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1、化工生产条件的特殊性及对材料的要求化工生产条件复杂：温度从低温到高温，压力从真空到高压，介质具有易燃、有毒及强腐蚀性对材料的要求：安全性和经济性化工设备常用材料：金属材料、非金属材料、复合材料材料的基本性能机械性能、化学性能、物理性能、加工工艺性能机械性能：材料在外力作用下表现出来的特性，包括强度、塑性、韧性、硬度强度：材料抵抗外载荷能力大小的指标。常用的强度指标有屈服极限s（MPa）和强度极限b（MPa），是确定材料许用应力的主要依据。塑性：材料在破坏前变形能力的大小。塑性指标有延伸率（%）和断面收缩率（%）。化工设备用材要求=15%20%以上。应力=P/A 应变=(l-l0)/l0韧性：材
2、料对缺口或裂纹敏感程度的反映。材料韧性好坏通常用冲击韧性k（J）表示，韧性好的材料，具有较好的防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展的能力。硬度：材料对局部塑性变形的抵抗能力。常用硬度指标有布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）等。硬度大小反映材料的耐磨性能和切削加工的可能性。化学性能：材料在所处的介质中的化学稳定性，即材料是否会与介质发生化学和电化学作用而引起腐蚀。主要是耐腐蚀性和抗氧化性。物理性能：材料的导热系数、线膨胀系数、导热性、导电性、磁性、弹性模数与泊桑比等。加工工艺性能：材料的可焊性、可锻性、可铸性、切削加工和热处理性能和冷弯性等化工设备常用材料一、碳素钢由铁和碳两种基本元素组成。根据钢材的
3、质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。 1. 普通碳素结构钢 含硫、磷杂质较多，强度不高，但成本较低。按不同的质量保证条件分为A、B、C、D四个等级。 钢的牌号由代表钢材屈服极限的字母Q、屈服极限值、质量等级和脱氧方法符号四部分组成，如Q235-AF。 普通碳素结构钢可用来制造常压、低压及外压设备的壳体，也可制作设备的零部件如支座、法兰、螺栓和螺母等。2. 优质碳素结构钢 含硫、磷杂质较少（S0.04%，P0.04%），冶炼工艺严格，质量好、强度高，但成本较高。 钢的牌号用钢中含碳量的万分之几表示，如20，表示平均含碳量为0.20%的优质碳素结构钢。对于某些行业用钢，则在数字后加上相应代号，
4、如R表示容器用钢，G表示锅炉用钢等。 根据钢含碳量的不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。（1）低碳钢 含碳量0.25%，钢号有08、10、15、20、25。钢的强度较低，但塑性好，焊接性能好，广泛应用于化工设备中。（2）中碳钢 含碳量在0.3%0.6%之间，钢号有30、35、40、45等。这类钢的强度较高，塑性、韧性较好，焊接性能较差，不适用于容器用钢，可作为轴、齿轮、螺栓等用钢。（3）高碳钢 含碳量0.6%。这类钢的强度、硬度高，但塑性及焊接性能差。这类钢常用来制造工具。二、普通低合金钢 是在碳钢的基础上添加少量合金元素（总量不超过5）冶炼成的。钢的强度高，焊接性能好，并有较高的耐蚀和耐高温、低
