化工设备机械基础(第一章).ppt
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1、化工设备机械基础 Fundamental Chemical Process Equipment,江苏理工学院化工与环境工程学院 马迪,化工生产和化工机械 化工生产是以流体(气体、液体、粉体)为原料,以化学处理和物理处理为手段,以获得设计规定的产品为目的的工业生产。化工生产过程不仅取决于化学工艺过程,而且与化工机械装备密切相关,化工机械是化工生产得以进行的外部条件,所以先进的化工机械,一方面为化学工艺服务,另一方面又促进化学工艺过程的发展。 化工机械通常分为:化工设备和化工机器,绪论,化工设备:,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,绪论,化工生产自身的特点: 1、生产的连续性强 2、生产的条件苛刻 介
2、质的腐蚀性强 ;温度和压力变化大 介质大多易燃易爆有毒性 生产原理的多样性 生产技术含量高,绪论,课程简介,本课程主要内容: 1、化工设备材料及其选择 2、化工容器的设计 1)内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计; 2)外压圆筒与封头的强度设计; 3)容器的零部件(法兰 支座 开孔补强 附件:接口管 凸缘 人、手孔 视镜)。 3、典型化工设备的机械设计 1)换热器; 2)塔设备; 3)搅拌器。,课程简介,学时安排: 第二篇 化工工程设备常用的材料 8 学时 第三篇 化工容器及设备基础 32学时 第一篇 工程力学基础 8 学时,第一篇 化工设备材料 第一章 化工设备材料及其选择,1.1 概述,
3、化工设备的使用环境: 压力:真空 低压 中压 高压超高压 温度:低温中温高温 介质:有毒;易燃;剧毒 选材原则:经济、适用、安全,第一章 化工设备材料及其选择,1.1 概述 1.2 金属材料性能 1.3 金属材料的分类及牌号 1.4 碳钢铸铁 1.5 低合金钢及化工设备特种钢 1.6 有色金属材料 1.7 非金属材料 1.8 化工设备的腐蚀和防护措施 1.9 化工设备材料的选择,绪论,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能,强度 塑性 硬度 韧性,密度 熔点 线膨胀系数 导热系数 比热容 电阻率 磁导率 弹性模量 泊松比,铸造性能 可锻性能 切削加工性能 热处理性能,耐腐蚀性 抗氧
4、化性,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,塑性,韧性,力学性能:金属的力学性能是指金属在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度 定义:固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。 举例: 容器爆裂 管道破裂 地脚螺栓拉断 炉管爆裂,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,金属拉伸试验 http:/ 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,金属拉伸试验,第一章 化工设备材料
5、及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 屈服点s : 屈服现象:金属材料承受载荷作用,当载荷不再增加或缓慢增加时,仍继续发生明显的塑性变形时的现象。 屈服点: 材料发生屈服时的应力,记为s,单位:MPa。 一些合金没有明显的屈服点,规定发生0.2%残余变形时的应力,作为“条件屈服点”,记作0.2 。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 抗拉强度 b : 定义:金属材料在受力过程中,发生断裂所达到的最大应力值 以b 表示,单位MPa。 压力容器设计常用的性能指标。 屈强比:s/ b。屈强比小,表明材料可靠性越高。,第一章 化
6、工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 蠕变强度 n : 蠕变现象:高温高压的蒸汽管道下挠变形;高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏;铅丝在常温下受重力作用而变长变细。 定义:材料在高温下,抵抗发生缓慢塑性变形的能力。以n 表示,单位MPa。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 持久强度 D: 定义:在一定温度下,经过一定时间断裂时的应力,以D表示,单位MPa 。 一定温度和一定载荷下,材料抵抗断裂的能力。 材料抵抗断裂的能力越大,在相同的条件下,能支持的时间越久。 规定:化工设备设计寿命一般为十万小时,所以用试件
7、在十万小时断裂时的应力作为持久强度。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,强度指标 疲劳强度 -1: 疲劳:构件或零件受到大小和方向变化的交变载荷作用,应力远小于屈服点就断裂。 疲劳极限:构件或零件在无数次交变载荷作用下不致断裂的最大应力。以-1表示,单位MPa 。(106-108次),例如: 频繁开、停车容器内压力或温度波动; 活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动; 离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,硬度,韧性,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料
