1、2020/8/31,化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)Fundamental Chemical Process Equipment,山西省工貿(mào)學(xué)校 主講：溫鵬飛 2011靜樂培訓(xùn),2020/8/31,個(gè)人信息,溫 鵬 飛,姓名,Tel,Q Q,郵箱124390274,2020/8/31,緒 論,化工生產(chǎn)和化工機(jī)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(jì)規(guī)定的產(chǎn)品為目的的工業(yè)生產(chǎn)。化工生產(chǎn)過程不僅取決于化學(xué)工藝過程，而且與化工機(jī)械裝備密切相關(guān)，化工機(jī)械是化工生產(chǎn)得以進(jìn)行的外部條件，所以先進(jìn)的化工機(jī)械，一方面為化學(xué)工藝服務(wù)，另一方面又促進(jìn)化學(xué)工藝

2、過程的發(fā)展。 化工機(jī)械通常分為：化工設(shè)備和化工機(jī)器,2020/8/31,化工設(shè)備：,緒 論,2020/8/31,緒 論,2020/8/31,緒 論,2020/8/31,化工生產(chǎn)自身的特點(diǎn)： 1、生產(chǎn)的連續(xù)性強(qiáng) 2、生產(chǎn)的條件苛刻 介質(zhì)的腐蝕性強(qiáng) ；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 生產(chǎn)技術(shù)含量高,緒 論,2020/8/31,本課程主要內(nèi)容：1、化工設(shè)備材料及其選擇2、化工容器的設(shè)計(jì) 1）內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的應(yīng)力分析及強(qiáng)度設(shè)計(jì)； 2）外壓圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)； 3）容器的零部件（法蘭 支座 開孔補(bǔ)強(qiáng) 附件：接口管 凸緣 人、手孔 視鏡）。3、典型化工設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì) 1）

3、換熱器； 2）塔設(shè)備； 3）攪拌器。,緒 論,2020/8/31,本章重點(diǎn)：材料的力學(xué)性能及化工設(shè)備材料 的選擇 本章難點(diǎn)：材料的性能 計(jì)劃學(xué)時(shí)： 8學(xué)時(shí),第1章 化工設(shè)備材料及其選擇,2020/8/31,1.1 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(qiáng)度要求 溫度：-2502000，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。 3、材料自身性能的限制,2020/8/31,

4、1.1 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(qiáng)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(jì)上合算。 選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。,2020/8/31,1.2 材料的性能,1.2.1、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，叫做材料的力學(xué)性能。主要特征指標(biāo)包括強(qiáng)度、塑性、韌性和硬度，這是設(shè)計(jì)時(shí)選用材料的重要依據(jù)。 1、強(qiáng)度 強(qiáng)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。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)

5、度等。,2020/8/31,1.2 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(xiǎn)） 韌性斷裂：經(jīng)過大量塑性變形之后才發(fā)生 斷裂的。,2020/8/31,1.2 材料的性能,（1）屈服點(diǎn)（s） 金屬材料承受載荷作用，當(dāng)載荷不再增加或緩慢增加時(shí)，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”。發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力即開始出現(xiàn)塑性變形時(shí)的應(yīng)力，稱為“屈服點(diǎn)”，用s (MPa)表示。它即代表材料抵抗產(chǎn)生塑性變形的能力。,載荷不再增加，甚至有所降低時(shí)，試件還在繼續(xù)伸長的最小載荷，

6、N,試件的原始橫截面積，m2,2020/8/31,1.2 材料的性能,無明顯屈服點(diǎn)的材料，工程中規(guī)定發(fā)生0.2殘余伸長時(shí)的應(yīng)力，作為“條件屈服點(diǎn)” 。 （2）抗拉強(qiáng)度（ b ） 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(qiáng)度。,2020/8/31,1.2 材料的性能,由于外力形式的不同，有抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等?？估瓘?qiáng)度是壓力容器設(shè)計(jì)常用的性能指標(biāo)。 屈強(qiáng)比（ s / b ）： 屈強(qiáng)比越小，材料的塑性儲備越大，越不容易發(fā)生危險(xiǎn)的脆性破壞； 屈強(qiáng)比越大，材料的強(qiáng)度水平發(fā)揮好，但塑性儲備越小。 (3) 蠕變極限（ n ）,2020/8/31,1.2

7、材料的性能,高溫 （比如：碳素鋼420，合金鋼450）,一定應(yīng)力,聯(lián)合作用下,金屬將逐漸產(chǎn)生塑性變形,2020/8/31,1.2 材料的性能,蠕變：在高溫時(shí)，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)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。 蠕變極限：材料在高溫條件下抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。表現(xiàn)為兩種： a 在工作溫度下引起規(guī)定變形速度的應(yīng) 力值； b 在一定工作溫度下，在規(guī)定的使用時(shí)間 內(nèi)，使試件發(fā)生一定量的總變形的應(yīng)力 值。,2020/8/31,1.2 材料的性能,（4）持久強(qiáng)度（ D或105 ） （5）疲勞 強(qiáng)度（ 1 ） 2、塑性 塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形

