过程装备基础概述

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1、第二篇 化工设备设计基础,第六章 概述,压力容器设备的结构 常用材料 钢材的热处理 金属材料的腐蚀和防护 过程设备材料的选用原则 压力容器零部件的标准化,第一节 压力容器、设备的结构和分类,一、结构,按容器在生产中的作用分类:,反应压力容器(代号R),换热压力容器(代号E),分离压力容器（代号S),储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）,用于完成介质的物理、化学反应,用于完成介质的热量交换,用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离,用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质,化工设备=外壳（容器）+内件 外壳一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定温度和

2、压力的密闭空间。,1-法兰； 2-支座； 3-封头拼接焊缝； 4-封头； 5-环焊缝； 6-补强圈； 7-人孔；8-纵焊缝； 9-筒体； 10-压力表； 11-安全阀；12-液面计,压力容器中直接承受压力载荷作用的零部件为受压元件，受压元件以外的其它部件为非受压元件。如筒体、封头、法兰等为压力容器的受压元件，而支座、内件、开孔补强圈等，称为非受压元件。 筒体,筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。,封头,凸形封头,容器不需开启时，可把封头和筒体焊接在一起，从而有效地保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量。,对于因检修或更换内件

3、的原因而需要多次开启的容器，封头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间就必须要有一个密封装置。,密封装置,螺栓法兰连接（简称法兰连接）是一种应用最广的密封装置，它的作用是通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。,法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。,开孔与接管,由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、 视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。,支座,压力容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座和卧式容器支座两类,腿式支座 支承式支座 耳式支

4、座 裙式支座,鞍式支座 圈座,安全附件,安全附件：连锁装置；警报装置；计量装置；泄放装置,压力容器安全附件主要有：,安全阀 爆破装置 紧急切断阀 安全联锁装置 压力表 液面计 测温仪表等,上述六大部件构成了一台压力容器的外壳。对于储存用的容器，这一外壳即为容器本身。对于用于化学反应、传热、分离等工艺过程的容器，则须在外壳内装入工艺所要求的内件，才能构成一立而完整的产品。,常低压化工设备通用零部件标准直接选用。,1.按承压方式分： 内压容器，即内部介质压力大于外界压力。 外压容器，即内部介质压力小于外界压力。 真空容器，即内部压力小于一个大气压的外压容器。 生产中，内压容器按承受压力的等级分为低

5、压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。表1.3-1内压容器按承受压力的等级分类 注：如不加特别说明，压力均指表压力。,二、分类,2.从安全监检和管理的角度：,TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程,由设计压力、容积和介质危害性三个因素决定压力容器类别 ，将压力容器划分为三类（类、类和类） 。,从安全监察与管理的角度来看，压力容器的分类应以压力容器的危险性为核心，以分类监管为目的。,将压力容器的介质分为两组，包括气体、液化气体或者介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体。 （1）第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。 （2）第二组介质

6、：由除第一组以外的介质组成，如毒性程度为中度危害以下的化学介质，包括水蒸气、氮气等。 压力容器分类应当先按照介质特性选择分类图，再根据设计压力p (MPa)和容积V (L) ，标出坐标点，确定容器类别：,压力容器类别划分第一组介质,压力容器类别划分第二组介质,第二节 过程设备常用材料,1 碳钢,碳钢：碳含量在0.022之间的铁碳合金;,铸铁：碳含量大于2的铁合金。,1 ）碳及常存杂质对钢材性能的影响,碳(C),磷(P)：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。,碳含量对材料机械性能影响,硫(S)：有害元素。

7、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”。 锰(Mn)：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。 硅(Si)：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。,氧(O)：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、Al2O3等杂质，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。 氮(

8、N)：钢溶解过量的氮，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。 氢(H): 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,2）碳钢分类,普通碳素结构钢： 钢种按屈服强度区分。,Q235A,产品等级为A，共分A、B、C、D四级,材料屈服限的保证值，(厚度小于16mm),分为：普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。,优质碳素结构钢 ： 除保证机械性能和化学成分外，还对磷、硫及非金属夹杂物控制较严，如10，20，45（平均含碳量的万分数）。,低碳钢：0.3%

9、，强度低，塑性好，冷冲压和焊接性能好，在石油化工设备中广泛应用。,中碳钢：0.30.6%，强度硬度高，塑性韧性差；多用于传动设备及高压设备头盖零件。,高碳钢：0.6%；强度硬度均较高，塑性差，常用于制造弹簧，刀具及耐磨零件。,分类,屈服限,强度限,锅炉和压力容器用钢有特殊性，在钢号后（分别）冠以（“ g ” ） “ R ”,如 20g，20R,铸钢： ZG200400,Q245R（GB 713-2008）,2 合金钢,主要牌号：Q345R（16MnR）,15MnVR,18MnMoNiR,数,字,元素名称,数字,合金元素含量,合金元素符号,平均含碳量的万分数,1 ) 低合金钢,采用代表钢屈服点的

