化工原理总结复习课件

第二节

铁碳合金

一、什么是铁碳合金铁碳合金：以铁为基体，有不同碳含量的合金，称为铁碳合金。铁碳合金是工业上应用最广泛的合金。钢的热处理目的

1、预先热处理：消除毛坯中的缺陷，改善工艺性能，为切削加工或热处理做组织和性能上的准备。

2、最终热处理：提高金属材料的力学性能，充分发挥材料的潜力，节约材料延长零件使用寿命。钢的热处理可以分为很多种类退火和正火

退火是把钢（工件）放在炉中缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却下来的一种热处理工艺。退火的目的在于调整金相组织，细化晶粒，促进组织均匀化，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。

正火与退火不同之处，在于正火是将加热后的工件从炉中取出置于空气中冷却。正火和退火作用相似，由于正火的冷却速度要比退火快一些，因而晶粒变细，钢的韧性可显著提高。铸、锻件在切削加工前一般要进行退火或正火。淬火和回火

淬火是将工件加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，然后投入淬火剂中冷却的一种热处理工艺。淬火后得到的组织是马氏体。为了保证良好的淬火效果，针对不同的钢种，淬火剂有空气、油、水、盐水，其冷却能力按上述顺序递增。碳钢一般在水和盐水中淬火，合金钢导热性能比碳钢差，为防止产生过高应力，一般在油中淬火。淬火可以增加零件的硬度、强度和耐磨性。淬火时冷却速度太快，容易引起零件变形或裂纹。冷却速度太慢则达不到技术要求。因此，淬火常常是产品质量的关键所在。

回火是零件淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性；使金相组织趋于稳定，并获得技术上需要的性能。回火处理有以下几种：

1．低温回火:

淬火后的零件在150℃～250℃范围内的回火称“低温回火”。低温回火后的组织主要是回火马氏体。它具有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。当要求零件硬度高、强度大、耐磨时，如刃具、量具，一般要进行低温回火处理。2．中温回火:

当要求零件具有一定的弹性和韧性，并有较高硬度时，可采用中温回火。中温回火温度是300℃～450℃。要求强度高的轴类、刀杆、轴套等一般进行中温回火。

3．高温回火:

要求零件具有强度、韧性、塑性等都较好的综合性能时，采用高温回火。高温回火温度为500℃～680℃。这种淬火加高温回火的操作，习惯上称为"调质处理"。由于调质处理比其它热处理方法能更好地改善综合力学性能，故广泛应用于各种重要零件的加工中，如各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。表2-3为45号钢经正火与调质两种不同热处理后的力学性能比较。时效热处理工艺：

所谓时效是指材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，它与回火作用相类似。表面淬火

钢的表面淬火是将工件的表面通过快速加热到临界温度以上，在热量还来不及传导至心部之前，迅速冷却。这样改变钢的表层组织，而心部没有发生相变仍保持原有的组织状态。经过表面淬火，可使零件表面层比心部具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则具有一定的韧性。化学热处理

化学热处理是将零件置于某种化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些元素渗入零件表面，改变表面层的化学成分和组织结构，从而使零件表面具有某些特殊性能。热处理有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。其中，渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性；渗铝可提高耐热、抗氧化性；氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性；渗硅可提高耐酸性等等。第三节

碳素钢

（一）按含碳量分类低碳钢：含碳量≤0.3%

中碳钢：含碳量0.3%～0.6%

高碳钢：含碳量＞0.6%（二）按质量分类

普通碳素钢含硫量≤0.050%，含磷量≤0.045%；优质碳素钢含硫量≤0.040%，含磷量≤0.040%

高级优质碳素钢含硫量≤0.030%，含磷量≤0.035%；一、碳钢的分类按用途分类碳素结构钢碳素工具钢1、容器专用钢板：用大写R在牌号尾表示，其牌号可用屈服点也可用含碳量或含合金元素表示。