8、的能力。塑性指標(biāo)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(biāo)是延伸率（）和斷面收縮率（）。 （1）延伸率（ ）,2020/8/31,1.2 材料的性能,手冊中常見的是10和5。 越大，材料的塑性越好。 （2）斷面收縮率（）,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。 （3）冷彎角 對焊接工藝試板和產(chǎn)品，必須做冷彎實(shí)驗(yàn)。,2020/8/31,1.2 材料的性能,3、硬度 衡量材料軟硬的一個(gè)指標(biāo)，一般用： 布氏硬度（HBS、HBW），較軟； 洛氏硬度-HRC，較硬； 維氏硬度-HV，另有顯微硬度。 4、沖擊韌性 韌性是表示材料彈塑性變形為斷裂全過程

9、吸收能量的能力，也就是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。我們常用沖擊韌性來表示材料承受動載荷時(shí)抗裂紋的能力，用缺口敏感性表示材料承受靜載荷時(shí)抗裂紋擴(kuò)展的能力。,2020/8/31,1.2 材料的性能,（1）沖擊韌性 材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用沖擊吸收功AK或沖擊韌度K表示。 沖擊功 AK=GH1-GH2， 沖擊韌度 K= AK/F（F為面積）,2020/8/31,1.2 材料的性能,斷裂機(jī)理： 沖擊試樣在受到擺錘突然打擊發(fā)生斷裂時(shí)，它的斷裂過程是一個(gè)裂紋發(fā)生和擴(kuò)展的過程。在裂紋向前發(fā)展的道路中，如果塑性變形能發(fā)生在它的前面，就可以制止裂紋的長驅(qū)直入。它要繼續(xù)發(fā)展，就需另找途徑，這樣

10、就能消耗更多的能量。因此，沖擊吸收功的高低，決定于材料有無迅速塑性變形的能力。,2020/8/31,1.2 材料的性能,（2）缺口敏感性 在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴(kuò)張的能力，是在靜載荷下抵抗裂紋擴(kuò)張的能力，這一點(diǎn)與沖擊韌性不同。兩者都屬于材料的韌性范疇。 （也是通過試驗(yàn)方法獲得，一般在油壓機(jī)上進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，測定材料的缺口敏感性。）,2020/8/31,1.2 材料的性能,韌性與塑性： 韌性是材料在外加動載荷突然襲擊時(shí)的一種及時(shí)和迅速塑性變形的能力。韌性高的材料，一般都有較高的塑性指標(biāo)；但塑性較高的材料，卻不一定都有高的韌性。其所以如此，就是因?yàn)殪o載荷下能夠緩慢塑性變形的材料

11、在動載荷下不一定能迅速塑性變形。 在材料的力學(xué)性能所包括的強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度四個(gè)指標(biāo)中，強(qiáng)度和塑性占主導(dǎo)地位，但使用時(shí)要考慮溫度的變化。,2020/8/31,1.2 材料的性能,1.2.2 物理性能 主要有相對密度、熔點(diǎn)、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 =E,這個(gè)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(biāo)，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。 2、泊桑比 泊桑比是拉伸試驗(yàn)中試件單位橫向收縮與單位縱向伸長之比。,2020/8/31,1.2

12、材料的性能,對于各種鋼材它近乎為一個(gè)常數(shù)，即 0.3。 3、線膨脹系數(shù)l,式中， l試件原始長度，mm； l試件伸長量，mm； t溫度差，。,2020/8/31,1.2 材料的性能,1.2.3 化學(xué)性能 （主要指耐腐蝕性和抗氧化性） 1、耐腐蝕性： 金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力。 2、抗氧化性： 在高溫工作條件下，設(shè)備不僅有自由氧的氧化腐蝕過程，還有其他氣體介質(zhì)（如水蒸氣，CO2、SO2等）的氧化腐蝕作用。,2020/8/31,1.2 材料的性能,2020/8/31,1.2 材料的性能,1.2.4 加工工藝性能 金屬和合金的加工工藝性能是指鑄造性、可鍛性、可焊性

13、、切削加工性、熱處理性能等。對于設(shè)計(jì)壓力容器最重要的兩個(gè)性能是： 1、良好的冷熱加工性能 例A：用鋼板卷制筒體，如果不好會發(fā)生裂紋，存在事故的隱患。 例B：沖壓封頭，微裂紋或宏觀裂紋，都會使以后的生產(chǎn)造成事故。 2、良好的焊接性能 例：容器焊縫裂紋擴(kuò)展，易造成事故。,2020/8/31,1.3 金屬材料的分類及牌號,1.3.1 分類 1、金屬的分類,2020/8/31,1.3 金屬材料的分類及牌號,2、鋼的分類,2020/8/31,1.3 金屬材料的分類及牌號,1.3.2 鋼鐵牌號及表示方法 1、牌號表示原則（GB/T 221-2000） 牌號中化學(xué)元素用化學(xué)符號或漢字表示； （ 如：1鉻13

