过程设备设计复习资料31Word文档格式.docx

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②可用于制造压力容器的非容器专用钢板，如普通碳素钢中的Q235-A、Q235-B，优质碳素钢中的10、15、20、20g等。

（2）钢板必须按规定的限制条件使用，如设计压力、设计温度、厚度、介质限制、冶炼方法等。

（3）制造压力容器的钢板必须有符合相应国家标准或行业标准规定的、内容齐全的质量证明书。

2、钢管

用于过程设备较高压力的流体输送，材料通常为10、20号钢。

●根据用途和材质，有多个无缝钢管标准，对所使用的无缝钢管，应注明属于哪个标注。

过程设备常用标准：

GB8163-87《输送流体用无缝钢管》

GB9948-88《石油裂化用无缝钢管》

GB6479-86《化肥设备用高压无缝钢管》

●钢管使用时要用法兰、管件、阀门等连接，相连接的两个构件必须具有相同的公称直径（DN）。

eg：

DN200的钢管和法兰连接，钢管外径φ219，法兰内直径φ220。

（2）焊接钢管

输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力的流体（p<

0.6Mpa）,材料可用Q235制造。

3、锻件

（1）根据锻件检验项目和数量的不同，锻件分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。

（2）需焊接的锻件，材料用20号钢，不许焊接的锻件，材料用35或45号钢。

（3）压力容器上使用的锻件不得低于Ⅱ级，若锻件截面尺寸大于300mm，或容器盛装高度或极度危害介质，且锻件截面尺寸达50mm时，级别不得低于Ⅲ级。

4、圆钢、型钢

用于制作支承件、加强圈等，圆钢还可用于制作小尺寸的紧固件。

圆钢材料为Q235-A、20、35号钢等，型钢材料多为Q235-A。

二、钢材类型

按化学成分，压力容器用钢分为三类：

1、碳素钢（C%＜2.06%＝

●普通碳素钢的Q235系列钢板和优质碳素钢均可用于制作压力容器

2、低合金钢

在优质碳素钢的基础上，加入一种或多种合金元素（合金元素总含量在3%以下），以提高钢的强度和改善综合性能。

低合金钢是目前制造压力容器的主要钢材，其强度、韧性、耐腐蚀性等均优于相同含碳量的碳素钢，减轻装备的重量，可节省钢材1/3—2/3。

GB150—1998《钢制压力容器》推荐适用的低合金钢板有：

16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR，其中16MnR是σs350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有优良的力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，是中国压力容器专用钢板中用量最大的钢种。

3、高合金钢（合金元素总含量大于10%）

主要有铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等，如0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐腐蚀和耐高温等特殊场合，如不锈钢、耐热钢等。

*不锈钢中的主要元素是Cr、Ni、Mo、Ti，其中Cr、Ni含量较高。

*不锈钢的耐蚀性主要来源于Cr，实验证明，只有当Cr的含量大于12%时钢的耐蚀性才会大幅度地提高，所以不锈钢中Cr的含量均不低于12%。

Ni可以扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高抗碱腐蚀的能力。

Mo能提高不锈钢抗氯离子腐蚀的能力，并提高钢的耐热强度。

Ti是为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加入的元素。

*复合钢板及其应用

三、有色金属和非金属

1、有色金属

*钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行，以防止氢、氮、氧等进入焊缝，保护焊缝的塑性。

铜及铜合金的特点：

纯铜：

又称紫铜，具有较高的导电性、导热性和良好的塑性。

特点：

低温下能保持较高的塑性和冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料。

耐蚀性：

①在没有氧存在的情况下，在许多非氧化性酸中比较耐腐蚀。

②在氨和铵盐溶液中，当有氧存在时，由于生成可溶性的络离子，故不耐蚀。

所以在氨生产中使用的仪表、泵、阀门等均不能用铜制造。

③铜在大气、水、中性盐及苛性碱中均相当稳定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化氢等气体及潮湿大气中将会受到腐蚀。

黄铜（铜-锌合金）：

具有较高的机械性能，价格较便宜，可用于制作深冷设备筒体、管板、法兰及螺母等。

青铜：

（1）锡青铜（铜-锡合金）

具有很高的耐蚀性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件（如轴瓦、轴套、蜗轮等）和与酸、碱等腐蚀性介质接触的零件。

古代的青铜器即是用锡青铜制造。

（2）无锡青铜（铜中加入铅、铝等其它元素：

强度好、耐蚀性好，价格低廉，常用于制造在蒸气和海水工作条件下的零件及受摩擦耐腐蚀零件。

铝及铝合金的特点：

纯铝（L）：

密度小、重量轻（ρ约为钢的1/3），导电、导热性能好，强度较差，塑性好，有极好的耐蚀性（但不耐碱及盐水），可用于制作储罐、塔、热交换器等设备，也可用于制作防止污染的设备和深冷设备。

