第二篇压力容器.ppt
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1、第二篇 压力容器,化工设备机械基础,第一章 化工设备材料,了解材料各项性能的意义、碳钢与铸铁、常用有色金属和非金属材料的分类。 熟悉化工设备中常用金属材料的机械性能指标和主要化学成分含量。 掌握化工设备材料选用的原则,掌握几种常用化工设备材料(普低钢和低合金钢)的牌号、性能、用途; 掌握常用金属材料热处理的方法和作用。,化学工业是国民经济的基础产业,各种化学生产工艺的要求各不尽相同,如:压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温 以及腐蚀性、易燃、易爆物料等,使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求,因此,合理的选用材料是设计化工设备的主要环节。 例如:
2、对于高温容器,由于钢材在高温的长期作用下,材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化,加之承受一定的工作压力 ,因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性,因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备,还要考虑材料的疲劳等;而低温条件下操作的设备,则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。,前 言,材料的性能:力学性能、物理性能、化学性能和加工性能。 力学性能:决定许用应力-强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。 物理性能:密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。 化学性能:耐腐蚀性
3、-金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力;抗氧化性-高温氧化,降低表面硬度和抗疲劳强度,选耐热材料。 加工工艺性能:可铸性收缩与偏析;可锻性;焊接性;可切削加工性。,前 言,一、金属原子结构特点与金属键 金属原子结构特点:最外层的电子数很少,一般只有一二个;而且这些最外层电子与原子核的结合力较弱,因此很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子。 金属键:在金属中,暂时摆脱原子核束缚的电子成为共有的自由电子,在所有的金属正离子之间穿梭运动,好像带负电的气体充满其间,把带正电的金属离子牢固地束缚在一起。这种金属原子之间的结合方式称为金属键。,第一节 金属的晶体结构,二、金属的晶体结构,第一节 金属的晶体结构
4、,纯铁的晶体结构,第一节 金属的晶体结构,金属的结晶过程,第一节 金属的晶体结构,金属的结晶过程,第一节 金属的晶体结构,“铁碳合金”由95以上铁和0.054碳及1左右杂质元素所组成合金。 含碳量0.022称为钢; 含碳量大于2称为铸铁; 含碳量小于0.02时称纯铁(工业纯铁); 含碳量大于4.3的铸铁极脆,第二节 铁碳合金,铁在910oc以上是具有面心立方结构的Fe(图 a); 铁在910oc以下是具有体心立方结构的Fe(图b)。,a-Fe加热可变为g-Fe,反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。,(一)铁,-Fe -Fe,910,(面心立方晶格),(体心立方晶格),第二节 铁碳合金,在固
5、态下晶体构造随温度发生变化的现象,称“同素异构转变”。 铁的同属异构转变是构成铁碳合金一系列性能的依据。,Fe变成Fe,铁的同素异构转变,第二节 铁碳合金,(二)碳 碳在铁碳合金中的存在形式有三种: 碳溶解到铁的晶格中形成固溶体 碳与铁形成化合物 混合物:碳以石墨状态单独存在。,1、固溶体:两种或两种以上的元素在固态下互相溶解,而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体。如碳原子挤到铁的晶格中间去又不破坏铁所具有的晶格结构。,碳在铁中形成固溶体,第二节 铁碳合金,(1)铁素体,碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小,溶碳能力低(最大溶解度不超过0.02),强度和硬度低,但塑性和韧性很
6、好。 低碳钢是含铁素体的钢,具有软而韧的性能。 室温时,钢的组织中只有铁素体,没有奥氏体。,第二节 铁碳合金,(2)奥氏体,碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大,碳的溶解度比a-Fe中大得多,如在723时可溶解0.8,在1147时可达最大值2.06。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变时产生的。由于奥氏体有较大的溶解度,故塑性、韧性较好,且无磁性。,第二节 铁碳合金,2、化合物渗碳体,当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时,剩余的碳将与铁形成化合物 碳化铁(Fe3C),这种化合物称为渗碳体。 渗碳体的熔点约1600,硬度高,塑性几乎等于零。 铁碳合金含碳量
