2023/2/6化工設(shè)備機械基礎(chǔ)

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化工生產(chǎn)和化工機械化工生產(chǎn)是以流體（氣體、液體、粉體）為原料，以化學(xué)處理和物理處理為手段，以獲得設(shè)計規(guī)定的產(chǎn)品為目的的工業(yè)生產(chǎn)?；どa(chǎn)過程的決定因素：化學(xué)工藝過程化工機械裝備化工機械通常分為：化工設(shè)備（靜設(shè)備）

化工機器（動設(shè)備）2023/2/6化工設(shè)備：

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2023/2/6化工生產(chǎn)自身的特點：1、生產(chǎn)的連續(xù)性強2、生產(chǎn)的條件苛刻介質(zhì)的腐蝕性強；溫度和壓力變化大介質(zhì)大多易燃易爆有毒性生產(chǎn)原理的多樣性

2023/2/6本課程主要內(nèi)容：

1、化工設(shè)備材料及其選擇（第1章）

2、化工容器的設(shè)計（第2-6章）

1）內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的應(yīng)力分析及強度設(shè)計；

2）外壓圓筒與封頭的強度設(shè)計；

3）容器的零部件（法蘭開孔補強）。

3、典型化工設(shè)備的機械設(shè)計（第7-8章）

1）換熱器；

2）塔設(shè)備；

2023/2/6要求：

了解材料的各種性能，影響材料性能的因素，化工設(shè)備常用材料，學(xué)會根據(jù)工藝條件選用化工設(shè)備材料；

掌握薄壁容器筒體與各種封頭的強度、穩(wěn)定設(shè)計原則，掌握中、低壓容器的強度、穩(wěn)定設(shè)計方法；

掌握容器零部件的設(shè)計計算和選用標準；

掌握列管式換熱器、塔設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與機械設(shè)計方法。2023/2/6本章重點：材料的力學(xué)性能及化工設(shè)備材料的選擇本章難點：鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)計劃學(xué)時：8學(xué)時第1章化工設(shè)備材料及其選擇2023/2/61.1概述1.1.1化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性1、操作條件的限制壓力：從高真空到幾千大氣壓,故有強度要求溫度：-250℃～2000℃，材料受冷、熱介質(zhì)：酸堿（腐蝕）、易燃、易爆、毒性以及核反應(yīng)堆中子照射（變脆)2、制造條件的限制設(shè)備在制造過程中，要經(jīng)過各種冷、熱加工使它成型，

例如下料、卷板、焊接、熱處理等，要求材料的加工性能要好。2023/2/61.1概述1.1.2選用材料的一般要求

（1）材料品種應(yīng)符合我國資源和供應(yīng)情況；（2）材質(zhì)可靠，能保證使用壽命；（3）足夠的強度，良好的塑性和韌性，對腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕；（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）成本低，經(jīng)濟上合算。

選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟的原則。2023/2/61.2材料的性能

材料的性能：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能物理性能：密度、熔點、線膨脹系數(shù)、電阻率、彈性模數(shù)、泊桑比等；化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性工藝性能：指在保證加工質(zhì)量的前提下加工過程的難易程度。主要有：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能。2023/2/61.2材料的性能

1.2.1、力學(xué)性能

材料的力學(xué)性能：材料抵抗外力而不產(chǎn)生超過允許的變形或不被破壞的能力。

主要特征指標：強度、塑性、彈性、韌性、硬度等一、強度強度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。

2023/2/6拉伸試驗

試樣按標準制備，然后將試件裝在材料試驗機上，啟動加力機構(gòu)，緩慢增加拉力P直至斷裂為止。

在加力過程中隨時記錄載荷P和相應(yīng)的變形量Δl的數(shù)值。同時還要注意觀察試件變形和破壞的現(xiàn)象。l0=10d02023/2/62023/2/6ε=Δl/l0σ=P/Fo低碳鋼單向拉伸實驗結(jié)果如圖所示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線2023/2/61.2材料的性能

