第二篇 化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第二篇化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第七章概述第八章內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第九章內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)第十章內(nèi)壓容器封頭的設(shè)計(jì)第十一章外壓容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第十二章容器零部件第七章概述第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類第二節(jié)容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求第三節(jié)容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類一、容器的結(jié)構(gòu)化工設(shè)備的種類：（1）反應(yīng)設(shè)備；（2）換熱設(shè)備；（3）分離設(shè)備；（4）貯運(yùn)設(shè)備。容器的定義：化工生產(chǎn)所用各種化工設(shè)備外殼的總稱?；ぴO(shè)備=容器+工藝元件容器結(jié)構(gòu)：殼體+附件（法蘭、支座、接管、人孔、手孔、視鏡等）二、容器的分類1、按形狀分類（1）方形和矩形容器；（2）球形容器；（3）圓筒形容器。2．按厚度分類（1）薄壁容器 或（2）厚壁容器 或3、按承壓性質(zhì)和能力分類（1）內(nèi)壓容器：常壓容器： 高壓容器：低壓容器： 超高壓容器：中壓容器：（2）外壓容器：外壓容器；真空容器。第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類4、按壁溫分類：（1）常溫容器：-20~200℃

（2）高溫容器：材料蠕變溫度下工作的容器。 碳素鋼和低合金鋼：>420℃

其他合金鋼：>450℃

奧氏體不銹鋼：>550℃（3）中溫容器：介于常溫與高溫之間的容器。（4）低溫容器：<-20℃，-40到-20℃淺冷，<-40℃深冷5、按支承形式分類臥式容器、立式容器第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類金屬在高溫和低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下，材料塑性變形量隨時間延續(xù)而增加的現(xiàn)象。6、按結(jié)構(gòu)材料分類金屬制、非金屬制7、按管理分類（1）第三類壓力容器

（2）第二類壓力容器（3）第一類壓力容器第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類下列情況之一的，為第三類壓力容器：高壓容器；中壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；中壓儲運(yùn)容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于10MPam3）；中壓反應(yīng)容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于0.5MPam3）；低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于0.2MPam3）；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；中壓搪玻璃壓力容器；使用強(qiáng)度級別較高（指相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限大于等于540MPa）的中壓搪玻璃壓力容器；移動式壓力容器，球形儲罐（容積大于等于50m3）；低溫液體儲存容器（容積大于5m3）。

第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類搪玻璃設(shè)備是將含硅量高的瓷釉涂于金屬表面，通過950℃搪燒，使瓷釉密著于金屬鐵胎表面制成。因此，它具有類似玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和金屬強(qiáng)度的雙重優(yōu)點(diǎn)。

下列情況之一的，為第二類壓力容器[（1）規(guī)定的除外]：中壓容器；低壓容器（僅限毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）；低壓反應(yīng)容器和低壓儲運(yùn)容器（僅限易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)）；低壓管殼式余熱鍋爐；低壓搪玻璃壓力容器。低壓容器為第一類壓力容器[（1）、（2）規(guī)定的除外]

。第一節(jié)容器的結(jié)構(gòu)與分類第二節(jié)容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求

基本要求：安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理強(qiáng)度：容器抵抗外力破壞的能力。剛度：容器抵抗外力變形的能力。穩(wěn)定性：在外力作用下維持其原有形狀的能力。耐久性：決定因素：主要是腐蝕，其次還有疲勞、蠕變和振動。化工設(shè)備一般使用年限為10-15年。密封性和節(jié)省材料。便于制造、運(yùn)輸、安裝和操作

第三節(jié)容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)一、標(biāo)準(zhǔn)化的意義1、便于成批生產(chǎn)；2、增加零部件的互換性；3、便于專業(yè)化生產(chǎn)；4、消除貿(mào)易障礙，提高競爭力；二、容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)

1、公稱直徑DN：由鋼板卷制而成的容器和成型封頭，公稱直徑指它們的內(nèi)徑。管子的公稱直徑，既不是內(nèi)徑也不是外徑，由公稱直徑確定外徑，再由壁厚確定內(nèi)徑。小直徑筒體，采用無縫鋼管制作的容器，公稱直徑指無縫鋼管的外徑.2、公稱壓力PN：