5、温的性能。 钢的牌号是以平均含碳量的万分之几加上合金元素符号及合金元素平均含量的百分之几表示，合金元素含量小于1.5%的不标出。例如16Mn，“16”表示平均含碳量为0.16%(0.12% 0.2%)，“Mn”表示Mn元素，且含量小于1.5%。 普通低合金钢的综合性能优于碳素钢，广泛用于制造压力容器，如16MnR、15MnVR、18MnMoNbR等。 低温容器用钢有16MnDR、09Mn2VDR等。 高温（400 600）用钢有15CrMoR、12Cr2MoR等。三、不锈钢 在大气、水及弱腐蚀性介质中耐蚀的高合金钢称为不锈钢，在各种化学试剂和强腐蚀性介质中耐蚀的高合金钢称为不锈耐酸钢，习惯上将
6、两者通称为不锈钢。根据钢的化学成分不同，不锈钢可分为铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等。 不锈钢牌号表示为：“含碳量的千分之几、合金元素、合金元素百分之几”。含碳量大于0.08%的为高碳级不锈钢，钢号前为“1”，如1Cr18Ni9Ti；含碳量0.08%，钢号前为“0”，如0Cr18Ni9；含碳量0.03%，钢号前为“00”，如00Cr18Ni11；含碳量0.01%，钢号前为“000”，如000Cr18Ni9。 不锈钢对许多介质都有良好的耐腐蚀性能，耐热性及低温性能好，广泛用于食品、化工、原子能等部门。四、铸铁 铸铁是含碳量约为2% 4.5%的铁碳合金，其中S、P、Si、Mn等杂质的含量较高。常用的铸铁有
7、以下几种。1. 灰铸铁 碳元素以自由状况的片壮石墨形式存在于合金中，断口呈灰色。它的抗拉强度低，承压能力强，常用来制造机座、泵体、常压容器等。牌号举例HT100，HT表示灰铸铁，100指材料的抗拉强度b=100MPa。常用的牌号有HT100、HT200、HT350等。 2. 球墨铸铁 合金中加入少量球化剂和石墨化剂，使碳元素呈球状。它的机械性能接近于钢，但价格低于一般钢，常用来制造曲轴、连杆等。牌号举例QT400-18，QT表示球墨铸铁，400指b=400MPa，18指伸长率为18%。常用牌号有QT450-10、QT500-7、QT800-3、QT700-2等。3. 可锻铸铁 合金中的碳元素呈
8、团絮状石墨形式，与灰铸铁相比有较好的塑性和韧性，又比钢具有更好的锻造性能，常用于截面较薄而形状复杂的轮壳、管接头等。根据组织成分和性能分为：具有一定韧性和较高强度的黑心可锻铸铁KTH，强度较高、耐磨性好的珠光体可锻铸铁KTZ及韧性和加工性能均较好的白心可锻铸铁KTB。牌号举例KTH300-06，KTH表示黑心铸铁，300指b=300MPa，06指伸长率为6%。常用牌号有KTH330-08、KTH370-12；KTZ450-06；KTB350-04、KTB450-07等。4. 耐蚀、耐热、耐磨铸铁 在铸铁中加入硅等元素可大幅度地提高铸铁的耐蚀性，它对硫酸、室温下的盐酸、浓硝酸和有机酸等有良好的耐
9、蚀性，将这种铸铁称为耐蚀铸铁或高硅铸铁STSi15R；在铸铁中加入Cr等元素形成耐热铸铁RTCr；在铸铁中加入Mn等元素形成耐磨铸铁MQTMn6或抗冲击又耐磨的抗磨铸铁KMTBMn5W3等。化工设备常用材料金属材料 碳素钢普通碳素结构钢 : Q235-AF 优质碳素结构钢 :低碳钢、中碳钢、高碳钢 普通低合金钢不锈钢铸铁 :灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、 耐蚀耐热耐磨铸铁有色金属及其合金 : 铝、铜、铅、钛及其合金非金属材料 无机材料: 化工陶瓷、化工搪瓷、玻璃、石墨有机材料: 塑料、玻璃钢、橡胶五、有色金属及其合金 化工设备常用有色金属有铝、铜、铅、钛及其合金。1. 铝及铝合金 铝具有高的导电