7、小于2时,其组织是在铁素体中散布着渗碳体,是碳素钢。 含碳量大于2时,部分碳以石墨形式存在,称铸铁。抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震能力。,第二节 铁碳合金,3、混合物碳以石墨状态单独存在,当铁碳合金中的碳含量较高,合金从液态以缓慢的速度冷却下来时,合金中没有溶入固溶体的碳将由极大部份以石墨状态存在。,第二节 铁碳合金,(1)珠光体,铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间,即其强度、硬度比铁素体显著提高;塑性、韧性比铁素体差,但比渗碳体要好得多。,第二节 铁碳合金,(2)莱氏体,珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。具有较高的硬度,是一种较粗而硬的金相组织,存在于白
8、口铸铁、高碳钢中。,第二节 铁碳合金,(3)马氏体,钢和铁从高温急冷下来的组织,是碳原子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度,但很脆,延伸性低,几乎不能承受冲击载荷。,第二节 铁碳合金,二、铁碳合金状态图,第二节 铁碳合金,铁碳合金状态图中主要点、线含义:,第二节 铁碳合金,图中AC、CD两曲线称为“液相线”,合金在这两曲线以上均为液态,从这两曲线以下开始结晶。 AE、CF线称为“固相线”,合金在该线以下全部结晶为固态。 ECF水平线段,温度为1147,在这个温度时剩余液态合金将同时析出奥氏体和渗碳体的机械混合物-莱氏体 。ECF线又称“共晶线”,其中C点称为“共晶点”。 ES(Acm
9、)与GS(A3)分别为奥氏体的溶解度曲线,在ES线以下奥氏体开始析出二次渗碳体,在GS线以下析出铁素体。 PSK(A1)线为“共析线”,在723的恒温下,奥氏体将全部转变为铁素体和渗碳体的共析组织-珠光体。,钢在加热时形成单一的奥氏体组织。,第二节 铁碳合金,所有生铁组织中都有莱氏体,多数碳以石墨状存在,用作铸件的生铁称为铸铁。,第二节 铁碳合金,三、钢的热处理,钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式,改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能,称为热处理。,第二节 铁碳合金,1、退火和正火,退火:把钢(工件)放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度,保温一段时间,随炉缓慢冷却下来的一种热处
10、理工艺。 目的:消除组织缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷加工、消除内应力、防止工件变形。 正火是把钢(工件)放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度,保温一段时间,置于空气中冷却。目的:细化晶粒,提高韧性,有比退火为高的强度与硬度。 正火与退火不同之处,在于正火是将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却。铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。,第二节 铁碳合金,2、淬火和回火,淬火是把钢(工件)放在炉中缓慢加热至淬火温度(临界点以上3050),并保温一段时间,后投入淬火剂中冷却。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐磨性。 淬火剂有空气、油、水、盐水,冷却能力递增。 碳钢在水和盐水中淬火,
11、合金钢在油中淬火。,第二节 铁碳合金,回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力,提高韧性。 在150250范围内的回火称“低温回火”。目的不降低硬度消除内应力。刃具、量具,要进行低温回火处理。 中温回火温度是300450。目的消除内应力降低硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。 高温回火温度为500680。 调质处理:淬火后的高温回火。目的获得较高的综合机械性能。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。,第二节 铁碳合金,时效热处理:材料经固溶处理或冷塑变形后,在室温或高于室温条件下,其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消
12、除内应力,稳定零件尺寸,它与回火作用相类似。,第二节 铁碳合金,3、表面淬火,使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度,而心部则具有一定的韧性。,第二节 铁碳合金,4、化学热处理,有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性; 渗铝可提高耐热、抗氧化性; 氮化与渗铬的零件,表面比较硬,可显著提高耐磨和耐腐蚀性; 渗硅可提高耐酸性等。,第二节 铁碳合金,碳钢中的元素除铁外还含有碳、锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等,碳的含量与存在形式对碳钢的性能具有重要影响,其他杂质元素对钢材性能也有重要影响。,第三节 碳素钢,(1)硫 有害元素。