如：Q345R，Q345为屈服点。再如：20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR、8MnMoNbR、MnNiMoNbR、15CrMoR等均用含碳量或含合金元素来表示。（R是容字的汉语拼音第一个字母）2、锅炉专用钢板和钢管：用小写g在牌号尾表示。其牌号可用屈服点表示，如：Q390g；也可用含碳量或含合金元素来表示，如20g、22Mng、15CrMog、16Mng、19Mng、13MnNiCrMoNbg、12Cr1MoVg等。g和G是锅的汉语拼音。

（三）专用钢材3、焊接气瓶专用薄钢板有6个钢号，HP245-HP365，用大写HP在牌号尾表示，其牌号可以用屈服点表示，如：Q295HP、Q345HP；也可用含合金元素来表示如16MnREHP。

HP是焊瓶的汉语拼音，数字是钢板的屈服极限。4、船用钢板用小写q在牌号尾表示，如Q420q、16Mnq、14MnNbq等。其中的A、B级板可有条件地用于压力容器。A、B是船用钢板强度等级代号。三、碳钢的品种（一）钢板的分类1）按厚度分类（1）薄板（2）中板（3）厚板（4）特厚板2）按生产方法分类（1）热轧钢板（2）冷轧钢板3）按表面特征分类（1）镀锌板（热镀锌板、电镀锌板）（2）镀锡板（3）复合钢板（4）彩色涂层钢板4）按用途分类（1）桥梁钢板（2）锅炉钢板（3）造船钢板（4）装甲钢板（5）汽车钢板（6）屋面钢板（7）结构钢板（8）电工钢板（硅钢片）（9）弹簧钢板（10）其他(二)管材的分类1按生产方法分类（1）无缝管：热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管、顶管（2）焊管（a）按工艺分：电弧焊管、电阻焊管（高频、低频）、气焊管、炉焊管（b）按焊缝分：直缝焊管、螺旋焊管公称直径

公称直径是管路系统中所有管路附件用数字表示的尺寸，公称直径是供参考用的一个方便的圆整数，与加工尺寸仅呈不严格关系。公称直径用字母“DN”后面紧跟一个数字标志。公称直径，又称平均外径。这是缘自金属管的管璧很薄，管外径与管内径相差无几，所以取管的外径与管的内径之平均值当作管径称呼。

DN是公称直径,就是各种管子与管路附件的通用口径。同一公称直径的管子与管路附件均能相互连接，具有互换性.它不是实际意义上的、管道外径或内径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等；为了使管子、管件连接尺寸统一，采用公称直径。所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特意地加入一些合金元素的钢。常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、M。V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。柴油机凸轮轴合金钢的概念

第四节合金钢

一、合金元素对钢材性能的影响以改善钢材的性能为目的，在碳钢中特意溶合某些合金元素所得的钢，统称合金钢。一、合金元素对钢材性能的影响1、降低钢材的临界淬火速度2、增加钢组织的分散度3、提高铁素体的强度4、减少马氏体的脆性5、提高钢材的高温强度及抗氧化性能6、增强钢材的耐蚀性1、按化学成份合金钢分：

a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）b.中合金钢（合金元素总含量＞5-10%）c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。2、按用途分类(1)建筑及工程用钢

a.普通碳素结构钢；

b.低合金结构钢；

c.钢筋钢。

普通低合金结构钢牌号

Q345C

质量等级345MPa屈服强度一.不锈钢1.定义:在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm

以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。5.化学成分特点:*低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。

辅加Ni、Mo、Cu、Ti、

Nb、Mn等。第六节锻件与紧固件一、锻件1、锻件的名称和形状锻件按形状称其名，共六种：a、为筒形b、为环形c、为饼形d、为碗形e、为长颈法兰形f、g、为条形2、锻件的分类与应用

(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)需焊接的碳钢锻件,材料用20号钢,不需焊接的碳钢锻件,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.

