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1、化工设备机械基础Fundamental Chemical Process Equipment,主讲：谭志伟 2008年 春,2020/8/4,绪 论,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,2020/8/4,化工设备：,绪 论,2020/8/4,绪 论,2020/8/4,绪 论,2020/8
2、/4,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,2020/8/4,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。,绪 论,2020/8/4,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 计划学时： 8学时,第1章 化
3、工设备材料及其选择,2020/8/4,1.1 概 述,1.1.1 化工设备选材的重要性和复杂性,1、操作条件的限制 压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求 温度：-2502000，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反应堆中子照射（变脆) 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,2020/8/4,1.1 概 述,1.1.2 选用材料的一般要求 （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）足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介
4、质能耐腐蚀； （4）便于制造加工，焊接性能良好； （5）成本低，经济上合算。 选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则。,2020/8/4,1.2 材料的性能,1.2.1、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。主要特征指标包括强度、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。,2020/8/4,1.2 材料的性能,金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹塑性变形阶段 （3）断裂 断裂的两种形式： 脆性断裂：断裂之前没有明显
5、塑性变形阶 段的。（更危险） 韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生 断裂的。,2020/8/4,1.2 材料的性能,（1）屈服点（s） 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，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s (MPa)表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。,载荷不再增加，甚至有所降低时，试件还在继续伸长的最小载荷，N,试件的原始横截面积，m2,2020/8/4,1.2 材料的性能,无明显屈服点的材料，工程中规定发生0.2残余伸长时的应力，作为“条件屈服点” 。 （2）抗拉强度（ b ）
6、金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫做抗拉强度。,2020/8/4,1.2 材料的性能,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。 屈强比（ s / b ）： 屈强比越小，材料的塑性储备越大，越不容易发生危险的脆性破坏； 屈强比越大，材料的强度水平发挥好，但塑性储备越小。 (3) 蠕变极限（ n ）,2020/8/4,1.2 材料的性能,高温 （比如：碳素钢420，合金钢450）,一定应力,联合作用下,金属将逐渐产生塑性变形,2020/8/4,1.2 材料的性能,蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间
7、而增加的现象，或者金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。 蠕变极限：材料在高温条件下抵抗发生缓慢塑性变形的能力。表现为两种： a 在工作温度下引起规定变形速度的应 力值； b 在一定工作温度下，在规定的使用时间 内，使试件发生一定量的总变形的应力 值。,2020/8/4,1.2 材料的性能,（4）持久强度（ D或105 ） （5）疲劳 强度（ 1 ） 2、塑性 塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。塑性指标是指金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。常用的塑性指标是延伸率（）和断面收缩率（）。 （1）延伸率（ ）,2020/8/4,1.2 材料的性能,手册中常见的是1
8、0和5。 越大，材料的塑性越好。 （2）断面收缩率（）,断面收缩率与尺寸无关。 延伸率和断面收缩率越大，表示金属材料的塑性越好。 （3）冷弯角 对焊接工艺试板和产品，必须做冷弯实验。,2020/8/4,1.2 材料的性能,3、硬度 衡量材料软硬的一个指标，一般用： 布氏硬度（HBS、HBW），较软； 洛氏硬度-HRC，较硬； 维氏硬度-HV，另有显微硬度。 4、冲击韧性 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。,2020/8/4,1.2 材料的性能,（
