2022年《過程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教案壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間

1、過程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教案3壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對其性能的影響課程名稱：過程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)專 業(yè)：過程裝備與控制工程任課教師：李第 3 章 壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間 對其性能的影響 3-1 壓力容器材料主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時(shí)數(shù)1、壓力容器常用材料講授1.5 2、有色金屬和非金屬教學(xué)目的和要求1、掌握壓力容器常用材料的分類、牌號和性能2、了解有色金屬和非金屬的種類教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)壓力容器常用材料課外作業(yè)思考題材料是制造壓力容器的基礎(chǔ)，本條件。正確選用壓力容器材料是保證壓力容器長期安全運(yùn)行的基壓力容器的應(yīng)力分析可以為選材提供最基本的依據(jù)和要求，同時(shí)，選擇材料時(shí)還應(yīng)考慮 容器工作時(shí)的環(huán)境、介質(zhì)及其它具

2、體條件的要求。不同的材料具有不同的化學(xué)成分、力學(xué)性能和使用條件，選擇材料最基本的要求是能夠保證壓力容器安全工作，同時(shí)做到經(jīng)濟(jì)、適用。一、鋼材形狀 1、鋼板 壓力容器用鋼板的要求：（1）必須用規(guī)定的鋼板制造壓力容器 規(guī)定允許用于制造壓力容器的鋼板有兩類：壓力容器專用鋼板，如 16MnR、20R等可用于制造壓力容器的非容器專用鋼板，如普通碳素鋼中的 鋼中的 10、15、 20、20g 等。Q235-A、 Q235-B，優(yōu)質(zhì)碳素（2）鋼板必須按規(guī)定的限制條件使用，如設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、厚度、介質(zhì)限制、冶煉方 法等。（3）制造壓力容器的鋼板必須有符合相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的、內(nèi)容齊全的質(zhì)量證明書。

3、2、鋼管（1）無縫鋼管熱軋無縫鋼管 冷拔無縫鋼管10、20 號鋼。用于過程設(shè)備較高壓力的流體輸送，材料通常為根據(jù)用途和材質(zhì)，有多個(gè)無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，對所使用的無縫鋼管，應(yīng)注明屬于哪個(gè)標(biāo)注。過程設(shè)備常用標(biāo)準(zhǔn)：GB8163-87輸送流體用無縫鋼管GB9948-88石油裂化用無縫鋼管GB6479-86化肥設(shè)備用高壓無縫鋼管鋼管使用時(shí)要用法蘭、管件、閥門等連接，相連接的兩個(gè)構(gòu)件必須具有相同的公稱直徑（DN）。eg： DN200的鋼管和法蘭連接，鋼管外徑219，法蘭內(nèi)直徑220。（2）焊接鋼管輸送水、煤氣、空氣、取暖蒸汽等較低壓力的流體（3、鍛件p0.6Mpa）, 材料可用 Q235制造。（1）根據(jù)鍛件檢驗(yàn)

4、項(xiàng)目和數(shù)量的不同，鍛件分為、四個(gè)級別。（2）需焊接的鍛件，材料用 20 號鋼，不許焊接的鍛件，材料用 35 或 45 號鋼。（3）壓力容器上使用的鍛件不得低于級，若鍛件截面尺寸大于 300mm，或容器盛裝高度或極度危害介質(zhì)，且鍛件截面尺寸達(dá) 4、圓鋼、型鋼50mm時(shí)，級別不得低于級。用于制作支承件、加強(qiáng)圈等，圓鋼還可用于制作小尺寸的緊固件。圓鋼材料為Q235-A、20、35 號鋼等，型鋼材料多為Q235-A。二、鋼材類型按化學(xué)成分，壓力容器用鋼分為三類：1、碳素鋼（ C%2.06%按含碳量低碳鋼（C%.025 %）.6 %）中碳鋼（0. 25 %C%0高碳鋼（C%0. 6%）普通碳素鋼（S 0

