水工艺设备(第1章).docx

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1、水工艺设备根底第1章水工艺设备常用材料1.1 概述1、合理选用设备材料重要性A水工艺设备种类、操作条件不同，对材料要求不同，常见有压力、温度和腐蚀性等方面；A如就管子承受压力来说，有真空管，中、低压管；对温度要求有高、中、低温；传送介质有液、气、腐蚀性物质等差异。所以不同工作条件，其材料选用大不相同。A就管材来说，有钢管、铸铁、有色金属、塑料和混凝土。2、选择材料时考虑因素（适用性、平安性、经济性）A适用性：有良好的制造加工工艺性（切削加工、焊接、热处理、铸造工艺）；满足工艺需要和要求A平安性：要求材质可靠，化学性稳定，有足够的强度，一定的塑性和韧性，能耐腐蚀性介质，能保证使用设计寿命；A经济

2、性：材料尽可能符合我国资源情况，市场供给量充裕，品种规格齐全，价格廉价。1.2 材料的主要性能材料的主要性能包括机械性能（力学性能）、物理性能、化学性能、工艺性能（加工性能）A机械性能（力学性能）：衡量材料抵抗外力导致的变形或不被破坏的能力；（抗压、抗拉、抗变形）A物理性能：材料本身自有的特性；A化学性能：衡量其在适用环境中的化学稳定性；（耐腐蚀性、抗氧化性）A工艺性能：衡量材料的加工的难易程度；（铸造、焊接、切削加工、热处理、冷冲压）材料机械性能材料机械性能主要是指材料的强度、弹性、塑性和韧性。A强度：抗塑性变形、抗断裂的能力；屈服强度（产生屈服现象时的应力）、抗拉强度（拉断前所能承受的最大

3、应力）、持久强度（某一温度下承受恒定荷载时在规定时间内引起断裂的应力）、蠕（ru）变强度（在高温和应力作用，不可恢复变形）、疲劳强度（受到大小方向反复变化应力的作用，在远小于疲劳强度下突然脆性断裂）、硬度；A韧性：韧性是材料对缺口或裂纹敏感程度的反响，用来衡量材料的抗裂纹扩展能力。描述韧性的指标有冲击韧性、断裂韧性和无塑性转变温度。A弹性：变形能恢复；A塑性：变形不可恢复；常用延伸率和断面收缩率来衡量；A温度对材料机械性能的影响A高温时，材料的抗蠕变性能是关键性指标，蠕变形随时间变小，导致应力减小，称“应力松弛”，蒸汽管道法兰漏气；A低温时，机械强度升高，但冲击韧性值陡降，由塑性变为脆性，称“

4、冷脆性”，温度过低材料产生脆性破裂。材料物理性能金属材料的物理性能有密度、熔点、导电性、导热性、磁性、弹性模量、膨胀系数。A弹性模量：应力与应变的比例系数，随温度升高而降低；A线膨胀系数：材料在温度变化Ie时单位长度的伸缩变化值；A导热系数：是指当温度梯度（温度差与器壁厚度的比值）为IK/m,在1小时内，通过每平方米传热面积的热量；材料化学性能金属材料的化学性能主要有耐腐蚀性和抗氧化性。A耐腐蚀性：金属抵抗介质环境腐蚀能力（见p9,表1.1）；A抗氧化能性：高温条件下，金属外表所接触的自由氧和介质中的氧化物（水蒸气、二氧化碳、二氧化硫）都对其产生氧化腐蚀作用，金属抵抗环境介质氧化腐蚀能力；如参