8、性能 1.2.1 力学性能,塑性 定义:金属材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。 举例:锻件裂纹 卷板裂纹 焊缝热影响区裂纹,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性指标 延伸率(deita,%) : 定义:试件受拉力拉断后,总伸长的长度与原始长度之比的百分率 。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性指标 断面收缩率(y ): 定义:试件断裂后,断面缩小的面积与原始横截面积之比的百分率。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性指标 冷弯性能: 定义:室温下对试板以一定的内半径
9、(R=0.53板厚)进行弯曲,弯曲角度a=120度或180度,是否出现裂纹或起层。 是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,塑性 塑性指标的实际意义: 便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接; 使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。 压力容器及其零件都需要具备这个性质。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,韧性,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,硬度 定义:金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 硬度高材料强度高耐磨性好 反映材料
10、弹性、强度、塑性和韧性的综合性能指标,布氏硬度试验示意图,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,硬度指标(根据压头和压力的不同) 布氏硬度(HBS); 洛氏硬度(HRA、HRB、HRC); 维氏硬度(HV)等。,硬度和强度间有一定关系: 如:低碳钢sb36HBS,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,力学 性能,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.1 力学性能,韧性 冲击功:摆锤冲断试样所失去的位能(试件所吸收的功) 。 冲击功计算公式:Ak =G(H1-H2) 焦耳 吸收功的高低取决于材料能否迅速
11、塑性变形的能力。,冲击韧性:材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能,迅速塑性变形,抵抗断裂的能力。,弹性模量E 定义:金属材料对弹性变形抗力的指标,衡量材料产生弹性变形难易程度 材料在弹性范围内,应力和应变成正比,即=E,比例系数E为弹性模量。 金属材料在弹性变形阶段的应力和应变关系。 E,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.2 物理性能,线膨胀系数,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.2 物理性能,泊松比 定义:拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。 对于钢材,=0.3,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.3 化
12、学性能,耐腐蚀性 定义:金属和合金对周围介质侵蚀(发生化学和电化学作用引起的破坏)的抵抗能力,抗氧化性 定义:金属和合金抵抗被氧化的能力。,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能 1.2.4 加工工艺性能,可焊性能 铸造性能 可锻性能 切削加工性能 热处理性能,第一章 化工设备材料及其选择,1.2 金属材料性能,复习,1.1 概述 1.2 金属材料性能 1.3 金属材料的分类及牌号 1.4 碳钢铸铁 1.5 低合金钢及化工设备特种钢 1.6 有色金属材料 1.7 非金属材料 1.8 化工设备的腐蚀和防护措施 1.9 化工设备材料的选择,绪论,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金
13、属材料的分类及牌号 1.3.1 金属材料的分类,炼钢生铁 铸造生铁 合金生铁,纯(紫)铜 黄铜(铜锌合金) 锡青铜(铜锡合金) 铝青铜(无锡青铜),铝及铝合金 钛及钛合金 镁及镁合金,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,国家标准GB221-2000 钢铁产品牌号表示方法 凡列入国家标准和行业标准的钢铁产品,均应按本标准规定的牌号表示方法编写牌号。 产品牌号的表示,一般采用汉语拼音字母,化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。 采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时,一般从代表产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。当和另
