳氢化合物外能耐大部分酸、碱、盐和有机溶剂的腐蚀。它的加工性能好，可切可焊，并有一定的强度。但是，它的导热系数小，冲击韧性低，耐热性较差。使用温度为-1560。当温度在6090时，其强度显著下降，因此，其使用温度一般控制在80以下。被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、管件和阀门等。5.2.3聚乙烯塑料，它是乙烯的高分子聚合物。有优良的电绝缘性、防水性和化学稳定性。在室温下，除硝第五十四页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室酸以外，对各种酸、碱、盐溶液均稳定，对氢氟酸特别稳定。聚乙烯可做管道、管件、阀门、泵等，也可以做设备村里，还可涂在金属表面做防腐涂层。5.2.4 聚四氟乙烯，在耐腐、耐温（200250）、耐磨等机械性能方面是塑料中最好的一种，俗称塑料王。它广泛用于耐蚀密封圈、耐磨零件的制造。5.2.5玻璃钢又叫玻璃纤维增强塑料。它是一种新型的耐腐蚀材料，它用合成树脂为粘结剂，以玻璃纤维为增强材料，按一定成型方法制成。玻璃钢的耐腐蚀性能好，强度高，具有良好的工艺性能，在化工生产中应用日益广泛。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。第五十五页，编辑于星期六：十八点 四十一分。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室5.2.6人造石墨也叫树脂浸渍不透性石墨，它具有较高的化学稳定性和良好的导热性，热膨胀系数小，耐温度高；不污染介质，能保证产品纯度；加工性能良好和相对密度小，并且具有良好的导热性和导电性。缺点是强度低脆性大。现已制成各种类型的耐强腐蚀性的换热器、管材、管件和用作机械密封中的密封环和压力容器用的安全爆破片等。如氯碱生产中所应用的换热器和盐酸合成炉等。5.2.7合成橡胶，主要有丁睛橡胶、丁苯橡胶等。其耐腐蚀性很好，而且不会污染介质，主要用于设备与管道的防腐衬里。第五十六页，编辑于星期六：十八点 四十一分。第六节第六节 管路连接件和阀门管路连接件和阀门v6.0化工设备管路的标准化设计化工设备管路的标准化设计 v6.0.1标准化的意义 v从产品的设计、制造、检验和维修等诸多方面来看，标准化是组织现代化生产的重要手段。实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争能力；实现标准化，可以增加零部件的互换性，有利于设计、制造、安装和维修、提高劳动生产率。标准化为组织专业化生产提供了有利条件，有利于合理地利用国家资源，节省原材料，能够有效地保障人民的安全与健康；采用国际性的标准化，可以消除贸易障碍，提高竞争能力。（例）中国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准，如封头、法兰、支座、人孔、手孔和视镜等。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室第五十七页，编辑于星期六：十八点 四十一分。v6.0.2容器及其零部件标准化的基本参数v压力容器的直径和操作压力由工艺条件确定。在进行容器及其零部件的机械设计时，则应尽量采用标准化系列。压力容器及其零部件标准化的基本参数是公称直径DN和公称压力 PN。vA、公称直径DNv对由钢板卷制的筒体和成型封头来说，公称直径是指它们的内径；v对管子来说，公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管子外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了。而管子的内径则根据厚度的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。2003年11月11日 星期二 内科大化学化工学院 化工教研室第五十八页，编辑于星期六：十八点 四十一分。v引入公称直径和公称压力