5、加Cr.AKSi等合金元素的耐热钢，外表形成致密氧化膜，防止被氧化损害。材料工艺性能金属材料的加工工艺性能主要包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性能、热处理和冷冲压性能等；A灰铸铁，铸造性能好；A强度愈高的钢，其加工性能都比较低；A合金钢的热处理性能比一般碳钢好；A选择材料除掉考虑用途外，还要根据不同加工工艺选择适宜的材料。材料化学成分对性能影响材料化学成分主要指材料中所含碳、硫、磷、锌、硅等化学元素的比例。A碳：含量增加，强度和硬度提高，塑性和韧性降低；假设含量超过0.9%,含量增加，强度反而降低；含量偏高，降低钢的焊接性能，出现裂纹。A硫：有害兀素；“热脆”；含量高，断裂韧性降低；A磷：

6、有害元素；“冷脆ZA镒：有益元素；脱氧剂和合金元素，提高强度；A硅：有益元素；脱氧剂和合金元素，提高强度、耐热、耐腐蚀，但过量会恶化钢的热加工性能。1.3 金属材料水工艺设备常用的金属材料主要有碳钢、铸铁、合金钢、不锈钢以及局部有色金属材料等。A金属材料分类：黑色金属（碳钢和铸铁）和有色金属铜、铝、钛、铅、银等），机械设备中黑色金属用得最多。A碳钢：含碳小于2%的铁碳合金；分为普通碳素钢、合金钢（普通低合金钢、容器钢、不锈钢）；A铸铁：含碳量为2.5%4%；灰铸铁、球墨铸铁；碳钢（钢）1、钢的分类（1）按化学成分分类A可分为碳钢和合金钢；（2）按照钢中硫和磷的含量分类A可分为普通钢、普通钢优质

7、钢高级优质钢（3）按用途分类优质钢和高级优质钢；S0.055%;P0.045%;S、P均应W0.04%；S0.03%;P0.035%A可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器零件。这类钢一般属于低碳或中碳的碳素钢或合金钢。工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢一般属于高碳钢或高碳合金钢。特殊性能钢：是具有特殊物理性能或化学元素性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等，这类钢一般属于高合金钢。2、钢的编号（1）普通碳素结构钢A编号用“Q+数字”表示，其中“Q”为“屈”字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值，例如Q275表示屈服强度为275MPa的碳素结构钢。A

8、假设牌号后面标注A、B、C、D,那么表示钢材质量等级不同，其中A级最低，D级最高。A假设在牌号后标注字母iFi那么为沸腾钢，未加标注的为镇静钢完全脱氧）。例如Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。（2）优质碳素结构钢A编号方法是采用两位数字表示钢中平均含碳量为万分之几；例如含碳为0.45%（万分之四十五）左右的优质碳素结构钢编号为45钢；含碳0.08%左右的低碳钢称为08钢等。A假设钢中含锦较高那么在钢号后面附以铳的元素符号Mn如15Mn、45Mn等。（3）碳素工具钢A碳素工具钢的编号是以叮”（碳的汉语拼音字头）开头，后面标以数字表示含碳量的千分之几。例如T8就是代表平均含碳量

9、为0.8%的碳素工具钢；T13那么代表平均含碳量为1.3%的碳素工具钢。A假设为高级优质碳素工具钢，那么在编号最后加以“A”，例如T8A、T13A等。合金结构钢A编号是利用“两位数字+元素符号+数字来表示。A前面的两位数字代表钢中平均含碳量的万分之几，元素符号表示钢中所含的合金元素。A元素后面的数字表示该元素的平均含量的百分之几。如果平均含量低于1.5%,那么不标明含量。A如果平均含量大于1.5%、2.5%3.5%.,那么相应地以2、3、4等表示。A例如12CrNi3钢，其平均含碳量为0.12%,平均含铭量小于1.5%,平均含银量为3%。又如30CrMnSi钢，其平均含碳量为0.3%,辂、镒、