锻件的主要用途：高压容器的平盖、端部法兰与长颈对焊法兰等

二、紧固件紧固件：将两个或两个以上零件（或构件）紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。市场上也称为标准件。它通常包括以下11类零件——螺栓、螺柱、螺钉、螺母、自攻螺钉、木螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、组合件。在压力容器中，紧固件主要用于法兰连接，关于连接有两个标准，一个是容器法兰连接标准，另一个是管法兰连接标准。这两个标准中对紧固件的型式、材料均作了规定。容器法兰标准中国压力容器法兰标准为JB/T4700～4707《压力容器法兰》。

标准中给出了甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰等三种法兰的分类、技术条件、结构形式和尺寸，以及相关垫片、螺栓型式等。公称压力范围为0.25～6.4MPa，公称直径为300～3000mm。

管法兰标准国际上管法兰标准主要有两个体系，即欧洲体系（以DIN标准为代表）以及美洲体系（以ASME/ANSIB16.5《管法兰和附件》B16.47《大直径钢法兰》标准为代表）。中国管法兰标准，主要有国家标准GB9112～9125《钢制管法兰》，机械行业标准JB/T74～90《管路法兰和垫片》以及化工行业标准HG20592～20635《钢制管法兰、垫片、紧固件》（包括欧洲体系和美洲体系）等。第七节铸铁

引言从铁碳相图知道，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁，工业上常用的铸铁的成分范围是：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si，0.5~1.4Mn，0.01~0.50%P，0.02~0.20%S，有时还含有一些合金元素，如：Cr、Mo、V、Cu、Al等。虽然铸铁的机械性（抗拉强度、塑性、韧性）较低，但是由于其生产成本低廉，具有优良的铸造性、可切削加工性、减震性及耐磨性，因此在现代工业中仍得到了普遍的应用，典型的应用是制造机床的床身、内燃机的汽缸、汽缸套、曲轴等。铸铁的组织可以理解为在钢的组织基体上分布有不同形状、大小、数量的石墨。根据石墨化程度不同铸铁的分类

根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为如下三类：（1）灰口铸铁第一和第二阶段石墨化过程进行充分，其断口为暗灰色，工业上所用的铸铁几乎全部属于这一类。根据第三阶段进行情况的不同有铁素体，铁素体+珠光体及珠光体灰口铸铁。（2）白口铸铁：没有石墨化，完全按Fe-Fe3C相图进行结晶而得到的铸铁（F+Fe3C）Fe3CI+Ld’、Ld’、P+Fe3CⅡ+Ld’。（3）麻口铸铁：第一阶段石墨化未充分进行，其组织Ld’+P+C，含有Ld’工业上应用较少（脆、硬）

灰铸铁的分类

按照石墨的形状不同，可将灰铸铁分为四类：即灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。灰铸铁：基体组织（F、F+P、P）+片状C球墨铸铁：基体组织（F、F+P、P）+球状C蠕墨铸铁：基体组织（F、F+P、P）+蠕状C可锻铸铁：基体组织（F、F+P、P）+团絮状C灰铸铁的性能特点

1）优良的铸造性能2）良好的切削加性3）优良的耐磨性与减震性4）较低的机械性5）缺口敏感性较低

1）优良的铸造性能含碳量高，（2.5~4.0%C），成分接近共晶点，熔点比钢低得多，流动性好，分散缩孔少，偏析程度小。且在凝固过程中会析出比容较大的石墨，所以收缩率也小，凡无法用锻造成型的形状复杂的零件，汽缸体，变速箱外壳等均可用灰口铸铁铸造而成。

2）良好的切削加性石墨使切削容易脆断，同时石墨本身润滑作用减轻刀具的磨损。3）优良的耐磨性与减震性石墨有利于滑润和贮油，磷含量的增加还可形成硬而脆的磷共晶等使铸铁有好的耐磨性。铸铁中的石墨能将震动能转变为热能，从而消震。