10、、导热性，且塑性好。铝在中性及近中性的水及大气中有很高的稳定性，在氧化性酸或盐溶液中也十分稳定。例如铝在浓硝酸中的耐蚀性比不锈钢还高，所以常用在浓硝酸的生产中。铝在大多数有机介质中有良好的耐蚀性。在有机的食物酸中不沾污，无毒害，也不会改变保藏物品的颜色，所以常用于食品工业。由于铝的导热系数高，在低温下仍能保持较好的塑性，常用于制造深冷设备。 纯铝强度低，使用受到一定限制，加入某些合金元素如Cu、Mg、Mn、Si等可以使其强化。Al-Cu合金（硬铝）耐蚀性较差，Al-Mn、Al-Mg、Al-Mg-Si等合金耐蚀性好。2. 铜及铜合金 纯铜又称紫铜。铜具有良好的导电、导热性和塑性。铜在大气、水、海
11、水和中性盐溶液中耐蚀，在稀H2SO4、HCl等非氧化性介质中也很稳定。但在氧化性介质及有氧的碱中不耐蚀。 铜与锌的合金称为黄铜，其耐蚀性一般与纯铜差不多，常用来作海水的热交换器等。 铜与锡、铝、铅、锑等组成的合金称为青铜，它具有较高的耐蚀性和耐磨性，常用来制作轴瓦等耐磨零件。3. 铅及铅合金 铅对稀H2SO4、特别耐蚀,在浓度低于80%的热硫酸（85 以上）和96%以下的冷硫酸以及硫酸盐溶液中具有良好的耐蚀能力。纯铅的强度低、硬度小，一般作设备衬里。 铅锑合金称为硬铅，它的强度、硬度较纯铅高，耐蚀性与纯铅类似，常用来制造输送硫酸的泵、管道和阀门等。 铅属于有毒金属，铅及其合金不允许用于食品和医
12、药工业。4. 钛及其合金 钛具有低密度和高强度，且有很好的耐蚀性。在钛中添加锰、铝或铬、钒等合金元素成为钛合金。均是很好的耐热材料。六、非金属材料 非金属材料种类很多，根据材料性质可分为无机材料和有机材料两类。按使用方法可分为结构材料、衬里材料、镀层材料、涂料及浸渍材料。1. 无机材料 常用无机材料有化工陶瓷、化工搪瓷、玻璃及石墨等。 化工陶瓷主要原料是粘土和助熔剂，用水混合后经过干燥和高温焙烧，形成表面光滑、断面像细密石质的材料。具有优良的耐蚀性能，除了氢氟酸、硅氟酸及热和浓碱液外，几乎能耐一切介质腐蚀。但它的强度低、性脆，并且导热系数小、热膨胀系数较大，因此不耐冲击，局部过热或剧冷、剧热易
13、损坏。化工陶瓷常用来制造接触强腐蚀介质的塔器、泵、管道、瓷砖等。 化工搪瓷由含硅量高的瓷釉通过高温煅烧，使瓷釉密着在金属胎表面而形成。除氢氟酸、含氟化物溶液、浓热磷酸及强碱外，对各种浓度的无机酸、有机溶剂和弱碱等均耐蚀。但搪瓷层与钢铁热膨胀系数相差大，适应温度剧变的性能不太高，急冷、急热易引起瓷釉层破裂，故使用温度最高不超过300，温度急变的温差不超过120。化工搪瓷制品有反应釜、贮槽、塔器、热交换器、管子等。 玻璃具有良好的耐蚀性和热稳定性，但不耐冲击，耐温度剧变性能差。常用玻璃制作反应器、热交换器、泵及管道等。2. 有机材料 化工上常用的有机材料有塑料、橡胶等。 塑料是作为化工设备结构材料
14、的一种主要的有机高分子材料。塑料的种类很多，常用的有硬聚氯乙烯、酚醛塑料、玻璃钢等。 硬聚氯乙烯具有良好的耐腐蚀性，且具有一定的机械强度，成型加工和焊接比较方便，所以在硝酸、盐酸、硫酸和氯碱等生产系统中，广泛用来制作贮槽、塔器、泵及管道。一般使用温度为-1050 。 酚醛塑料具有良好的耐蚀性和热稳定性，耐大部分非氧化性酸及有机溶剂的腐蚀，但不耐强氧化性酸的腐蚀。其温度使用范围较广。其缺点是冲击韧性低，使用中应防止冲击。常用酚醛塑料制作管件、阀门及设备衬里等。 玻璃钢是玻璃纤维或玻璃纤维制品与热固性树脂组成的复合材料，具有很高的强度，良好的耐蚀性，以及成型加工性能好的优点。可制作容器、贮槽、反应