10、硅三种合金元素的含量均小于1.5%。A假设为高级优质合金结构钢，那么在钢号的最后加“A”字，例如20CrI2Nil4WA（5）合金工具钢A编号与合金结构钢相似，仅含碳最的表示方法有所不同；A当合金工具钢的平均含碳量大于或等于Lo0%时，其含碳量不予标出；平均含碳量小于1.00%时，以千分之几表示；A例如：9SiCr钢，其平均含碳量为0.9%,硅和格的平均含量小于1.5%。3、普通碳素钢A普通碳素结构钢：供给时，产品保证其标定的力学性能，而不能严格保证其化学成分；用于受力不大，以承受静荷为主设备和零件1容器、阀门、管子、螺栓、螺母等），不能热处理。A优质碳素钢：能同时保证机械强度和化学成分，可进

11、行热处理，常用于受力较大，受变载荷和冲击载荷作用的零件；水工艺设备中常用低碳的优质碳素钢。A碳素工具钢：含碳较高，经热处理后具有高强度、高硬度、韧性好且有耐磨、耐冲击特点。4、合金钢C合金钢：在碳素钢中有控制参加一些合金元素；其综合力学性能、热处理的淬透性能、高温工作性能、特殊物理化学性能均比碳素钢优越。A普通低合金钢：良好塑性，参加合金元素（Si、Mn、Cu.Ti、Cr等），提高其强度，改善材料耐腐蚀和低温性能；水工艺设备中常用于制造容器和锅炉；A容器钢：主要用于操作条件比较复杂（压力、温度、介质等）、制造技术比较严格；A不锈耐酸钢：也称“不锈钢”，不锈（耐大气腐蚀）和耐腐蚀（耐酸和其他强腐

12、蚀介质腐蚀）；A不锈钢按照化学成分分为：以格为主的格不锈钢和含银的铝锲不锈钢；A铭不锈钢：含碳越少，含铭越多，耐腐蚀能力越强；当格含量大于11.7%时，耐腐蚀性能显著提高；实际应用中铭含量都在13%以上，如ICrl3和2CH3；对弱腐蚀介质浓度不高弱酸、淡水、海水、蒸气、潮湿大气）条件下具有足够的耐腐蚀性。A络锲不锈钢：含碳低，有较高的含络量，同时具有一定的含银量；如ICrI8Ni9,碳不大于0.14%,铝为17%19%,银为8%11%;A经热处理后较高的强度、极好的塑性和韧性、焊接性能和冷加工冲压性也很好，如容器、阀门等；AICrI8Ni9耐强氧化介质中腐蚀，但在复原性介质（盐酸、硫酸）中那

13、么不耐腐蚀；A在倍银不锈钢参加合金Mo（钥）、CU等增强耐腐蚀能力。5、钢的热处理A钢的热处理：将钢在固态范围加热到一定温度后，保温一段时间，再以一定的速度冷却的工艺过程。A常用钢的热处理方法：退火、正火、淬火、回火以及调质，渗碳等。A退火：加热，保温，随炉冷却到室温；金属晶粒细化，组织均匀，消除内应力，降低硬度，提高塑性，便于加工；A正火：加热，保温，空气中冷却到室温；硬度比退火高；A淬火：加热，保温，水中（油）中急剧冷却；大大提高钢的硬度和强度，韧性降低，同时产生很大内应力，有变形、开裂危险；淬火后必须进行回火处理；A回火：淬火后重新加热（温度低于淬火温度），保温，空气中或油中冷却；消除淬

14、火中产生的内应力；A外表淬火：很快速度把零件外表加热到淬火温度，然后迅速冷却；零件外表具有很高强度和耐磨性，内部保持原有的塑性和韧性，即较高抗冲击能力和耐磨性；A渗碳：化学热处理，放在含有某种化学元素的介质中加热、保温，使化学元素的活复原子向零件表层扩散，改变钢的外表呈化学成分和组织，获得与内部不同的外表性能。铸铁A铸铁：是一种脆性材料，含碳量一般在2.5%4%之间，并且有较多的杂质。A优点：减振性和耐磨性较好、本钱低、良好的液态流动性。A缺点：抗拉强度、塑性、韧性都较差，不能进行冲压和锻造。A应用：各种形状复杂的零件和铸铁管件。A分类：灰铸铁和球墨铸铁。1、灰铸铁A灰铸铁：应用最广的一种铸铁