金屬材料的變形和破壞過程：（1）彈性變形階段（2）彈－塑性變形階段（3）斷裂斷裂的兩種形式：脆性斷裂：斷裂之前沒有明顯塑性變形階段的。（更危險）韌性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形之后才發(fā)生斷裂的。2023/2/61.2材料的性能1、低碳鋼在外力作用下的變形和破壞過程強度極限σb屈服強度σs比例極限σp彈性極限σe……2023/2/6（1）彈性變形階段與虎克定律（Ob段）在彈性階段內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成直線關(guān)系E為彈性模量，其單位和應(yīng)力相同，如何理解彈性模量？……(1)(1)式稱為虎克定律，該定律也可用于受壓桿件，但符號為負2023/2/6（2）屈服階段（bc段）在此階段，曲線上升坡度變緩，在C點附近，應(yīng)力幾乎不變的情況下，試件的應(yīng)變量在增加，此時我們認為材料對外力“屈服”2023/2/6屈服

金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時，仍繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象，習(xí)慣上稱為“屈服”。屈服點（σs）

發(fā)生屈服現(xiàn)象時的應(yīng)力．即開始出現(xiàn)塑性變形時的應(yīng)力，稱為“屈服點”，用σs(MPa)表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。注：應(yīng)力不是力，是壓強。2023/2/6載荷不再增加，甚至有所降低時，試件還在繼續(xù)伸長的最小載荷，N試件的原始橫截面積，m22023/2/6（3）強化階段(cd段)材料過了屈服點后，曲線又開始上升，曲線陡度變得十分平緩，這說明材料又具備較弱的抵抗形變的能力，稱強化階段特點：（1）大比例的塑性變形，少量的彈性變形；（2）所加拉力達到最大值2023/2/6（4）頸縮階段（df段）

當(dāng)載荷加到上述最大值后，我們會發(fā)現(xiàn)在試件的某個部位直接突然變細，出現(xiàn)所謂的“頸縮”現(xiàn)象。f點為斷裂點2023/2/6

將從材料開始出現(xiàn)頸縮時的最高名義壓力表示為Pb，其反應(yīng)的是材料抵抗斷裂能力的大小。

抗拉強度（σb）

金屬材料在拉伸條件下，從開始加載到發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力值，叫做抗拉強度。2023/2/6

由于外力形式的不同，有抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度和抗剪強度等?？估瓘姸仁菈毫θ萜髟O(shè)計常用的性能指標。

屈強比（σs/σb）：

屈強比越小，材料的塑性儲備越大，越不容易發(fā)生危險的脆性破壞；屈強比越大，材料的強度水平發(fā)揮好，但塑性儲備越小。

2023/2/6（5）試件斷裂后的處理試件斷裂后，將其對接起來測出其長度l1稱為標距長度，得出總伸長量為（l1-l0），則

δ稱做材料的延長率，其值是評價材料塑性好壞的一個指標，為材料在斷裂前最大能夠經(jīng)受的塑料變形量。2023/2/62.其它材料的拉伸曲線

（1）無屈服階段塑性材料只有彈性和強化階段，沒有明顯的屈服階段，但有良好的塑性。σOεσ-ε曲線錳鋼鎳鋼青銅2023/2/6

無明顯屈服點的材料，工程中規(guī)定發(fā)生0.2％殘余伸長時的應(yīng)力，作為“條件屈服點”，用σ0.2表示。σ-ε曲線σOε0.22023/2/6

在整個拉伸過程中無明顯塑性變形，無屈服無頸縮，拉到一定程度即突然斷裂。拉斷時的應(yīng)力稱為抗拉強度極限σb

。（2）脆性材料σOεσ-ε曲線玻璃鋼灰鑄鐵σb是衡量脆性材料強度的唯一指標。脆性材料σb很低，所以不宜作承拉件。2023/2/6壓縮試驗（了解內(nèi)容）混凝土、石料、木材等非金屬材做成立方體。

金屬材料壓縮試件做成圓柱形，為避免壓彎，取h=(1.5～3)d2023/2/6（1）塑性材料屈服前應(yīng)力-應(yīng)變曲線與拉伸時重合（但越壓越扁，并不會壓潰，所以測不到強度極限）。所以塑性材料一般不作壓縮試驗。壓縮拉伸2023/2/6（2）脆性材料

脆性材料在受壓縮時所顯示的力學(xué)性能的最大特點是抗壓強度限比抗拉強度限高出數(shù)倍

2023/2/63、溫度對材料機械性能的影響（1）溫度對材料力學(xué)性能的影響（短時靜載）短時、靜載：試驗在短時間內(nèi)完成，載荷逐漸增加?？傏厔荩簻囟壬?，E、s