5、 . 055 %，P 0 . 045 %）按鋼的質(zhì)量 優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S 0 . 040 %，P 0 . 040 %）高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S 0 . 030 %，P 0 . 035 %）普通碳素鋼的 Q235系列鋼板和優(yōu)質(zhì)碳素鋼均可用于制作壓力容器2、低合金鋼在優(yōu)質(zhì)碳素鋼的基礎(chǔ)上，加入一種或多種合金元素（合金元素總含量在 3%以下），以提高鋼的強(qiáng)度和改善綜合性能。低合金鋼是目前制造壓力容器的主要鋼材，其強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼，減輕裝備的重量，可節(jié)省鋼材 1/3 2/3 。GB1501998鋼制壓力容器推薦適用的低合金鋼板有：16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMo

6、NbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR，其中 16MnR是 s350Mpa 級的普通低合金高強(qiáng)度鋼，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、焊接性能、 工藝性能及低溫沖擊韌性，是中國壓力容器專用鋼板中用量最大的鋼種。3、高合金鋼（合金元素總含量大于10%）0Cr13、0Cr18Ni9 、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐主要有鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等，如腐蝕和耐高溫等特殊場合，如不銹鋼、耐熱鋼等。* 不銹鋼中的主要元素是 Cr、Ni 、Mo、Ti ，其中 Cr、Ni 含量較高。* 不銹鋼的耐蝕性主要來源于 Cr，實(shí)驗(yàn)證明，只有當(dāng) Cr 的含量大于 12%時(shí)鋼的耐蝕性才會(huì)大幅度地提高，所以不銹鋼中

7、Cr 的含量均不低于 12%。 Ni 可以擴(kuò)大不銹鋼的耐蝕范圍，特別是提高抗堿腐蝕的能力。 Mo 能提高不銹鋼抗氯離子腐蝕的能力，并提高鋼的耐熱強(qiáng)度。Ti 是為防止焊接用不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕而加入的元素。* 復(fù)合鋼板及其應(yīng)用三、有色金屬和非金屬1、有色金屬純銅銅及其合金黃銅（H）（Cu-Zn合金）青銅（Q）錫青銅 無錫青銅純鋁有色金屬鋁及其合金防銹鋁（LF）（AlMn、AlMg合金）硬鋁（YL）（AlCuMg合金）純鎳鎳及其合金NiMn合金NiCu 合金純鈦鈦及其合金Ti0. 2Pd0. 8NTi0. 3Mo* 鈦合金的焊接應(yīng)在惰性氣體的保護(hù)下或在真空中進(jìn)行，護(hù)焊縫的塑性。銅及銅合金的特點(diǎn)：以防

8、止氫、氮、 氧等進(jìn)入焊縫， 保純銅：又稱紫銅，具有較高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和良好的塑性。特點(diǎn)：低溫下能保持較高的塑性和沖擊韌性，是制造深冷設(shè)備的良好材料。耐蝕性： 在沒有氧存在的情況下，在許多非氧化性酸中比較耐腐蝕。 在氨和銨鹽溶液中，當(dāng)有氧存在時(shí)，由于生成可溶性的絡(luò)離子，故不耐蝕。所 以在氨生產(chǎn)中使用的儀表、泵、閥門等均不能用銅制造。 銅在大氣、水、中性鹽及苛性堿中均相當(dāng)穩(wěn)定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化 氫等氣體及潮濕大氣中將會(huì)受到腐蝕。黃銅（銅 -鋅合金）：特點(diǎn)： 具有較高的機(jī)械性能，價(jià)格較便宜， 可用于制作深冷設(shè)備筒體、管板、法蘭及螺母等。青銅：（1）錫青銅（銅 - 錫合金）特點(diǎn)：具有很高的

