化工设备机械基础教材

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1、第一章 化工设备材料及其选择,本章重点：材料的力学性能及化工设备材料的选择 本章难点：材料的性能,第一节 概述 一化工设备选材的重要性和复杂性,一、 化工设备选材的重要性和复杂性 1.操作条件的限制 2.制造条件的限制 设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要求材料的加工性能要好。 3.材料自身性能的限制 二、选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则。(1)材料品种应符合我国资源和供应情况；(2)材质可靠，能保证使用寿命；(3)要有足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；(4)便于制造加工，焊接性能良好；(5)成本低。,第二节 材料的

2、性能,（力学性能、物理性能、化学性能和加工工艺性能） 一、力学性能 材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力，叫做材料的力学性能。主要包括强度、塑性、韧性和硬度，这是设计时选用材料的重要依据 1、强度 强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等。 (1)屈服点（ ） 金屑材料承受载荷作用，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，这种现象，习惯上称为“屈服”。发生屈服现象时的应力即开始出现塑性变形时的应力，称为“屈服点”，用(MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。条件屈服点（ ）工程中规定发生0.2残余伸长时的应

3、力，作为“条件屈服点”,(2)抗拉强度 金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是压力容器设计常用的性能指标， (3) 蠕变极限 蠕变：指金属材料在高温时，在一定应力下应变随时间增加的现象或逐渐产生塑性变形的现象。 蠕变极限：指材料在高温下抵抗发生缓慢塑性变形的能力,(4) 持久强度（）：材料在高温条件下，抵抗发生断裂的能力。 (5) 疲劳强度（）：（材料在交变载荷作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。 我们把经过106108次循环试验而不发生断裂的最大应

4、力，作为疲劳强度 2、塑性（指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力，常用指标：延伸率、断面收缩率。） （1）延伸率： （试件受拉力拉断后，总伸长长度与原始长度之比的百分率。） （2）断面收缩率： （试件受拉力拉断后，断面缩小的面积同原始面积比值的百分率。） 3、韧性 (韧性是表示材料弹塑性变形为断裂全过程吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂纹扩展的能力。 我们常用冲击韧性来表示材料承受动载荷时抗裂纹的能力，用缺口敏感性表示材料承受静载荷时抗裂纹扩展的能力。) （1）冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。,（3）注意：,2）断裂机理： 冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时，

5、它的断裂过程是一个裂纹发生和扩展的过程。 在裂纹向前发展的道路中，如果塑性变形能发生在它的前面，就可以制止裂纹的长驱直入。 它要继续发展，就需另找途径，这样就能消耗更多的能量。因此，冲击吸收功的高低，决定于材料有无迅速塑性变形的能力。 3）韧性与塑性： 韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。 韧性高的材料，一般都有较高的塑性指标；但塑性较高的材料，却不一定都有高的韧性。 其所以如此，就是因为静载菏下能够缓慢塑性变形的材料在动载荷下不一定能迅速塑性变形。 （2）缺口敏感性 指材料在一定应力下抵抗裂纹扩展的能力 （也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料

6、的缺口敏感性。）,4.硬度 ： 衡量材料软硬的一个指标 总之，在材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指标中， 强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。 二化学性能（主要指耐腐蚀性和抗氧化性） 1、耐腐蚀性： 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力。 2、抗氧化性： 在现代工业生产中的许多设备，如各种工业锅炉、热加工机械、汽轮机及 各种高温化工设备等，它们在高温工作条件下，不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质如水蒸气，CO2、SO2等的氧化腐蚀作用，因此锅炉给水中的含氧量和其他介质中的硫及其他杂质的含量对钢的氧化是有一定影响的。 三、工艺性能 金

7、属和合金的工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等。对于设计压力容器最重要的两个性能是： 1、良好的冷热加工性能 2、良好的焊接性能,四、物理性能 主要有相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。 1、弹性模数，弹性模数是金属材料对弹性变形抗力的指标，是衡量材料产生弹性变形难易程度的，材料的弹性模数越大使它产生一定量的弹性变形的应力也越大。对同一种材料，弹性模数随温度的升高而降低。 2、泊桑比 泊桑比是拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于各种钢材它近乎为一个常数，即0.3,金属的腐蚀,腐蚀: 金属与周围介质之间发生化学或电化学作用而引

8、起的破坏称为腐蚀。 金属的腐蚀有两种：化学腐蚀与电化学腐蚀 金属腐蚀的评定方法： 1、根据质量变化评定金属腐蚀 2、根据腐蚀的深度评定金属腐蚀 一化学腐蚀：金属遇到干燥的气体或非电解质溶液而发生化学作用所引起的腐蚀。其产物在金属的表面，腐蚀过程中没有电流的产生。 二氢腐蚀：氢气在较低温度和压力(200，5.0MPa)下对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是在高温高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“氢腐蚀”。,晶间腐蚀：是一种局部的选择性的腐蚀破坏，这种腐蚀沿金属晶粒的边缘进行，腐蚀性介质渗入金属的深处，腐蚀破坏了金属晶粒之间的结合力，使材