15、抗压强度高、切削性能好，但不能承受冲击载荷，常用来制造设备的底座、机架、铸铁管件等。A灰铸铁牌号表示方法：“HT+数字”，数字表示抗拉强度，如HT200,表示灰铸铁，其抗拉强度为200MPa2、球墨铸铁A优点：力学性能好，与钢相类似，同时具备灰铸铁的优点。A缺点：弹性和韧性较低；铸造工艺较高，品质不宜控制，这也是推广使用的一个障碍。A牌号表示方法：“QT+数字+数字”，前一组数字反映抗拉强度，后一组数字表示伸长率。A例如：QT400-15,表示球墨铸铁，抗拉强度为400MPa,伸长率为15%。有色金属材料有色金属及其合金种类繁多，常用的有铜、铝、钛、铅、锲等及其合金，它们在导电性、导热性、密

16、度和耐腐蚀性能方面较之黑色金属有其优越性。2铜合金A分类：黄铜和青铜；A黄铜：合金元素以锌为主；具有一定强度；较高耐腐蚀性（对酸性介质抗蚀性差），铸造性能良好。A黄铜牌号：“H+两位数字”，两位数字表示含铜的百分数，如H80,表示黄铜，含铜量80%。A黄铜应用：制造管件、散热器、垫片等。1、铜A铜：具有高的耐腐蚀性（淡水，海水，中性盐类的水溶液）（碱、硝酸、H2S,含氨、镂盐及氟化物的水溶液中等不耐腐蚀）；高的导电性、导热性、塑性和良好的加工性能；良好的冷韧性；强度低，铸造性能不好。A铜的牌号：T+数字，数字表示杂质含量为千分之几；如T2,表示纯铜，含杂质千分之二；A应用：深冷设备和高压设备的

17、垫片。2、铜合金A皆铜：合金主主加元素不是锌，而是锡、铝、硅分别成为锡青铜、铝青铜、硅青铜；锡肖铜又称为普通青铜，而铝青铜、硅青铜成为特殊青铜。A青铜牌号：“Q+主加合金元素+数字+数字”，第一组数字表示主加元素的百分含量，第二组数字表示锌的百分含量，如QSn4-3,QA193,QSil-3等。A普通青铜：耐磨性、导热性均好，常用来制造阀门、蜗轮等。A铝青铜：耐磨性、耐腐蚀性较好，蒸汽和海水条件下耐磨损零件。3、铝A铝：密度小，塑性好，导热导电性能好，但强度低，多要用压力加工成形；耐腐蚀性非常强,钝化作用形成氧化膜，但卤素离子对氧化膜有破坏作用，所以在FH、HCk含卤素离子溶液中不耐腐蚀。A牌

18、号：“L+数字”，数字表示含铝百分含量，如L2、L3、L4等。A应用：热交换器、药剂生产设备、容器（存放易燃、易爆）3、铝合金A铝合金：参加合金元素（铜、镁、锌、锌、硅等）大大改善铝的强度性能；A铝合金应用：铸造铝合金和防锈铝合金；A铸造铝合金：耐磨性好，如泵、阀门、离心机；A防锈铝合金：耐腐蚀性好，且有很好塑性，强度也比纯铝提高很多，水处理中常代替不锈钢。1.4非金属材料A无机非金属：陶瓷、玻璃、化工搪瓷、石墨等。A有机非金属材料：又称高分子材料，工程塑料。A复合材料：由两种或两种以上的金属或非金属复合而成的一种新型材料。陶瓷（CeramiCS）,耐腐蚀/化学稳定性好/灯工熔接性能好（硼硅酸

