2022年《过程设备设计基础》教案压力容器材料及环境和时间

1、过程设备设计基础教案3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响课程名称：过程设备设计基础专 业：过程装备与控制工程任课教师：李第 3 章 压力容器材料及环境和时间 对其性能的影响 3-1 压力容器材料主要教学内容授课方式授课时数1、压力容器常用材料讲授1.5 2、有色金属和非金属教学目的和要求1、掌握压力容器常用材料的分类、牌号和性能2、了解有色金属和非金属的种类教学重点和难点压力容器常用材料课外作业思考题材料是制造压力容器的基础，本条件。正确选用压力容器材料是保证压力容器长期安全运行的基压力容器的应力分析可以为选材提供最基本的依据和要求，同时，选择材料时还应考虑 容器工作时的环境、介质及其它具

2、体条件的要求。不同的材料具有不同的化学成分、力学性能和使用条件，选择材料最基本的要求是能够保证压力容器安全工作，同时做到经济、适用。一、钢材形状 1、钢板 压力容器用钢板的要求：（1）必须用规定的钢板制造压力容器 规定允许用于制造压力容器的钢板有两类：压力容器专用钢板，如 16MnR、20R等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 钢中的 10、15、 20、20g 等。Q235-A、 Q235-B，优质碳素（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。

3、2、钢管（1）无缝钢管热轧无缝钢管 冷拔无缝钢管10、20 号钢。用于过程设备较高压力的流体输送，材料通常为根据用途和材质，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219，法兰内直径220。（2）焊接钢管输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力的流体（3、锻件p0.6Mpa）, 材料可用 Q235制造。（1）根据锻件检验

4、项目和数量的不同，锻件分为、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 4、圆钢、型钢50mm时，级别不得低于级。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%按含碳量低碳钢（C%.025 %）.6 %）中碳钢（0. 25 %C%0高碳钢（C%0. 6%）普通碳素钢（S 0

5、 . 055 %，P 0 . 045 %）按钢的质量 优质碳素钢（S 0 . 040 %，P 0 . 040 %）高级优质碳素钢（S 0 . 030 %，P 0 . 035 %）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 。GB1501998钢制压力容器推荐适用的低合金钢板有：16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMo

6、NbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR，其中 16MnR是 s350Mpa 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%）0Cr13、0Cr18Ni9 、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐主要有铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等，如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

7、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、有色金属纯铜铜及其合金黄铜（H）（Cu-Zn合金）青铜（Q）锡青铜 无锡青铜纯铝有色金属铝及其合金防锈铝（LF）（AlMn、AlMg合金）硬铝（YL）（AlCuMg合金）纯镍镍及其合金NiMn合金NiCu 合金纯钛钛及其合金Ti0. 2Pd0. 8NTi0. 3Mo* 钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行，护焊缝的塑性。铜及铜合金的特点：以防

8、止氢、氮、 氧等进入焊缝， 保纯铜：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： 在没有氧存在的情况下，在许多非氧化性酸中比较耐腐蚀。 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。 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）：特点： 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）特点：具有很高的

9、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：特点： 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）：特点：密度小、重量轻（ 约为钢的 好的耐蚀性（但不耐碱及盐水）1/3 ），导电、导热性能好，强度较差，塑性好，有极，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 特点： 具有适中的强度、优良的塑性和耐蚀性，

10、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 特点：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 合金特点： 具有很好的耐腐蚀性能和抗高温性能，容器。钛及钛合金：纯钛：特点： 密度小、强度高。但价格较高， 一般只用于制造特殊要求的压力 工作温度范围宽，可在-196-350 范围内使用。 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

11、-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、火材料等。涂料工程塑料 非金属 不透性石墨 陶瓷 搪瓷（1）涂料密封材料、保温材料、耐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

12、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 (3) 不透性石墨, 也可用作密封元件、搅拌器等的材料。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主要教学内容授课方式授课时数1、塑性

13、变形讲授1 2、焊接自学3、热处理教学目的和要求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教学重点和难点3、了解热处理对钢材性能的影响焊接对钢材性能的影响课外作业思考题在压力容器制造中，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。艺对材料性能的影响。一、塑性变形1、加工硬化因此， 有必要研究冷、 热加工造成的塑性变形和焊接工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

14、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焊缝焊接接头的组织和性能 熔合区过热区热影响区 正火区部分正火区2、焊接应力与变形、减少焊接应力和变形的措施（

15、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裂纹夹渣未焊透焊接接头常见缺陷 未熔合焊瘤气孔咬边外观检查焊接接头检验 密封性检查射线检测无损检验 超声波检测表面检测 3-3 环境对压力容器用钢性能的影响主要教学内容授课方式授课时数1、温度讲授1 2、介质自学3、加载速率教学目的和要求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教学重点和难点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课外作业思考题一

16、、 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，而腐蚀的产物直接生成在反应的表面区域。晶间腐蚀受物质的直接作用， 作用过程中不产生电流，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

17、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

18、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。 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 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

19、率（2）疲劳破坏 疲劳破环的特征 防止疲劳破坏的措施 四、材料性质劣化 石墨化 回火脆化 3-4 压力容器材料选择主要教学内容授课方式授课时数1、压力容器用钢的基本要求讲授0.5 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教学目的和要求教学重点和难点课外作业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思考题一、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 分析构件的工作条件，确定构件应具有的使用性能。通过失效分析，确定构件的主要使用性能。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