铝合金：

（1）防锈铝（LF）：

Al-Mn、Al-Mg合金

具有适中的强度、优良的塑性和耐蚀性，多用于制作深冷设备入液空吸附过滤器、分馏塔等。

（2）硬铝（LY）:

Al-Cu-Mg合金

强度较高，可用于制作深冷设备中的螺栓及其它受力构件。

镍及镍合金：

纯镍：

耐蚀性、耐磨性和硬度都很高，但价格很贵，很少用于制作压力容器。

镍合金：

Ni-Mn、Ni-Cu合金

具有很好的耐腐蚀性能和抗高温性能，但价格较高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。

钛及钛合金：

纯钛：

①密度小、强度高。

②工作温度范围宽，可在-196-350℃范围内使用。

③钛是具有强烈钝化倾向的金属，在氧化性和中性介质中具有优良的耐蚀性，特别是钛不发生晶间腐蚀的特点。

钛合金：

Ti-0.2Pd、Ti-0.3Mo-0.8Ni合金

（1）钛合金可以承受锻造、冲压等压力加工。

（2）钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行，以防止氢、氮、氧等进入焊缝，保护焊缝的塑性。

2、非金属材料

非金属材料的优点：

资源丰富、耐蚀性好、品种多、价格便宜。

缺点：

机械强度较低，耐热性不好，对温度波动比较敏感。

非金属材料通常用于承压不高的结构材料、金属保护村里或涂层、密封材料、保温材料、耐火材料等。

（1）涂料

涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄膜，起耐蚀和保护作用。

（2）工程塑料

工程塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料的特点是在一定温度下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化。

如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等，可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元件、搅拌器等的材料。

（3）不透性石墨

具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，被用来制造热交换器。

（4）陶瓷

具有良好的耐腐蚀性能，一定的强度，被用来制造塔、贮槽、反应器和管件。

（5）搪瓷

搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过9000C左右的高温锻烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。

它具有优良的耐蚀性，较好的耐磨性，广泛用作耐腐蚀、不挂料的反应罐、贮罐、塔和反应器等。

3-2压力容器制造工艺对钢材性能的影响

1、塑性变形

2、焊接

3、热处理

自学

1

1、了解塑性变形对钢材性能的影响

2、了解焊接对钢材性能的影响

3、了解热处理对钢材性能的影响

焊接对钢材性能的影响

在压力容器制造中，往往先将钢板经过冷加工或热加工，使它变成所要求的零件形状，再通过焊接将各零部件连接在一起。

因此，有必要研究冷、热加工造成的塑性变形和焊接工艺对材料性能的影响。

一、塑性变形

1、加工硬化

在常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿变形最大的方向伸长，晶格和晶粒扭曲，产生内应力，从而引起力学性能的变化。

随着变形程度增大，钢的强度及硬度升高，而塑性下降。

这种随变形程度的增大，强度增加而塑性降低的现象称为加工硬化。

热变形和冷变形

凡是在重结晶温度以上进行的塑性变形，称为热变形或热加工;

反之，在重结晶温度以下进行的塑性变形称之为冷变形或冷加工。

2、各向异性

纤维组织和带状组织使金属材料的力学性能产生方向性，平行纤维组织方向的强度、塑性和韧性提高高，而垂直纤维组织方向的塑性和韧性降低。

变形程度越大，纤维组织越明显，性能差异也越显著。

二、焊接

焊接是两种或两种以上材料，在加热或（和）加压的状态下，通过原子或分子之间的结合和扩散，形成永久性连接的工艺过程。

1、焊接接头的组织和性能

2、焊接应力与变形、减少焊接应力和变形的措施

（1）尽量减少焊接接头数量；

（2）相邻焊缝间应保持足够的间距；

（3）尽可能避免交叉；

焊缝不要布置在高应力区；

（4）焊前预热等。

3、焊接缺陷和焊接接头的检验

3-3环境对压力容器用钢性能的影响

1、温度

2、介质

3、加载速率

1、了解温度对压力容器用钢性能的影响

2、掌握介质对压力容器用钢性能的影响

3、了解加载速率对压力容器用钢性能的影响

1、温度对压力容器用钢性能的影响

2、介质对压力容器用钢性能的影响

一、温度

1、短期静载下温度对钢材力学性能的影响

（1）低温变脆现象

（2）脆性转变温度

2、高温、长期静载下钢材的性能

（1）蠕变现象

（2）蠕变曲线

（3）蠕变极限与持久强度

3、高温下材料性能的劣化

二、介质

1、腐蚀的类型

（1）电化学腐蚀

指金属在电解质中，由于各部位电位不同，造成微电池，在电子交换过程中产生电流，作为负极的金属被逐渐溶解的一种腐蚀

（2）化学腐蚀

指金属在干燥气体或无电解质存在的环境中，受物质的直接作用，作用过程中不产生电流，而腐蚀的产物直接生成在反应的表面区域。

●晶间腐蚀

晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀，腐蚀是沿晶粒边界和它的邻近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀则很轻微。