在制定零部件標(biāo)準(zhǔn)時，僅有公稱直徑這一個參數(shù)是不夠的。因?yàn)椋词故枪Q直徑相同的筒體、封頭或法蘭，只要它們的工作壓力不相同，它們的其他尺寸也就不會一樣。所以還需要將壓力容器和管子等零部件所承受的壓力，也分成若干個規(guī)定的壓力等級。這種規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力等級就是公稱壓力。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能選用材料的一般要求：材料品種應(yīng)符合中國資源和供應(yīng)情況；材質(zhì)可靠，能保證使用壽命；要有足夠的強(qiáng)度，一定的塑性和韌性，對腐蝕介質(zhì)能耐腐蝕；便于制造加工，焊接性能良好；經(jīng)濟(jì)上合理。一、力學(xué)性能構(gòu)件在使用過程中受力超過某一限度時，就會發(fā)生塑性變形，甚至斷裂失效。材料的力學(xué)性能是指材料在外力作用下表現(xiàn)出的變形、破壞等方面的特性，通常用材料在外力作用下表現(xiàn)出來的彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性等特征指標(biāo)來衡量材料的力學(xué)性能。適用、安全和經(jīng)濟(jì)1、強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的性能。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服極限ss(s0.2)，強(qiáng)度極限sb，持久極限sr（交變載荷）,屈強(qiáng)比r，持久強(qiáng)度sDt。2、塑性材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。延伸率d，斷面收縮率y。3、韌性材料對缺口或裂紋敏感程度的反映。沖擊韌性aK：V型缺口沖擊實(shí)驗(yàn)中，單位面積所吸收的能量(J/m2)。脆性轉(zhuǎn)變溫度：斷裂韌性KIC：含裂紋構(gòu)件抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。應(yīng)力強(qiáng)度因子。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能4、硬度衡量材料軟硬程度的力學(xué)性能指標(biāo)。布氏硬度：以直徑為D（10、5或2.5mm）的鋼球，在壓力P(N)作用下壓入金屬表面測得壓痕直徑d，計(jì)算得：

布氏硬度=硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)系：低碳鋼sb=0.36HBS；高碳鋼sb=0.34HBS；灰鑄鐵sb=0.1HBS

布氏硬度的特點(diǎn)是比較準(zhǔn)確，因此用途很廣，但不能測硬度較高的金屬，如44.1HBS上和測太薄的試樣，而且壓痕較大，易損壞表面等。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能5、材料在高溫下的力學(xué)性能蠕變：金屬材料在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變極限：在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10萬小時，蠕變率為1%的應(yīng)力。持久強(qiáng)度（極限）：在設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10萬小時，蠕變斷裂時的應(yīng)力。蠕變溫度：碳素鋼、低合金鋼420℃，合金鋼450℃。二、物理性能

金屬材料的物理性能有相對密度，熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電性等。使用時可參考相關(guān)手冊。三、化學(xué)性能金屬的化學(xué)性能是指材料在所處的介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性，即材料是否會與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)作用而引起腐蝕。金屬的化學(xué)性能主要是耐腐蝕性和抗氧化性。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能1、耐腐蝕性金屬和合金對周圍介質(zhì)，如大氣、水氣、各種電解液侵蝕的抵抗能力叫做耐腐蝕性。金屬材料的耐腐蝕性指標(biāo)常用腐蝕速度來表示，一般認(rèn)為，介質(zhì)對材料的腐蝕速度在0.1mm／a以下時，材料屬于耐腐蝕的。

2、抗氧化性現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的許多設(shè)備，如各種工業(yè)鍋爐、熱加工機(jī)械、汽輪機(jī)及各種高沮化工設(shè)備等。在高溫工作條件下，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。因此鍋爐給水中的含氧量和其他介質(zhì)中的硫及其他雜質(zhì)的含量對鋼的氧化是有一定影響的。