14、或1Cr13） 產(chǎn)品用途、治煉和澆注方法采用漢字或拼 音字母并用的原則。 （如：Q235F F-沸騰鋼） （表14） 2、鋼號表示法 目前制造壓力容器所用鋼材，一般有三大類別：碳鋼、合金鋼、和特殊性能鋼，其中碳鋼又分為普通碳素鋼與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。,2020/8/31,1.3 金屬材料的分類及牌號,普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 GB700-88規(guī)定，其牌號由代表鋼材屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)的數(shù)值、材料質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號四部分組成。如Q235AF。其鋼號和化學(xué)成分、力學(xué)性能見表16、17。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 鋼號表示方法如表15，其鋼號和化學(xué)成分見附錄2，P297。,2020/8/31,1.3 金屬材料的分

15、類及牌號,低合金鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼 鋼號的表示方法有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)： GB159188，見表15 GB/T159194，見表19 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的對照見表110 合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素，比如Si，Mn，Cu，Ti，V，Nb，P等，從而提高鋼的強(qiáng)度、耐腐蝕性、低溫性能，如大型化工容器常用16MnR，15MnVR，15MnTi 來代替碳素鋼制造容器，可以在保證強(qiáng)度的情況下，使容器壁厚減少，從而節(jié)省鋼材30% 45%左右。,2020/8/31,1.3 金屬材料的分類及牌號,特殊性能鋼 鋼號表示法見表15。 特殊性能鋼主要指不銹耐酸鋼； 不銹：指耐大氣腐蝕； 耐酸：抗酸和其它強(qiáng)腐蝕介質(zhì)。 不銹耐酸鋼

16、根據(jù)合金元素的不同，分為三個(gè)大類。 第一類 鉻不銹鋼（常用的：1Cr13，2Cr13） 第二類 鉻鎳不銹鋼 （典型的：188） 第三類 節(jié)鎳不銹鋼,2020/8/31,1.3 金屬材料的分類及牌號,3、鑄鐵、鑄鋼牌號表示法 鑄鐵GB561285 鑄鋼GB/T 56131995 表示方法見表111。,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,鋼和鑄鐵統(tǒng)稱為鐵碳合金 鋼 含碳量為0.022.0 鑄鐵含碳量大于2.0 純鐵含碳量小于0.02 1.4.1 鐵碳合金的組織與結(jié)構(gòu) 1、金屬的組織與結(jié)構(gòu) 晶體：原子按一定規(guī)律排列很整齊 非晶體：原子排列雜亂無章 鐵碳合金內(nèi)部的區(qū)別，用金相顯微鏡來觀察： 組織金

17、屬的晶粒 結(jié)構(gòu)金屬原子的排列 金屬內(nèi)部的組織和結(jié)構(gòu)不同，金屬材料的性能也不同。,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,鐵原子在空間排列的方式： 面心立方晶格八個(gè)原子構(gòu)成立方體，在立方體的每一面的中心還有一個(gè)原子，塑性好。 體心立方晶格在立方體的體積中心還有一個(gè)原子，強(qiáng)度高。 密排六方晶格由12個(gè)原子構(gòu)成簡單六方體，且在上下兩個(gè)六方面的中心各有一個(gè)原子，在上、下兩個(gè)六方面的中間還有三個(gè)原子。,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,2、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 工業(yè)純鐵含0.100.20的雜質(zhì)，凝固點(diǎn)1538 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象。,面心立方晶格 9101390 塑性好

18、,體心立方晶格 910以下 強(qiáng)度好,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,3、鐵與碳的相互關(guān)系和碳鋼的基本組織 在鐵中加入少了量碳，組成鐵碳合金，可獲得適于工業(yè)上應(yīng)用的各種優(yōu)良性能。碳在鐵中以固溶體、化合物和混合物的形式存在，可以形成以下幾種基本組織： 1）鐵素體F 2）奧氏體A 3）滲碳體C 4）珠光體P 5）萊氏體L 6）馬氏體M,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,1.4.2 鐵碳合金狀態(tài)圖 描述鐵碳合金內(nèi)部組織、成分與溫度關(guān)系的圖?？v坐標(biāo)表示溫度，橫坐標(biāo)表示含碳量的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。圖1-12 1、碳鋼在常溫下的組織 C C 0.77%。 C2.1% 鑄鐵-亞共晶白口鐵4.3%C2.1% 共晶白口鐵 C =4.3% 過共晶白口鐵6.69%C4.3%,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,2、臨界點(diǎn)及其意義 1）主要點(diǎn),2020/8/31,1.4 碳鋼和鑄鐵,2、主要線 ACD -液相線 AECF-固相線 GS（A3）-F、A互相轉(zhuǎn)變線 ES（Acm）-碳在A中的溶解度曲線 ECF-共晶轉(zhuǎn)變線，