19、盐玻璃，或低碱无硼玻璃）/耐温度急变性差化工搪瓷A搪瓷是将瓷釉涂搪在金属底片上，经过高温烧制而成，是金属和瓷釉的复合材料。A提高了陶瓷的韧性A耐腐蚀（氢氟酸、高温磷酸和强碱除外）A易清洗A我国D7搪瓷（抗碱腐蚀）石墨A天然石墨A人造石墨（空隙多而影响性能）A浸渍剂的应用增强不透性A导热性能好A不污染介质A用来做换热器、塔器、管件等高分子材料(有机非金属)A概念(工程塑料)A是水工艺设备中最常用的工业材料之一A分天然和人工的两大类A高分子化合物的分子量大A结构简单A具有较好的机械性能A分类(1)按来源分类天然高分子和合成高分子。(2)按主链结构分类碳链聚合物杂链聚合物元素有机聚合物元素无机聚合物

20、3)按性能和用途分类塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂和功能高分子六大类。(4)按功能分类通用高分子、工程材料高分子、功能高分子、仿生高分子等。A命名1 .高分子化合物的命名(U按原料单体或聚合物的结构特征命名在单体名称前面冠以聚字：聚氯乙烯、聚丙烯睛、聚乙二酰己二胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。在单体名称后面加“树脂”：酚醛树脂、环氧树脂等。2按商品名命名：有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯。*我国习惯以“纶作为合成纤维商品名的后缀，如涤纶、氯纶、月青纶、锦纶、丙纶等。为解决聚合物读写不便，常采用国际通用的英文缩写符号，如PVC、ABS等。高分子材料性能 重量轻高分子材料是重量最轻的一类材料，比金属和陶瓷材

21、料都轻，一般密度；为钢材的1/8到1/4,普通陶瓷的1/2以下。聚丙烯的密度甚至比纸的密度还小。而聚氨酯泡沫密度更小。 r弹性无定形和局部晶态高聚物在玻璃化温度以上由于自由的链段运动,表现出很高的弹性。弹性形变量大：100%1000%弹性模量低：比金属小百倍 滞弹性 概念：高聚物的高弹性不仅取决于应力，还决定与应力作用速率，即应变与应力滞后平衡。 蜻变：高聚物室温下长期受力，发生不可恢复的塑性变形。 应力松弛：高聚物受力变形后导致的应力衰减现象，如法兰渗漏。 滞后和内耗:变形恢复需要时.间，连续荷载就造成分子内摩擦，产生内耗,导致发热，如传送带。塑性和受迫弹性高聚物的分子链一般很长，加热时受热

22、不均容易软化，表现出明显的塑性。冷拉变形时多以细颈扩展的方式进行。强度和断裂 强度低：这是工程塑料作为结构材料使用的最大障碍。 脆性断裂：硬脆类高聚物伸长率很小，约2%；强硬类高聚物；柔韧材料也可以发生脆性断裂。 韧性断裂：强韧性材料，弹性模量和强度高，伸长率大10韧性 内在韧性好是高聚物的优点，即断裂前可吸收较多能量。 但是，高聚物的冲击韧性不如金属材料,这也是高聚物作为工程结构材料的主要问题之一。 提高韧性方法：改性、共混等增强技术做复合材料。 如聚氯乙烯。 耐磨摩擦系数低，磨损率低。耐磨、减摩性能是金属材料无法比较的。 绝缘性高聚物分子的必学键为共价键，不能电离，没有可以自由电子和可移动

23、的离子，是良好绝缘体。 热稳定性高聚物的耐热性要根据材料组成和结构看，分热固性塑料和热塑性塑料P 耐蚀高分子材料的耐蚀性能优良，如塑料王之称的聚四氟乙烯不仅耐强酸强碱,甚至在沸腾的王水也很稳定。老化高聚物尽管耐腐蚀，但是长期使用会存在老化问题,使材料性能变差。老化的原因是分子链结构在光、热等外在因素作用下被破坏，发生降解。改良方法有外表处理，改良结构，参加防老化剂。A工程塑料：主要原料是高分子合成树脂，为适应各种产品的不同性能要求，还要加进各种添加剂改善其性能。A常用添加剂：填料（提高力学性能）、增塑剂（降低硬度和脆性，提高塑性）、稳定剂（延缓老化）、固化剂（加快固化速度，提高机械强度）。A常

