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1、1化工设备机械基础北京化工大学机电工程学院2010.72课程简介31.确定设计原则经济指标，生产可靠度，能 力，材质，自动化程度，设备备用，进一步的 发展，等。 2.确定设计基础年操作时间，原材料，产品 ，消耗与回收，界区交接条件，公用工程规格 等。 3.工艺流程图设计(PFD)过程确定，系统合 成，工艺计算，设备特性要求，控制要求等。 4.带控制点的管道流程图（PID) 5.工艺设备设计设计温度，设计压力，结构 设计，材质选择，壁厚确定等。46.定型设备选型。 7.设备布置设计。 8.管道工程设计。 9.保温工程设计。 10.公用工程设计。56化工设备储罐 固定管板式换热器膨胀节式固定管板换
2、热器塔设备反应釜78一.主要内容：1.化工设备常用材料简介化工设备常用材料性能、分 类、热处理方法； 2.中、低压化工容器设计薄膜理论；内、外压容器设计方 法、容器零部件设计； 3.典型化工设备机械设计列管式换热器、塔设备以及反 应釜的结构及机械设计方法。9二.学习本课程的目的与要求：n目的：基本掌握化工设备常用材料的主要 性能及选用方法；基本掌握中低压、外压 容器及典型化工设备的设计方法。 n要求：1. 重点掌握设计概念及方法；2.掌握化工设备的结构特点；3.领会贯通课堂上讲授的内容。10三.主要参考书及参考资料：n1.化工设备机械基础(第五版）刁玉玮 王立业编著；n2. 压力容器安全技术监
3、察规程1999；n3. 钢制压力容器 GB150-1998；n4. 管壳式换热器 GB151-1999 ；n5. 钢制塔式容器 JB4710-2002 ；11第二篇 化工设备设计基础 第七章 化工设备常用金属材料的性能7.4 概述 1）.化工设备的使用环境：n压力：真空低压中压 高压超高压n温度：低温中温高温n介质：有毒；易燃；剧毒。127.4 金属材料的性能7.4.1 力学性能 在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的 能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。 1. 强度及其主要指标.固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的 特性。 例如： 容器爆裂； 管道破裂;地脚螺栓拉断;
4、炉管爆裂；.强度不够！13金属材料的重要强度指标14（1）.屈服点n屈服现象：金属材料承受载荷 作用，当载荷不再增加时，仍 继续发生明显的塑性变形。n屈服点： （s） 材料发生屈服时的应力 。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 。15（2）.抗拉强度(b)n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。是压力容器设计常用的性能指标。n屈强比：s/ b屈强比小，表明材料具有较大 的塑性储备。16（3）. 蠕变强度（n）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
5、变形而泄漏； 铅丝在常温下受重力作用而变长变细。 “蠕变强度”：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 。17（4）.持久强度（D）n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 。-是一定温度和一定载荷下，材料抵抗 断裂的能力。 n 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。n规定：化工设备设计寿命一般 为十万小时，所以用试件在十万小 时断裂时的应力作为持久强度。18（5）疲劳强度n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。n“疲劳极限”构件或零件在交变载荷作用下不致断裂 的最大应力。表示
6、符号：-1 (MPa)。n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。 192. 塑性及其主要指标n金属的塑性：外力作用下产生塑性变形，而 不破坏的性质。n因塑性不足引起材料破坏的例子：锻件裂纹; 卷板裂纹; 焊缝热影响区裂纹20主要指标：(1) 延伸率（）21（2）断面收缩率（y）如：纯铁的延伸率为50%，20R的d5不小于25% ；16MnR的d5不小于21%；1Cr18Ni9Ti的d5不小于40%。22（3）冷弯性能室温下对试板以一定的内半径（R=0.53 板厚）进行弯曲，a=1200或1800 ，是否出现裂
7、纹或起层。 -是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。23塑性指标的实际意义：n便于成型加工和焊接。如弯卷、 锻压、冷冲、焊接等；n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。243. 硬度的概念n金属材料表面抵 抗其它硬物压入 的能力。 n硬度高材料强度 也高，耐磨性较 好； 综合性能指标。布氏硬度试验示意图25常用硬度指标：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b36HBS;264. 冲击韧性及指标（Ak）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。27看看冲击