9、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。用冲击吸收功AK或冲击韧度K表示。 冲击功 AK=GH1-GH2， 冲击韧度 K= AK/F（F为面积）,2020/8/4,1.2 材料的性能,断裂机理： 冲击试样在受到摆锤突然打击发生断裂时，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。,2020/8/4,1.2 材料的性能,（2）缺口敏感性 在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩张的能力，是
10、在静载荷下抵抗裂纹扩张的能力，这一点与冲击韧性不同。两者都属于材料的韧性范畴。 （也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料的缺口敏感性。）,2020/8/4,1.2 材料的性能,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，就是因为静载荷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。 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。,2020/8/4,1.2 材料的性能,1.2.2 物理性
11、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E =E,这个比例系数E称为弹性模数，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。,2020/8/4,1.2 材料的性能,对于各种钢材它近乎为一个常数，即 0.3。 3、线膨胀系数l,式中， l试件原始长度，mm； l试件伸长量，mm； t温度差，。,2020/8/4,1.2 材料的性能,1.2.3 化学性能
12、（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： 在高温工作条件下，设备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。,2020/8/4,1.2 材料的性能,2020/8/4,1.2 材料的性能,1.2.4 加工工艺性能 金属和合金的加工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 例A：用钢板卷制筒体，如果不好会发生裂纹，存在事故的隐患。 例B：冲压封头，微裂纹或宏观裂纹，都会使以后的生产造成事故
13、。 2、良好的焊接性能 例：容器焊缝裂纹扩展，易造成事故。,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,1.3.1 分类 1、金属的分类,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,2、钢的分类,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,1.3.2 钢铁牌号及表示方法 1、牌号表示原则（GB/T 221-2000） 牌号中化学元素用化学符号或汉字表示； （ 如：1铬13或1Cr13） 产品用途、治炼和浇注方法采用汉字或拼 音字母并用的原则。 （如：Q235F F-沸腾钢） （表14） 2、钢号表示法 目前制造压力容器所用钢材，一般有三大类别：碳钢、合金钢、和特殊性能钢，其中碳钢又
14、分为普通碳素钢与优质碳素结构钢。,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,普通碳素结构钢 GB700-88规定，其牌号由代表钢材屈服点的字母Q、屈服点的数值、材料质量等级符号和脱氧方法符号四部分组成。如Q235AF。其钢号和化学成分、力学性能见表16、17。 优质碳素结构钢 钢号表示方法如表15，其钢号和化学成分见附录2，P297。,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,低合金钢及合金结构钢 钢号的表示方法有两个标准： GB159188，见表15 GB/T159194，见表19 两个标准的对照见表110 合金钢是在碳素钢的基础上加入少量合金元素，比如Si，Mn，Cu，Ti，V
15、，Nb，P等，从而提高钢的强度、耐腐蚀性、低温性能，如大型化工容器常用16MnR，15MnVR，15MnTi 来代替碳素钢制造容器，可以在保证强度的情况下，使容器壁厚减少，从而节省钢材30% 45%左右。,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,特殊性能钢 钢号表示法见表15。 特殊性能钢主要指不锈耐酸钢； 不锈：指耐大气腐蚀； 耐酸：抗酸和其它强腐蚀介质。 不锈耐酸钢根据合金元素的不同，分为三个大类。 第一类 铬不锈钢（常用的：1Cr13，2Cr13） 第二类 铬镍不锈钢 （典型的：188） 第三类 节镍不锈钢,2020/8/4,1.3 金属材料的分类及牌号,3、铸铁、铸钢牌号表示法
16、 铸铁GB561285 铸钢GB/T 56131995 表示方法见表111。,2020/8/4,1.4 碳钢和铸铁,钢和铸铁统称为铁碳合金 钢 含碳量为0.022.0 铸铁含碳量大于2.0 纯铁含碳量小于0.02 1.4.1 铁碳合金的组织与结构 1、金属的组织与结构 晶体：原子按一定规律排列很整齐 非晶体：原子排列杂乱无章 铁碳合金内部的区别，用金相显微镜来观察： 组织金属的晶粒 结构金属原子的排列 金属内部的组织和结构不同，金属材料的性能也不同。,2020/8/4,1.4 碳钢和铸铁,铁原子在空间排列的方式： 面心立方晶格八个原子构成立方体，在立方体的每一面的中心还有一个原子，塑性好。 体心立方晶格在立方体的体积中心还有一个原子，强度高。 密排六方晶格由12个原子构成简单六方体，且在上下两个六方面的中心各有一个原子，在上、下两个六方面的中间还有三个原子。,2020/8/4,1.4 碳钢和铸铁,2、纯铁的同素异