、b下降，增大。2023/2/6

E×105MPa2.52.01.51.00.5μσ/MPaσbσsσp溫度對低碳鋼力學(xué)性能的影響2023/2/6溫度對低碳鋼δ和ψ值的影響2023/2/6低溫對材料力學(xué)性能的影響：

碳鋼、低合金鋼：強度（彈性、屈服點等）提高，脆性增加（延伸率δ↓），具有冷脆性（冷脆現(xiàn)象）。不銹鋼、銅、鋁等無此現(xiàn)象

化工容器中凡是在-20℃以下操作的容器，且容器壁應(yīng)力又達到材料常溫屈服極限的1/6時，定為低溫壓力容器，其選材、設(shè)計、制造、檢驗等均有特殊要求。（自學(xué)內(nèi)容：第2章容器設(shè)計的基本知識）2023/2/6（2）高溫對材料力學(xué)性能的影響（蠕變和應(yīng)力松弛）

1）蠕變：在高溫和長期靜載作用下，即使構(gòu)件上的應(yīng)力不變，塑性變形卻隨時間而緩慢增加，直至破壞。注意：應(yīng)力沒增加，桿自己在變長！P經(jīng)過較長時間后P加靜載2023/2/6蠕變：在高溫時，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時間而增加的現(xiàn)象，或者金屬在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變速度：變形增長的速度叫蠕變速度。蠕變條件：高溫；一定的應(yīng)力。蠕變變形是不可恢復(fù)的塑性變形。蠕變速率與應(yīng)力和溫度成正比。2023/2/6

蠕變極限的物理意義：反映材料在高溫條件下抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。

影響蠕變極限的因素：材料、溫度、變形速度蠕變極限σn：

通常把在某一高溫下，為使試件在10萬小時內(nèi)的塑性應(yīng)變值不超過1％，允許試件能承受的最高應(yīng)力值，稱為材料在該溫度、該蠕變速度條件下的蠕變極限。

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持久強度σD

：在一定高溫下，在規(guī)定時間內(nèi)不發(fā)生斷裂所允許的最高應(yīng)力，稱為材料在該溫度下、該持續(xù)時間內(nèi)的持久強度限。

蠕變極限σn和持久強度σD都是材料的高溫強度指標。2023/2/62）應(yīng)力松弛

應(yīng)力松弛：在一定的高溫下，構(gòu)件上的總變形不變時，彈性變形會隨時間而轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危ㄔ驗槿渥儯?，從而使?gòu)件內(nèi)的應(yīng)力變小的現(xiàn)象。

實例：高溫容器法蘭聯(lián)結(jié)螺栓松弛后使法蘭與墊片間壓緊力減小而發(fā)生泄漏（密封失效）（第6章）

2023/2/6二、塑性

塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。塑性指標是指金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。常用的塑性指標是延伸率（δ）和斷面收縮率（ψ）。1、延伸率（δ）2023/2/6

2、斷面收縮率（ψ）斷面收縮率與尺寸無關(guān)。延伸率和斷面收縮率越大，表示金屬材料的塑性越好。2023/2/61.2材料的性能三、硬度四、沖擊韌性五、缺口敏感性以上為課下自學(xué)內(nèi)容2023/2/61.2材料的性能1.2.2物理性能主要有相對密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性模數(shù)與泊桑比等。1、彈性模數(shù)E

σ=Eε,這個比例系數(shù)E稱為彈性模數(shù)，彈性模數(shù)是金屬材料對彈性變形抗力的指標，是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的，材料的彈性模數(shù)越大．使它產(chǎn)生一定量的彈性變形的應(yīng)力也越大。對同一種材料，彈性模數(shù)隨溫度的升高而降低。2023/2/62、泊桑比μdd1拉伸ε'為橫向線應(yīng)變研究表明在彈性階段桿件的橫向應(yīng)變ε'和軸向應(yīng)變ε之比的絕對值是一個常數(shù)稱為橫向變形系數(shù)或者泊桑比，表示拉伸試驗中試件單位橫向收縮與單位軸向伸長之比。

對于各種鋼材它近乎為一個常