9、耐蝕性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件（如軸瓦、軸套、蝸輪等）和與酸、堿等腐蝕性介質(zhì)接觸的零件。古代的青銅器即是用錫青銅制造。（2）無錫青銅（銅中加入鉛、鋁等其它元素：特點(diǎn)： 強(qiáng)度好、 耐蝕性好， 價(jià)格低廉， 常用于制造在蒸氣和海水工作條件下的零件及受摩擦耐腐蝕零件。鋁及鋁合金的特點(diǎn)：純鋁（ L）：特點(diǎn)：密度小、重量輕（ 約為鋼的 好的耐蝕性（但不耐堿及鹽水）1/3 ），導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，強(qiáng)度較差，塑性好，有極，可用于制作儲罐、塔、熱交換器等設(shè)備，也可用于制作防止污染的設(shè)備和深冷設(shè)備。鋁合金：（1）防銹鋁（ LF）：Al-Mn 、Al-Mg 合金 特點(diǎn)： 具有適中的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和耐蝕性，

10、多用于制作深冷設(shè)備入液空吸附過濾器、分 餾塔等。（2）硬鋁（ LY）: Al-Cu-Mg 合金 特點(diǎn)：強(qiáng)度較高，可用于制作深冷設(shè)備中的螺栓及其它受力構(gòu)件。鎳及鎳合金：純鎳：耐蝕性、耐磨性和硬度都很高，但價(jià)格很貴，很少用于制作壓力容器。鎳合金： Ni-Mn、Ni-Cu 合金特點(diǎn)： 具有很好的耐腐蝕性能和抗高溫性能，容器。鈦及鈦合金：純鈦：特點(diǎn)： 密度小、強(qiáng)度高。但價(jià)格較高， 一般只用于制造特殊要求的壓力 工作溫度范圍寬，可在-196-350 范圍內(nèi)使用。 鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬，在氧化性和中性介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性，特別是鈦不發(fā)生晶間腐蝕的特點(diǎn)。鈦合金： Ti-0.2Pd 、Ti-0.3Mo

11、-0.8Ni 合金（1）鈦合金可以承受鍛造、沖壓等壓力加工。（2）鈦合金的焊接應(yīng)在惰性氣體的保護(hù)下或在真空中進(jìn)行，以防止氫、氮、氧等進(jìn)入焊縫，保護(hù)焊縫的塑性。2、非金屬材料非金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：資源豐富、耐蝕性好、品種多、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度較低，耐熱性不好，對溫度波動(dòng)比較敏感。非金屬材料通常用于承壓不高的結(jié)構(gòu)材料、金屬保護(hù)村里或涂層、火材料等。涂料工程塑料 非金屬 不透性石墨 陶瓷 搪瓷（1）涂料密封材料、保溫材料、耐涂料是一種有機(jī)高分子膠體的混合物，將其均勻地涂在容器表面上能形成完整而堅(jiān)韌的薄 膜，起耐蝕和保護(hù)作用。(2) 工程塑料 工程塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料的特點(diǎn)是

12、在一定溫度下可以變軟，而 不發(fā)生化學(xué)變化，冷卻后又變硬，再加熱又軟化。如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等，可用作制造低壓容器的殼體、管道 (3) 不透性石墨, 也可用作密封元件、攪拌器等的材料。具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，被用來制造熱交換器。(4) 陶瓷 具有良好的耐腐蝕性能，一定的強(qiáng)度，被用來制造塔、貯槽、反應(yīng)器和管件。(5)搪瓷搪瓷設(shè)備是由含硅量高的瓷釉通過9000C 左右的高溫鍛燒， 使瓷釉密著于金屬胎表面而制成的。它具有優(yōu)良的耐蝕性，較好的耐磨性，廣泛用作耐腐蝕、不掛料的反應(yīng)罐、貯罐、塔和 反應(yīng)器等。 3-2 壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時(shí)數(shù)1、塑性