引起晶间腐蚀的环境有电解质溶液、过热水蒸气、高温水和熔融金属等。

晶间腐蚀必须在腐蚀环境中，并且晶界物质的物理化学状态与晶粒本体不同时，才能产生。

●小孔腐蚀

又称孔蚀,腐蚀集中在金属表面的局部地区的小孔上，小孔腐蚀可以使金属材料穿孔破坏，而重量丢失却往往很少，因此也是一种破坏性大的局部性腐蚀。

孔蚀常发生在静滞的液体中，提高流速就可减轻小孔腐蚀，此外，在不锈钢中增加钼的含量和尽量降低介质中的氯离子、碘离子的含量，均可有效地减少小孔腐蚀。

●缝隙腐蚀

换热管与管板连接处、法兰的连接面等缝隙处，如果介质处于停滞状态引起浓度增加，就会加速这些缝内金属材料的腐蚀，这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。

为了尽量避免缝隙腐蚀，在压力容器的结构设计中，常采取措施避免或减少缝隙形成，如避免介质的流动死角或死区，要使液体做到能完全排净；

采用胀焊并用，减少管子和管板间的间隙等。

（3）应力腐蚀

是金属材料在拉伸应力和特定腐蚀介质的共同作用下导致韧性材料迅速开裂和发生早期破坏的现象。

零件寿命要短于应力或腐蚀环境单独作用时的寿命，破坏时的应力水平较低，往往没有明显预兆，断裂是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。

①应力腐蚀的特征：

a．拉伸应力

b．特定合金和介质的组合

c．一般为延迟脆性断裂

②预防应力腐蚀的措施:

a.合理选择材料

b.减少或消除残余拉应力

c.改善介质条件

d.涂层保护

三、载荷形式

（1）加载速率

（2）疲劳破坏

①疲劳破环的特征

②防止疲劳破坏的措施

四、材料性质劣化

①石墨化

②回火脆化

3-4压力容器材料选择

1、压力容器用钢的基本要求

2、选择压力容器钢材应考虑的因素

3、压力容器选材的基本原则

0.5

1、了解压力容器用钢的基本要求

2、了解选择压力容器钢材应考虑的因素

3、了解压力容器选材的基本原则

压力容器选材的基本原则

一、压力容器用钢的基本要求

1、化学成分（C、P、S等）

2、力学性能（强度、钢度、塑性、韧性等）

3、制造工艺性能（机加工性能、压力加工性能、焊接性能、铸造性能、热处理性能等）二、选择压力容器钢材应考虑的因素

（1）材料的性能

①分析构件的工作条件，确定构件应具有的使用性能。

②通过失效分析，确定构件的主要使用性能。

③从构件主要使用性能要求出发，提出对材料使用性能的要求。

（2）材料的加工工艺性能

（3）材料的经济性

（4）材料的选择应符合规范标准的要求

三、选择压力容器材料的原则

（1）综合考虑各种因素选择压力容器用钢，应综合考虑容器的结构、环境条件和制造工艺，以及材料的力学性能、焊接性能、冷热加工性能。

（2）符合规范标准要求，使用范围应符合材料生产国相应规范和标准的规定。

（3）强度和塑性、韧性的合理匹配提高材料强度。

（4）合理利用材料性能。

补充：

压力容器的失效形式

1、过度变形

在外载荷作用下，过程设备的壳体及其附件将产生一定的变形，一些部件尽管强度足够，但是如果变形过大，同样有可能导致功能的丧失，造成失效。

造成过度变形的原因主要是过载和刚度不够。

过程设备中，过度变形引起失效的例子很多。

如塔设备中的一些附件，如塔板等，如果刚度不足，造成变形过大，轻则影响生产，使液体偏流，重则使内件过早破坏，降低使用寿命。

搅拌反应装置中，搅拌器若设计不当，搅拌时会产生过大的变形，或者使局部地区搅拌不均，严重时可以碰到器壁，损坏壳体。

2、断裂

断裂是一个过程。

一般把结构的宏观断裂过程分为裂纹萌生和裂纹扩展两个阶段。

断裂过程从裂纹萌生一直进行到使构件断口二侧完全分离开为止。

在实际工程结构上，存在着各种冶金缺陷和制造缺陷等。

例如：

缩孔、疏松、未焊透等各种几何非连续性缺陷，这些缺陷常常就是断裂的起点。

对压力容器，根据断裂时结构的变形程度，一般分为韧性断裂和脆性断裂。

金属韧性断裂、脆性断裂的区别：

区分依据

脆性断裂

韧性断裂

断裂前宏观形变

较小

较大

断裂能

小

大

宏观断口

结晶状（颗粒状）

纤维状

断口与主应力的关系

完全正断

有450剪切

裂纹扩展速度

快

慢

发生韧性断裂的原因主要有：

a、运行中超温超压

b、材料选择不当或安装不符合要求

发生脆性断裂的原因主要有：

a、材料中存在缺陷

b、受到拉应力的作用

c、材料的韧性较差