化工设备常用材料.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 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2.06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、 2.25Cr-1Mo。 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、 2.25Cr-1Mo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 2.25Cr-1Mo：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-196 600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 NCu28-2.5-1.5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（4.507g/cm3）、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：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：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：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 热处理 普通（整体）热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火 表面化学热处理 感应加热表面淬火 火焰加热表面淬火 激光加热表面淬火等 渗碳 渗氮 碳氮共渗 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052 5mm；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0 02508mm。 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-1 b、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