13、FeS和 Fe形成低熔点(985)化合物。钢材热加工11501200,过早熔化而导致工件开裂,称“热脆”。 高级优质钢:S0.02%0.03%; 优质钢:S0.03%0.045%; 普通钢:S0.055%0.7%以下。,1、碳素钢元素对钢材性能的影响,(2)磷,有害元素。虽能使强度、硬度增高,但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时,使钢材显著变脆,称“冷脆”。 使冷加工及焊接性变坏, 高级优质钢: P0.025%; 优质钢: P0.04%; 普通钢: P0.085%。,第三节 碳素钢,(3)锰,脱氧剂。有益元素。 MnS(1600) ,部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力,与FeO
14、成为MnO进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降低脆性,提高强度和硬度。 在0.5%0.8%以下时,看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%0.8%;高锰结构钢可达0.7%1.2%。,第三节 碳素钢,(4)硅,脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加,塑性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%0.37%,沸腾钢中只含有0.03%0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。,第三节 碳素钢,(5)氧,有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、
15、Al2O3,使强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。,第三节 碳素钢,(6)氮,长时间放置或在200300加热氮以氮化物形式的析出,硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。 钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理,使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消除时效倾向。,(7)氢,氢脆、白点等缺陷。 变脆:氢化物变形小 白点:组织缺陷处扩散氢,时间长,第三节 碳素钢,2、分类与编号,按用途:建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢(不锈钢、耐热钢) 按含碳量:低碳钢、中碳钢和高碳钢 按脱氧方式:镇静钢和沸腾钢 按品质:普通钢、优质钢和高级优质钢,第三节 碳素钢,(1)普
16、通碳素钢,Q235-A,屈服强度数值(MPa) 质量等级A,B,C,D。 脱氧方法为F,b,Z,TZ。 化工压力容器用钢一般选用镇静钢。 普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。,第三节 碳素钢,(2)优质碳素钢,S0.03%0.045% ;P0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、80等。 平均含碳量的万分之几。45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%0.50%)。 45Mn,锰含量较高的优质非合金钢。 优质低碳钢(含C0.25%),如08、10、 15、20、25;塑性好,焊接性能好,壳体、接管。 优质中碳钢(含C
17、量0.3%0.60%),如30、35、40、45、50与55; 45号钢搅拌轴 优质高碳钢(含C0.6%),如60、65、70、80。60、65钢主要用来制造弹簧,70、80钢用来制造钢丝绳等。,第三节 碳素钢,(3)高级优质钢,S0.02%0.03%; P0.025%,均0.03%。 它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字,如20A。,第三节 碳素钢,3、碳钢的品种及规格,品种:钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢 (1)钢板(压力容器用热扎厚钢板) 4mm6mm厚度间隔为0.5mm 6mm30mm厚度间隔为 lmm 30mm60mm厚度间隔为2mm 一般碳素钢板材有 Q235-A、 Q235-AF
18、、08、10、15、20等。,第三节 碳素钢,(2)钢管,无缝钢管和有缝钢管。 无缝钢管有冷拔和热轧。 普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。 专门用途的无缝钢管,如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有缝管如水煤气管,分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。,第三节 碳素钢,(3)型钢,有圆钢、方钢、扁钢、角钢(等边与不等边)、工字钢和槽钢。 圆钢与方钢主要用来制造各类轴件; 扁钢常用作各种桨叶; 角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。,第三节 碳素钢,(4)铸钢和锻钢,铸钢用 ZG表示, ZG25、 ZG35等,用于制造各种承受重载荷的复杂零件,如