8、试验28n摆锤冲断试样所失去的位能为冲击功（试件所吸收的功） ：Ak =G(H1-H2) 焦耳 ！吸收功的高低取决于材料能否迅速塑性变形的能力。冲击韧性值的试验确定29材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之， 材料塑性高，其冲击韧性不一定高。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。本质区别在于材料在动载荷作用下是 否能够迅速发生塑性变形，吸收冲击能量 。305 缺口敏感性在带有一定应力集中的缺口条件下 ，材料抵抗裂纹扩展的能力。韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展 的性能。冲击韧性？是动载荷作用下抵抗裂 纹扩展的能力。317.4.2物理性能密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容
9、，电阻率 ，磁导率，弹性模量，泊桑比等。 化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：1.线膨胀系数异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏；复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体 将会？设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大 ，将会？碳钢表面电镀一层铜升温后会？322.弹性模量E与泊桑比弹性模量E：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。随着温度升高而降低。 泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与 单位纵向伸长之比。各种钢材近乎为 =0.3 。337.4.3 化学性能金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否 会与介质发生化学
10、或电化学反应，产生腐蚀。 主要考虑的化学性能： 1.耐腐蚀性对介质侵蚀的抵抗能力； 2.抗氧化性在热加工的高温条件下抵抗氧化 性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2 、SO2等。热加工如热卷，锻造，焊接，热处理 ，热冲压，铸造等等。347.4.4.金属材料的工艺性能n可焊性能母材及焊剂熔融状 态的流动性、凝固收缩率、热 塑性等；n铸造性能流动性、凝固收缩 率等；n可锻性能抗热裂性、抗氧化 性、热塑性等；n切削加工性能n热处理性能35看容器加工工艺 制造压力容器的材料须具备什麽性能367.5 钢铁牌号及表示方法1.牌号的表示原则 依据国家标准GB221-2000,牌号中化学元素化学符号或汉
11、字表示；产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语 拼音字母表示。 例如：沸腾钢F或沸 灰口铸铁HT或灰铁铸钢ZG锅炉钢g或锅容器钢R或容372.钢号表示法例：优质碳素钢 08F 20 R 沸腾钢 含碳量为0.08%；容器钢 含碳量为0.2% 普通碳素钢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38低合金钢 16MnR 16含碳量0.16%；Mn合金元素；R 容器钢。特殊性能钢 1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）；Cr,Ni主要合金元素；18含铬量18%；9 含镍量9%。393.碳钢的分类、牌号（1）.普通碳钢n含P、S等有害杂质较多（S0.055% P
12、0.045%)n常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F#Q235-B, # Q235-C, Q275 (参见表1-6） 式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。235材料屈服点（MPa)A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。F沸腾钢 #GB150-98规定使用材料403.常用的材料：锅炉钢20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。 容器钢（GB150-1998 钢制压力容器推荐）Q235-B，Q235-C;20R;16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。4.标准：压力容器用钢板GB6654-1996压力容器用碳素钢和低合金厚钢
13、板YB/T40-87417.6 化工设备材料选择的一般原则要考虑：n设备的操作条件压力、温度、介质特性 、操作特点；n材料的使用性能力学性能、物理性能、 化学性能；n加工工艺性能焊接性能、热处理性能、 冷弯性能及其他冷热加工性能；n经济合理性及设备结构材料价格、制造 费用和使用寿命。 42选材一般原则：1）压力容器用钢材应符合GB150-1998钢制压力 容器的要求，设计压力不大于35MPa。接受 压力容器安全技术监察规程的监督。 2）压力容器承压件用普通碳钢钢板的适用范围：钢板牌号使用温度设计压力MPa壳体厚度mm其他限制Q235-B03501.620不得用于高度毒性和 极度危害介质 Q235-C04002.530433).设计温度应在允许使用温度范围内。 4).耐腐蚀!同时考虑正常生产、停车、空料、内 填料等的实际情况。 5).经济性好