13、變形講授1 2、焊接自學(xué)3、熱處理教學(xué)目的和要求1、了解塑性變形對鋼材性能的影響2、了解焊接對鋼材性能的影響教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)3、了解熱處理對鋼材性能的影響焊接對鋼材性能的影響課外作業(yè)思考題在壓力容器制造中，往往先將鋼板經(jīng)過冷加工或熱加工，使它變成所要求的零件形狀，再通過焊接將各零部件連接在一起。藝對材料性能的影響。一、塑性變形1、加工硬化因此， 有必要研究冷、 熱加工造成的塑性變形和焊接工在常溫下鋼經(jīng)過塑性變形后，內(nèi)部組織將發(fā)生變化，晶粒沿變形最大的方向伸長，晶格和晶粒扭曲，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而引起力學(xué)性能的變化。隨著變形程度增大，鋼的強(qiáng)度及硬度升高，而塑性下降。這種隨變形程度的增大，強(qiáng)度增加而塑性

14、降低的現(xiàn)象稱為加工硬化。熱變形和冷變形凡是在重結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的塑性變形，稱為熱變形或熱加工 ; 反之，在重結(jié)晶溫度以下進(jìn)行的塑性變形稱之為冷變形或冷加工。2、各向異性纖維組織和帶狀組織使金屬材料的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性，平行纖維組織方向的強(qiáng)度、塑性和韌性提高高，而垂直纖維組織方向的塑性和韌性降低。變形程度越大， 纖維組織越明顯，性能差異也越顯著。二、焊接焊接是兩種或兩種以上材料，在加熱或（和）加壓的狀態(tài)下，通過原子或分子之間的結(jié)合和擴(kuò)散，形成永久性連接的工藝過程。1、焊接接頭的組織和性能焊縫焊接接頭的組織和性能 熔合區(qū)過熱區(qū)熱影響區(qū) 正火區(qū)部分正火區(qū)2、焊接應(yīng)力與變形、減少焊接應(yīng)力和變形的措施（

15、1）盡量減少焊接接頭數(shù)量；（2）相鄰焊縫間應(yīng)保持足夠的間距；（3）盡可能避免交叉；焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)；（4）焊前預(yù)熱等。3、焊接缺陷和焊接接頭的檢驗(yàn)裂紋夾渣未焊透焊接接頭常見缺陷 未熔合焊瘤氣孔咬邊外觀檢查焊接接頭檢驗(yàn) 密封性檢查射線檢測無損檢驗(yàn) 超聲波檢測表面檢測 3-3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時(shí)數(shù)1、溫度講授1 2、介質(zhì)自學(xué)3、加載速率教學(xué)目的和要求1、了解溫度對壓力容器用鋼性能的影響2、掌握介質(zhì)對壓力容器用鋼性能的影響教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)3、了解加載速率對壓力容器用鋼性能的影響1、 溫度對壓力容器用鋼性能的影響2、 介質(zhì)對壓力容器用鋼性能的影響課外作業(yè)思考題一

16、、 溫度 1、 短期靜載下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響（1）低溫變脆現(xiàn)象（2）脆性轉(zhuǎn)變溫度 2、 高溫、長期靜載下鋼材的性能（1）蠕變現(xiàn)象（2）蠕變曲線（3）蠕變極限與持久強(qiáng)度 3、 高溫下材料性能的劣化 二、 介質(zhì) 1、 腐蝕的類型（ 1）電化學(xué)腐蝕 指金屬在電解質(zhì)中，由于各部位電位不同，造成微電池，在電子交換過程中產(chǎn)生電流，作為負(fù)極的金屬被逐漸溶解的一種腐蝕（ 2）化學(xué)腐蝕指金屬在干燥氣體或無電解質(zhì)存在的環(huán)境中，而腐蝕的產(chǎn)物直接生成在反應(yīng)的表面區(qū)域。晶間腐蝕受物質(zhì)的直接作用， 作用過程中不產(chǎn)生電流，晶間腐蝕是一種常見的局部腐蝕，腐蝕是沿晶粒邊界和它的鄰 近區(qū)域產(chǎn)生和發(fā)展，而晶粒本身的腐蝕則很輕