19、泵壳、阀门、泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、50等牌号。石油化工容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。,第三节 碳素钢,含碳量2%以上,含有 S、 P、 Si、 Mn等杂质。 脆性材料,抗拉强度较低,但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。 铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。,第四节 铸铁,1、灰铸铁,含碳量2.7%4.0%,片状石墨形式,断口呈暗灰色。 有优良的铸造性、减振性能,支架、阀体、泵体(机座、管路附件等)。 在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、联碱生产中的碳化塔及淡盐水
20、泵等。 HT和抗拉强度sb值表示,如 HT100,其中100表示sb100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。,第四节 铸铁,2、球墨铸铁,铸铁中的碳以球状石墨形式存在,简称球铁。 在强度、塑性和韧性方面大大超过灰铸铁,甚至接近钢材。 用QT、抗拉强度值、延伸率表示,如QT400-18,其中400表示sb400MPa,18表示d=18%。,第四节 铸铁,3、可锻铸铁,铸铁中的碳以团絮状形式存在。 可锻只是说明铸铁有一定的延展性,不能锻造。 表示方法:KT3510;35表示sb350MPa,延伸率为10。,第四节 铸铁,4、
21、高硅铸铁,有高的耐蚀性能,含硅量增加耐蚀性增加。 强度低、脆性大及内应力大,易于脆裂 热导率小,线膨胀系数大,不适于制造温差较大的设备,否则容易产生裂纹。 常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器 牌号有:STSi11Cu2CrR、STSi15R、STSi15Mo3R等。,第四节 铸铁,合金钢以改善钢材的某些性能为目的,在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素。,一、分类与编号,第五节 合金钢,合金含量10%,高合金钢,按用途分:,合金结构钢:调质结构钢、表面硬化钢、低碳马氏体钢、非调质结构钢 合金工具钢 特殊性能钢:不锈钢和耐热钢等,按合金元素总含量分:,合金钢的钢号表示方法: 以钢中含碳量的万分数
22、的数字为首,后面依次写出所溶入的合金元素的元素符号及含量的百分数,含量为1.5以下的省略,如35CrMo表示含碳量平均为万分之三十五(或0.35%),含 Cr、Mo在1%左右。 当平均质量分数1.5%、2.5%,3.5%时,在元素符号后面应标明含量,可相应表示为2、3、4。如36Mn2Si。,第五节 合金钢,二、合金元素对钢的影响,目前常用的合金元素有:铬(Cr),锰(Mn),镍(Ni),硅(Si),硼(B),钨(W),钼(Mo),钒(V),钛(Ti)和稀土元素(Re)等。,第五节 合金钢,1、铬,提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。 含量达到13时,能使钢的耐腐蚀能力显著提高,并增加钢的热强性。 提
23、高钢的淬透性,显著提高钢的强度、硬度和耐磨性,但使塑性和韧性降低。,2、锰,提高淬透性,有很高的强度,而又保持良好的塑性和韧性。 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。 镍基合金具有更高的热强性能。 镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。,第五节 合金钢,提高强度和提高低温冲击韧性。,3、镍,4、硅,强脱氧剂,显著细化晶粒,提高冲击韧性,降低冷脆性。 提高抗氧化性和耐热性,对抵抗H2S介质腐蚀有良好作用。 价格便宜,在耐热钢中常以它来代替铬。,第五节 合金钢,提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。 硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。,5、铝,6、钼,于固溶体中提高高温强度,细化晶粒,提
24、高淬透性。 铬钢中加少量钒,在保持钢的强度情况下,能改善钢的塑性。,第五节 合金钢,提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回火脆性。钼能抗氢腐蚀。,7、钒,8、钛,提高强度,改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,第五节 合金钢,强脱氧剂,可提高强度、细化晶粒,提高韧性,减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。 在不锈钢中稳定碳,防止晶间腐蚀 提高耐热性。,9、稀土元素,三、专业用钢,锅炉用钢,压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。 在钢号后面分别加注 g、 R或HP等,如20g、16MnR和15MnVHP等。 质地均匀、杂质含量低,能满足某些力学性能的特殊检验项目要求。,第五节 合金钢,四、特殊性能钢,1、不锈
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