15、罐、泵、管道等。 橡胶分天然橡胶和合成橡胶两类，它们都具有很好的耐酸耐碱性，可作为设备的防腐蚀衬里。七、材料数据库 材料的型号繁多，品种各异，而且每一种材料都有其不同的具体化学成分和性能。而把这些信息做成材料的数据库，可以很方便地进行查询，以满足工程实际需要。材料的数据库应包括材料的型号、化学成分、力学性能、物理性能、耐腐蚀性能等工程常用参数。化工设备的腐蚀与防护一、 金属腐蚀的原理 腐蚀是金属及其合金与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏。按腐蚀的原理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。1. 化学腐蚀 （1）铁碳合金的高温氧化及脱碳 金属与环境介质的氧化合生成金属氧化物的过程是一种很普遍的腐
16、蚀方式。在腐蚀过程中，金属原子失去电子变成金属离子，氧原子获得电子变成氧离子 2Fe+O2=2FeO 在570以下氧化时，生成的氧化膜由Fe3O4和Fe2O3组成，它们的组织结构致密、稳定，具有较好的保护作用。 在570以上氧化时，生成的氧化物有FeO、Fe3O4和Fe2O3三种，氧化层主要成分为FeO，它结构疏松，容易剥落，不起保护作用，使碳钢被腐蚀。 在700 以上高温的场合，在氧化的同时，钢还发生脱碳作用，使碳钢的力学性能下降。 Fe3C+O2=3Fe+CO2； Fe3C+CO2=3Fe+2CO； Fe3C+H2O=3Fe+CO+H2（2）铁碳合金在高温下的氢腐蚀 钢材受高温高压氢气作用
17、而变脆甚至破裂的现象称为氢腐蚀。一般将钢材的氢腐蚀分为两个阶段：氢脆阶段和氢侵蚀阶段。 氢脆阶段：当温度和压力较低、或钢材与氢气接触时间较短时，氢被钢材吸附，并以原子状态沿晶界向钢材内部扩散。使钢材韧性降低、材料变脆。 氢侵蚀阶段：当温度、压力较高时，或钢材与氢气接触时间很长时，溶解在钢材中的氢气与钢中的渗碳体（Fe3C）发生脱碳反应生成甲烷气，从而改变了钢材的结构 Fe3C+2H2 3Fe+CH4 生成的甲烷气聚集在晶界原有的微观孔隙内，形成局部高压，造成应力集中，在钢材中形成大量细小的晶界裂纹和气泡，使钢材的机械性能大为降低，甚至发生开裂破坏。 铁碳合金的氢腐蚀随着压力和温度的升高而加剧。
18、通常铁碳合金产生氢腐蚀有一起始温度和压力，它是衡量钢材抵抗氢腐蚀能力的一个指标。 为了防止氢腐蚀的发生，可以降低钢中的含碳量。还可以在钢中加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ni、Ti等，与钢中的碳形成稳定的碳化物。2. 电化学腐蚀 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液相接触产生电化学作用而引起的破坏。腐蚀过程是一种原电池工作过程，过程中有电流产生。金属在酸、碱、盐溶液，工业用水，大气中的腐蚀都属于电化学腐蚀。以Zn-Cu原电池来说明电化学腐蚀的原理 将Zn、Cu浸入稀硫酸中，由于Zn的电极电位低于Cu的电极电位，电子从Zn极流向Cu极。原电池的反应过程如下： 阳极（Zn极）：ZnZn2+2e 阴极（C