24、用工程塑料：硬聚氯乙烯塑料（PVC）、聚乙烯塑料（PEk聚丙烯塑料（PP）等。A高分子材料（有机非金属） 常见塑料（表1.7）APEAPPPVCA 橡胶A天然橡胶A合成橡胶 复合材料A特点A两器或多种物理化学属性不同的物质复合而成非均相固体材料。A客服弱点、有针对性设计、多功能A分类(p40,表1.8) 纤维复合材料(基体+增强体)A玻璃纤维复合材料(玻璃纤维增强塑料)A碳纤维复合材料(碳纤维增强树脂、金属、陶瓷)A硼纤维复合材料增强树脂、金属)A金属纤维复合材料(金属增强金属、陶瓷) 复合材料性能A比强度和比刚度高A抗疲劳性能好A减震能力强A热稳定性好A抗断裂性能高A补充：给水排水工程设备常

25、用材料的选择原那么A满足机械性能(力学性能)的要求。A满足腐蚀方面的要求A满足材料的经济性A室外给水管材A(I)输水：A预应力钢筒混凝土管、钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管、玻璃纤维增强树脂夹砂管等。 (2)配水：A球墨铸铁、钢管、聚乙烯管(PE)硬质聚氯乙烯管(PVC)等。 (3)金属管道防腐：A内：水泥砂浆衬里。A外：环氧媒沥青、胶粘带等。A室外给水管材A(I)铸铁管：灰铸铁和球墨铸铁；A灰铸铁：较脆、抗冲击和抗震能力差接口漏水、水管断裂、爆管)，一般用在管径较小的管道上，采用柔性接口，耐腐蚀，价格廉价。A球墨铸铁：具有灰铸铁的优点，同时具有较强抗冲击和抗震能力，防腐性能比钢管强很多，比较

26、理想的管材。 (2)钢管A造价较高、耐腐蚀性差、耐高压、耐振动，通常用在大管径、水压高处，穿越铁路、河谷和地震区。A室外给水管材 (3)预应力钢筒混凝土管 (4)预应力混凝土管：重量大，不便运输安装； (5夹砂玻璃钢管 (6)塑料管：耐腐蚀、重量轻、强度较低、膨胀系数大，考虑温度补偿。A室外排水管材A(I)混凝土管和钢筋混凝土管 (2陶土管：耐腐蚀、耐磨、脆易碎、短距离输送， (3)金属管：铸铁和钢管，高压、渗漏要求高，重力流很少采用金属管，耐腐蚀能力差，价格贵。 (4)新型塑料管材(PEUPVC) (5)排水管渠：砖、石、陶土块、混凝土块、钢筋混凝土块、钢筋混凝土A建筑给水管材A室外：塑料、

27、球墨铸铁、有衬里的铸铁；A室内：塑料管、薄壁金属与塑料复合、金属(薄壁铜管、薄壁不锈钢、衬(涂)塑钢管)等。A建筑排水管材A室外：塑料管、混凝土管、钢筋混凝土管；假设小区内设有生活污水处理装置，采用塑料管。A室内：塑料管、柔性接口的铸铁管；温度高于40时，采用金属管或耐热塑料管。A建筑热水管材A薄壁铜管、薄壁不锈钢管、塑料热水管、塑料和金属符合热水管。A设备机房内的管道不应采用塑料热水管。A思考(下节课提问)A如果制造一个大型容器，由于该容器需要长期存放硫酸，从耐硫酸腐蚀角度考虑，从铸铁、碳钢、不锈钢、陶瓷四种中选择制造该容器最正确材料，并说明其理由。1不一定是一种材料,可以是一种以上组合材料组成)