9、料的强度和塑性几乎完全丧失，从表面看不出异样，但内部已经瓦解，因此往往会造成灾难性的破坏。 典型实例：奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 应力腐蚀： 金属在腐蚀介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。腐蚀与拉应力起互相促进的作用。应力腐蚀可以是金属在平均应力低于屈服点的情况下被破坏。,金属腐蚀破坏的形式: 均匀腐蚀与非均匀腐蚀（又称局部腐蚀）,金属设备的防腐措施：,1、衬覆保护层 2、电化学保护 3、缓蚀剂,第二章 容器设计的基本知识,一、容器的分类与结构 （一）结构,（二）分类 第一种：按设计压力分类 按承压方式，压力容器可分为内压容器与外压容器。 内压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级：

10、低压、中压、高压、超高压。 外压容器中，当容器的内压力小于0.1MPa时又称为真空容器。 第二种：按作用原理（即用途）分类可分为：储存容器、反应容器、换热容器、分离容器。 第三种：按安全技术管理分类：固定容器、移动式容器 第四种：按容器壁温分类，可分为常温、中温、高温和低温容器四种。第五种：按壁厚分类，分为薄壁容器（/Di0.1）和厚壁容器/Di0.1 二、容器机械设计的基本要求 在进行压力容器机械设计时,它的总体尺寸、零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，因此我们这里主要是指结构设计。要求有以下几个方面。,（一）安全性 1、强度：强度就是容器抵抗外力破坏的能力。容器应有足够的强度，否则造成事

11、故。 2、刚度：是指容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力。承受压力的容器或构件，必须保证足够的稳定性，以防止被压瘪或出现折皱。 3、密封性：设备密封的可靠性是安全生产的重要保证之一，因为化工厂中所处理的物料中很多是易燃、易爆或有毒的，设备内的物料如果泄漏出来，不但会造成生产上的损失，更重要的是会使操作人员中毒，甚至引起爆炸； 反过来，如果空气混入负压设备，亦会影响工艺过程的进行或引起爆炸事故。 因此，化工设备必须具有可靠的密封性，以保证安全和创造良好的劳动环境以及维持正常的操作条件。,4、耐久性： 化工设备的设计使用年限一般为10年一15年，但实际使用年限往往超过这个数字，腐蚀、疲劳、蠕变

12、或振动等，都会影响耐久性，尤其是腐蚀，所以以后的设计中会看到考虑腐蚀余量。 （二）可行性包括制造、安装、操作、维修及运输的可能性、方便性。 （三）经济性 指五个方面。单位生产能力；消耗系数；设备价格； 管理费用：包括劳动工资、维护和检修费用等。管理费用降低，产品成本也随之降低。但管理费用不是一个孤立的因素，例如有时采用高度自动化的设备，管理费用是降低了，但投资则会增加。,产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产中间产品，则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低，此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个生产系统的经济效果来确定。

13、 三、容器零部件的标准化 1标准化的意义 组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本从而提高产品的竞争能力。 标准化为组织专业化生产提供了有利条件。有利于合理地利用国家资源，节省原材料，能够有效地保障人民的安全与健康；采用国际性的标准化可以消除贸易障碍提高竞争能力，实现标准化可以增加零部件的互换性。,有利于设计、制造、安装和检修，提高劳动生产率。我国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准，例如圆简体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。 2、容器零部件标准化的基本参数公称直径DN和公称压力PN。 公称直径：是将容器及管子直径加以标

14、准化以后的标准直径。 A 压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，公称直径是指它的内径； 当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的外径；封头的公称直径与筒体一致。 B管子：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。 C.其它零部件的公称直径：有些零部件的公称直径，如压力容器法兰，鞍式支座等就是指与它相配的筒体与封头的公称直径。而管法兰、手孔等则是指与它相配的管子的公称直径。 公称压力：是将所能承受的压力范围分为若干个

15、等级，因为公称直径相同的同类零件，只要它们的工作压力不相同，那么它们的其他尺寸也就不会一样。所以规定了若干个压力等级，,这种规定的标准压力等级就是公称压力，以PN表示。 四、压力容器相关的法规与标准 相关标准与规定近300个，其中GB150-1998钢制压力容器是我国压力容器标准体系中的核心标准。 在压力容器的标准与规定中，一部分是技术性的规定，另一部分是法规性的规定（有强制性）， 目前法规性规定的标准有3个：GB150-1998钢制压力容器；特种设备安全监察条例；压力容器安全技术监察规程。,第三章 内压薄壁容器的应力分析,工程实际中，应用较多的是薄壁容器，并且，这些容器的几何形状常常是轴对称

16、的，而且所受到的介质压力也常常是轴对称的，甚至于它的支座，或者说约束条件都对称于回转轴，我们把几何形状、所受外力、约束条件都对称于回转轴的问题称为轴对称问题。 第一节 回转壳体的应力分析薄膜应力理论 一、薄膜容器及其应力特点 （一）内压薄壁容器的结构与受力： （二）内压薄壁容器的变形： （三）内压薄壁容器的内力：,结论 在任何一个压力容器中，总存在着两类不同 性质的应力： 薄膜应力、边缘应力 图3-1内压薄膜容器 二、基本概念与基本假设 (一)回转壳体中的基本的几何概念 1、面 （1）中间面：平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间面，中间面与壳体内外表面等距离，它 代表了壳体的几何特性。 （2）回转曲面：由平面直线或平面曲线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成的曲面。 （3）回转壳体：由回转曲面作中间面形成的壳体称为回转壳体。 2、线 （1）、母线：绕回转轴回转形成中间面的平面曲线。 （2）、经线：过回转轴的平面与中间面的交线。 （3）、法线：过中间面上的点且垂直于中间面的直线称为中间面在该点的