19、u极）：2H+2eH2上述过程使Zn不断溶解，即Zn被稀硫酸腐蚀。 在同一电介质溶液中，两种金属直接接触将发生电化学腐蚀；同一金属与同一电介质溶液接触时，因金属材料内部组织成分的不均匀性，或介质的浓度、温度、流速等不同，都将发生电化学腐蚀。 电化学腐蚀的过程比化学腐蚀要复杂的多，也是危害性较大的一种腐蚀，金属和合金的破坏大多数属于电化学腐蚀的结果。二、金属腐蚀破坏的形式和特征 1. 均匀腐蚀 均匀腐蚀是指腐蚀介质与金属接触的整个表面上产生程度基本相同的腐蚀。这种腐蚀的腐蚀速度可以预测，因此危险性较小。金属材料的腐蚀速度可以从腐蚀手册中查得。2. 局部腐蚀 局部腐蚀是指腐蚀集中在金属的局部区域。
20、这种腐蚀的危险性很大。局部腐蚀的类型很多： 孔蚀：在金属表面的局部地方出现小的深坑或局部区域出现密集斑点的腐蚀。孔蚀一般由氯化物、溴化物及含有氯离子的溶液腐蚀而引起的。一般孔蚀直径小但教深。 晶间腐蚀：发生在晶粒边界处，并沿晶粒边缘向深处发展，使晶粒间的连接遭到破坏材料的力学性能明显下降，而其外表不易发现，这种破坏是突然发生的，危害性极大。 应力腐蚀：是金属在腐蚀介质与拉应力共同作用下引起的。发生应力腐蚀时，腐蚀与应力相互促进。开始是在材料表面形成微裂纹，继而裂纹向材料纵深方向扩展，从而导致金属材料早期脆性破坏。引起应力腐蚀的应力源主要是工作应力、热应力和加工残余应力。引起应力腐蚀的特定腐蚀介
21、质如存在有Cl-、OH-等离子的情况下。 缝隙腐蚀：当金属与金属或金属与非金属之间存在很小的缝隙时，缝内介质不易流动而形成滞留，促使缝隙内的金属加速腐蚀。大多数金属和合金都可能会产生缝隙腐蚀，几乎所有的腐蚀介质也都能引起缝隙腐蚀。三、金属设备的防腐措施 合理选择设备用材，并对结构进行合理设计，可以减缓腐蚀的发生。 在某些场合还需要设置一些防腐措施：1. 设置保护层 设置保护层的实质是将介质与金属隔绝而避免介质呀金属直接接触。保护层一般采用耐腐蚀的金属或非金属材料制成。 常用耐蚀金属、陶瓷、玻璃钢、酚醛塑料、聚氯乙烯等作衬里；或者在金属表面涂漆、镀镍、铬、喷铝等。2. 设置电化学保护 主要采用阴
22、极保护和阳极保护两种。 阴极保护：又称牺牲阳极保护，是利用外部电流使被保护的金属阳极转化为阴极。被保护的设备与直流电源的负极相连，正极与浸在腐蚀介质中的辅助阳极。 阳极保护：是利用阳极电流使金属表面形成钝化膜，利 用钝化膜起保护作用。3. 添加缓蚀剂 在腐蚀介质中添加适量的缓蚀剂，使金属的腐蚀速度降低甚至停止。 常用的缓蚀剂有重铬酸盐、过氧化氢、磷酸盐、亚硫酸钠、硫酸锌、硫酸氢钙等无机缓蚀剂和生物碱、有机胶体、氨基酸、酮类、醛类等有机缓蚀剂两大类。化工设备材料的选择材料选用应综合考虑以下因素：1. 设备的操作条件 包括设计压力、设计温度、介质特性和操作特点等。2. 材料的使用性能原则 材料的使用性能是指材料在设备及其构件工作过程中所应具备的性能，包括材料的力学性能、物理性能和化学性能（主要是耐腐蚀性能）。3. 材料的加工工艺性能 包括材料的焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能。4. 经济合理性及容器结构 材料价格、制造费用和使用寿命等。选材举例： 生产聚氯乙烯的反应釜：反应物为水和氯乙烯单体等，反应温度50，反应压力为0.8Mpa。为保证聚合反应，防止铁离子混入，同时保证良好的传热效果。