14、一产品所取字母重复时,改取第二个字母或第三个字母,或同时选取两个汉字的第一个拼音字母。采用汉语 拼音字母,原则上只取一个,一般不超过两个。,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,2. 碳钢的分类及牌号 普通碳素钢 组成:含S、P等有害杂质较多(S0.055% P0.045%) 类型:Q215-A;Q235-A;Q235-A.F;Q235-B;Q235-C;Q275 式中:Q普通碳钢,“屈服”的拼音首位字母。 235材料屈
15、服点(MPa) A,B,C,D钢材质量等级,越后越高。 F沸腾钢 优质碳素钢 组成:含硫磷量少(S、P0.04%),非金属杂质少,组织均匀,表面质量好。 类型:正常含锰量和较高含锰量(含锰量),1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,2. 碳钢的分类及牌号 优质碳素钢 正常含锰量:08,10,15,20g,20R 较高含锰量:30Mn,40Mn 其中:数字-含c量的万分数; g -锅炉钢; R -容器钢; Mn -含锰元素约1%。 高级优质碳素钢 组成:含S、P量更少(S,P0.03%) 类型:20A(A 高级),1.3 金属材料的分类及牌号
16、 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,含碳量为0.08%,容器钢,含碳量为0.20%,Q235-A,F,沸腾钢,类别为A,钢材屈服点(MPa),屈服点屈字的拼音首位字母,08F,沸腾钢,20R,优质碳素钢:,普通碳素钢:,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,含碳量为0.16%,16MnR,容器钢,低合金钢:,1Cr18Ni9,合金元素铬,特殊性能钢:,合金元素锰,含碳量为0.1%,含铬量为18%,合金元素镍,含镍量为9%,第一章 化工设备材料及其选择,
17、1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,第一章 化工设备材料及其选择,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,第一章 化工设备材料及其选择,1.3 金属材料的分类及牌号 1.3.2 钢铁牌号及表示方法,例下列钢号各代表何种钢,符号中的字母和数字各有什么意义? Q215-B.F 代表 普通碳素钢(钢种),其中Q为 屈服点的头一个拼音字母,215为屈服点值,B表示质量等级,F表示沸腾钢。 20A 代表高级优质碳素钢,20为含碳量0.2%,A表示高。 15MnVDR 代表普通低合金钢,含碳量0.1
18、5%左右,含Mn小于1.5%,含V小于1.5%,D表示低温用钢,R代表容器用钢,1.1 概述 1.2 金属材料性能 1.3 金属材料的分类及牌号 1.4 碳钢铸铁 1.5 低合金钢及化工设备特种钢 1.6 有色金属材料 1.7 非金属材料 1.8 化工设备的腐蚀和防护措施 1.9 化工设备材料的选择,绪论,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁,铁碳合金 定义:碳钢和铸铁又合称为“铁碳合金”,是以铁和碳为组元的二元合金。 组成: 95%以上铁+(0.054%)碳+1%杂质,含碳量,0.02%,2%,4.3%,钢,铸铁,工业纯铁,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4
19、.1 铁碳合金的组织结构,金属的组织和结构 相:系统中具有相同的物理性质和化学性质的均匀部分 。 显微组织:在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织,简称组织 晶格结构:空间中粒子的排布及数量。如面心立方、体心立方、密排六方等。 组织一般由相组成,空间形态基本相同,但成分可变。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状,普通灰铸铁石墨呈片状,可锻铸铁石墨呈棉絮状,球墨铸铁石墨呈球状,例:铸铁中石墨的不同组织形式,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1
20、铁碳合金的组织结构,体心立方 面心立方 密排六方,常见晶体结构,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,纯铁的同素异性转变 晶体内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列;固定熔点和各相异性 非晶体内部质点是散乱排列的。 金属中的原子堆垛:为便于表述晶体内原子的排列规律,我们把原子看成刚性小球,金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的,第一章 化工设备材料及其选择,1.4 碳钢及铸铁 1.4.1 铁碳合金的组织结构,纯铁的同素异性转变 晶格:把原子看成一个结点,然后用假想的线条将这些结点连结起来,便构成了一个有规律性的空间格架称晶格 晶胞:晶格中能完全反映
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