第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能四、工藝性能

金屬和合金的工藝性能是指鑄造性、可鍛性、焊接性、切削加丁性、熱處理性能和冷彎性能等，這些性能直接影響化工設(shè)備和零部件的制造工藝方法，也是選擇材料時必須考慮的因素。五、其他性能1、組織穩(wěn)定性2、抗松弛性：試樣和零件在高溫和應(yīng)力狀態(tài)下，如變形維持不變，隨著時間的延長自發(fā)地減低應(yīng)力的現(xiàn)象稱為松弛。3、應(yīng)變時效敏感性應(yīng)變時效是金屬及其合金在冷加工變形后，由于在室溫或較高溫度下的內(nèi)部脫溶沉淀(對低碳鋼來說主要是氮化物的析出)，會使各種性能(主要是沖擊韌性)隨時間延長而變化(降低)。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能非金屬材料：工業(yè)塑料、玻璃鋼、有機(jī)玻璃、陶瓷、材料水泥、石墨等

金屬材料

有色金屬：銅、鋁、鈦等黑色金屬：鋼、鐵（鐵碳合金）第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能鐵碳合金的分類：工業(yè)純鐵——C<0.020%

鋼——C=0.020-2.0%

鑄鐵——C>2.0%鋼材的分類：按化學(xué)成分分類；按用途分類；按冶煉方法分類；按質(zhì)量等級分類。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能按化學(xué)成分分類碳鋼——低碳鋼C<0.25%；中碳鋼C=0.25-0.6%；高碳鋼C>0.6%

合金鋼按用途分類建筑用鋼：廠房結(jié)構(gòu)和橋梁用鋼等；

結(jié)構(gòu)鋼：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼等；

工具鋼：量具用鋼、刃具用鋼、模具鋼等；特殊用鋼：鍋爐鋼、容器用鋼、易切削鋼等。按質(zhì)量等級分類普通鋼

優(yōu)質(zhì)鋼

特級優(yōu)質(zhì)鋼

按冶煉方法分類平爐鋼堿性轉(zhuǎn)爐鋼（J）、酸性轉(zhuǎn)爐鋼（S)、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼（D）沸騰鋼（F）、靜定鋼、半靜定鋼（b）第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能碳鋼的牌號：

我國的碳鋼的編號命名是以鋼的質(zhì)量和用途為基礎(chǔ)來進(jìn)行的，而且采用“漢字”和“拉丁字”同時并用的原則。一、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼二、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼三、鍋爐、容器用鋼四、碳素工具鋼五、鑄鋼第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能一、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼為滿足不同使用目的，國家標(biāo)準(zhǔn)將其分為三大類：甲類、乙類和丙類鋼。

甲類鋼是按機(jī)械性能供應(yīng)的鋼，其鋼號為Q235-A等。乙類鋼是按化學(xué)成分供應(yīng)的鋼，其鋼號為Q235-B等。丙類鋼是按機(jī)械性能和化學(xué)成分供應(yīng)的鋼，其鋼號為Q235-C等。其中Q——材料的屈服極限；

數(shù)字——材料屈服極限值ss

；

A、B、C——甲、乙、丙三類。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能二、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用來制造重要的機(jī)器零部件，要求有較高的機(jī)械性能，因此它所含S、P等雜質(zhì)較少，一般在熱處理之后使用。

優(yōu)質(zhì)碳素鋼又分普通含錳量鋼（<=0.8%Mn）和較高含錳量鋼（0.8-1.2%Mn）兩種。編號方法：鋼號是用其含碳量的萬分之幾的數(shù)字來表示。例如20表示含碳量為0.20%的普通含錳量鋼；40Mn表示含碳量為0.40%的較高含錳量鋼。第四節(jié)化工容器常用金屬材料的基本性能三、鍋爐、容器用鋼鍋爐用鋼和化工壓力容器用鋼是采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，但要求鋼的質(zhì)地均勻，無時效傾向，因此選用雜質(zhì)和有害氣體含量較低的低碳鎮(zhèn)靜鋼。

鍋爐用鋼和化工壓力容器用鋼分別在鋼號尾再標(biāo)上“g”或“R”，并需要進(jìn)行應(yīng)變時效和冷彎等特殊的檢驗(yàn)項(xiàng)目。

例如：20g、22g、12Mng、16MngQ23