17、微。引起晶間腐蝕的環(huán)境有電解質(zhì)溶液、過熱水蒸氣、 高溫水和熔融金屬等。晶 間腐蝕必須在腐蝕環(huán)境中，并且晶界物質(zhì)的物理化學(xué)狀態(tài)與晶粒本體不同時(shí)，才能產(chǎn)生。小孔腐蝕又稱孔蝕 ,腐蝕集中在金屬表面的局部地區(qū)的小孔上，小孔腐蝕可以使金屬材料穿孔破壞，而重量丟失卻往往很少，因此也是一種破壞性大的局部性腐蝕?？孜g常發(fā)生在靜滯的液體中，提高流速就可減輕小孔腐蝕，此外， 在不銹鋼中增加鉬的含量和盡量降低介質(zhì)中的氯離子、碘離子的含量，均可有效地減少小孔腐蝕?？p隙腐蝕換熱管與管板連接處、法蘭的連接面等縫隙處，如果介質(zhì)處于停滯狀態(tài)引起濃度增加，就會(huì)加速這些縫內(nèi)金屬材料的腐蝕，這種腐蝕被稱為縫隙腐蝕。為了盡量避免縫隙

18、腐蝕，在壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采取措施避免或減少縫隙形成，如避免介質(zhì)的流動(dòng)死角或死區(qū)，要使液體做到能完全排凈；采用脹焊并用， 減少管子和管板間的間隙等。（3）應(yīng)力腐蝕是金屬材料在拉伸應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)的共同作用下導(dǎo)致韌性材料迅速開裂和發(fā)生早期破壞的現(xiàn)象。零件壽命要短于應(yīng)力或腐蝕環(huán)境單獨(dú)作用時(shí)的壽命，破壞時(shí)的應(yīng)力水平較低，往往沒有明顯預(yù)兆，斷裂是突發(fā)性的，因而很難預(yù)防，是一種危險(xiǎn)性很大的破壞形式。 應(yīng)力腐蝕的特征： a拉伸應(yīng)力 b特定合金和介質(zhì)的組合c一般為延遲脆性斷裂 預(yù)防應(yīng)力腐蝕的措施 : a. 合理選擇材料b. 減少或消除殘余拉應(yīng)力c. 改善介質(zhì)條件d. 涂層保護(hù)三、載荷形式（1）加載速

19、率（2）疲勞破壞 疲勞破環(huán)的特征 防止疲勞破壞的措施 四、材料性質(zhì)劣化 石墨化 回火脆化 3-4 壓力容器材料選擇主要教學(xué)內(nèi)容授課方式授課時(shí)數(shù)1、壓力容器用鋼的基本要求講授0.5 2、選擇壓力容器鋼材應(yīng)考慮的因素3、壓力容器選材的基本原則教學(xué)目的和要求教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)課外作業(yè)1、了解壓力容器用鋼的基本要求 2、了解選擇壓力容器鋼材應(yīng)考慮的因素 3、了解壓力容器選材的基本原則壓力容器選材的基本原則思考題一、壓力容器用鋼的基本要求 1 、化學(xué)成分（ C、P、S 等） 2 、力學(xué)性能（強(qiáng)度、鋼度、塑性、韌性等） 3 、制造工藝性能（機(jī)加工性能、壓力加工性能、焊接性能、鑄造性能、熱處理性能等）二、選擇壓力容器鋼材應(yīng)考慮的因素（ 1）材料的性能 分析構(gòu)件的工作條件，確定構(gòu)件應(yīng)具有的使用性能。通過失效分析，確定構(gòu)件的主要使用性能。從構(gòu)件主要使用性能要求出發(fā)，提出對材料使用性能的要求。（ 2）材料的加工工藝性能（ 3）材料的經(jīng)濟(jì)性（ 4）材料的選擇應(yīng)符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求三、選擇壓力容器材料的原則（ 1）綜合考慮各種因素選擇壓力容器用鋼，應(yīng)綜合考慮容器的結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件和制造工藝，以及材料的力學(xué)性能、焊接性能、冷熱加工性