10、符号“Q”、屈服点数值和代表产品用途的符号等表示,低合金钢的牌号通常可采用两种方法表示：,低合金钢可按含碳量分为低合金结构钢和合金结构钢。 低合金结构钢含碳量不大于0.25%，具有良好的焊接性能，主要用作中、高参数压力容器承压元件，有板材、钢管和锻件等。,合金结构钢的含碳量范围较宽，主要供压力加工和切削加工用，如压力容器中紧固件、以及一些机器中的零部件，如轴、齿轮等。常用合金结构钢有30CrMo、35CrMo、40Cr、25Cr2MoVA、40MnB、40MnVB等,2）高合金钢,化工设备中使用的高合金钢主要是不锈钢和耐热钢,不锈钢和耐热钢的钢号中，前面的数字表示平均碳（C）含量的万分之几或十

11、万分之几计。含碳量大于或等于0.04%时，推荐取2位小数（万分之几）；含碳量不大于0.030%时，推荐取3位小数（十万分之几）。后面跟的合金元素符号和数字表示该合金平均含量的百分数。如06Cr19Ni10（0Cr18Ni9）、022Cr17Ni12Mo2等。,数字代号中，s表示不锈钢和耐热钢，第一位阿拉伯数字1为铁素体型，2表示奥氏体铁素体双相型，3表示奥氏体型。,不锈钢：耐大气腐蚀钢和耐化学介质腐蚀钢的总称。,马氏体不锈钢： 12Cr13（1Cr13）,奥氏体不锈钢：06Cr18Ni11Nb（0Cr18Ni11Nb）、 1Cr23Ni13（1Cr23Ni13）、1Cr25Ni20Si、 2C

12、r20Mn9Ni2Si2N、4Cr14Ni14W2Mo、 16Cr25Ni20Si2（1Cr25Ni20Si2),双相不锈钢：022Crl9Ni5Mo3Si2N （022Crl9Ni5Mo3Si2N）,分类,铁素体不锈钢： 022Cr12(00Cr12)、06Cr13Al （0Cr13Al）、16Cr25N（2Cr25N）,耐热钢,耐热钢通常应具备两种基本性能：一种是能在高温下长期工作而不致因介质（O2、H2S、SO2、H2）的侵蚀导致破坏，这种性能称为高温化学稳定性（或称为钢的抗高温氧化性能），具有这种性能的钢称为热稳定钢；一种是在高温下仍具有较高的强度，在长期受载情况下不会产生大变形或断裂

13、，具有这种性能的钢称为热强钢。耐热钢应具备抗高温氧化性和高温强度性能。,3 铸 铁,灰口铸铁：HT100 抗拉强度低，挤压强度高;用于制造耐压件;石墨成片状,可锻铸铁：KT30006 具有一定强度和塑性; 用于有振动和冲击的场合; 石墨成团球状.,球墨铸铁：QT5005 强度、塑性、韧性好;可替代铸钢;石墨成球状,各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成。牌号中代号后面的一组数字，表示抗拉强度值；有两组数字时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示延伸率值。两组数字中间用“一”隔开。,4 有色金属及合金,紫铜 ：T1，T2，T3 黄铜：H80，H68，H62,纯铝：1 铸

14、铝：ZL1， ZL2， ZL3 变形铝：1，2,作耐磨件：蒙乃尔合金 作腐蚀件：Inconel合金和海氏合金,铜及铜合金,铝及铝合金,镍及镍合金,钛及钛合金：TA0,TA1,TA2,TA3,5 非金属材料,化工陶瓷：化学稳定性好 玻璃：表面光洁、耐腐蚀（搪玻璃设备 水泥：价廉 天然耐酸材料：花钢石、石墨、石棉等,耐酸酚醛塑料 聚氯乙烯塑料 聚乙烯 聚四氟乙烯 玻璃钢,无机材料,有机材料,6 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)，铝(AI)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。 铬 提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。 含量达到13时

15、，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。 提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。,锰 提高强度和提高低温冲击韧性。 镍 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。,硅 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。 铝 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。,钼 提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止回

16、火脆性。钼能抗氢腐蚀。 钒 于固溶体中提高高温强度，细化晶粒，提高淬透性。 铬钢中加少量钒，在保持钢的强度情况下，能改善钢的塑性。,钛 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。 稀土元素 提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。,第三节 钢材的热处理,将钢材通过适当的加热、保温和冷却过程，使钢材的组织按一定的规律变化，以获得预期的机械（力学）性能，称钢的热处理。,一、 金属的结晶组织,晶体的结构,体心立方,面心立方,在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织;电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构。,不同温度下纯铁有体心立方与面心立方晶格，体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。,铁的同素异构转变,体心立方晶格的纯铁称a-Fe，面心立方晶格的铁称为g-Fe。,a-Fe加热可变为g-Fe，