4）较低的机械性灰口铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和疲劳强度都比钢低得多，因为石墨的强度、塑性几乎为零，石墨的存在减小了基体的有效面积，且石墨本身可以看成是一个个孔洞和裂纹，破坏了基体的连续性，所以可把灰口铸铁看成是布满孔洞和裂纹的钢。铸铁的硬度和抗压强度主要取决于基体组织，而与石墨无关，抗压强度大大超过抗拉强度（2.5~4倍），在压力负荷下石墨不起裂纹作用。

5）缺口敏感性较低由于石墨可以看成是孔洞和裂纹，故灰口铸铁对零件表面缺陷和缺口不敏感，即缺口敏感度小。

四、各类灰口铸铁的牌号及用途1．灰铸铁

2．可锻铸铁

3．球墨铸铁4.蠕墨铸铁1．灰铸铁灰铸铁由铁水直接浇注而得，组织（F、F+P、P+C片），可见，生产过程最简单，且成本低故应用广泛，典型的应用如汽缸和汽缸套，机床床身、卡盘等。由于石墨呈片状，对基体的割裂作用最大，其强度、塑性、韧性远比基体钢低，而且粗大的石墨的割裂作用更大，通常对灰铸铁采取变质处理（孕育处理）：在浇注前加少量的孕育剂（硅铁或硅锰合金），使铁水中形成大量的人工石墨晶粒，细化石墨片，减小对基体的割裂作用，使其强度可有所提高。1．灰铸铁其牌号用HT+抗拉强度（最小）汉语拼音“灰铁”如HT100表示最小抗拉强度为100Mpa的灰铸铁2．可锻铸铁它是将铁水先浇注成白口铸铁件，然后经石墨化退火而得到石墨呈团絮状形态的一种铸铁，其强度较灰铸铁高，塑性比灰铸铁好，且有一定的塑性变形能力，因此又被称为展性铸铁、韧性铸铁，其可锻铸铁也是由此而得名，实际上也是不能经过锻造加工的，只是因为其较灰铸铁有一定的韧性，才称为可锻铸铁。可锻铸铁的性能特点较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。

比灰口铸铁性能优越；与球墨铸铁相比，可锻铸铁质量稳定、薄壁件不易生成白口。铁素体可锻铸铁常作汽车、拖拉机的前后轮壳、减速器、中低压阀门、管接头及农具等。珠光体可锻铸铁常用作曲轴、

连杆、齿轮等可锻铸铁的退火工艺

当白口铸铁加热到高温（900~1000℃），并长时间的15~30h保温，渗碳体分解为A+团絮状石墨，缓慢冷却时A中不断析出二次石墨，使团絮状石墨不断长大，直到冷却到共析转变温度时，A分解为F+Ｃ，得到铁素体基体的可锻铸铁，组织F+Ｃ团絮，固其断口心部存在大量的石墨而呈灰黑色，表层因退火脱碳呈白色，故称黑心可锻铸铁，若通过共析转变区时的冷却速度较快，则A→P，而得到珠光体基体的可锻铸铁，显微组织，P+Ｃ团絮状，称珠光体可锻铸铁。3.球墨铸铁球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂（Mg、Ｇe及其他烯土）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（硅铁或硅钙合金）以促进石墨化，浇注后得到球状石墨的铸铁。组织（F、F+P、P）+Ｃ球状。4.蠕墨铸铁蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。强度接近于球墨铸铁，并有一定的韧性、较高的耐磨性、良好铸造性和导热性。用于高压热交换器、内燃机、液压阀等铸件。灰铸铁的热处理

灰口铸铁热处理的目的：

(1)消除铸件中的内应力；

(2)减少铸件中的内应力；

(3)提高铸铁的强度、硬度及耐磨性。热处理只改变灰口铸铁的基体组织，而不改变原始组织中的石墨形态和分布，对于灰铸铁，由于片状石墨显著降低机械性能，因此对它进行调质，等温淬火等强化型热处理，效果不显著，故灰铸铁的热处理主要有退火、正火和表面热处理

合金铸铁

随着铸铁在现代工业中的广泛应用，对其性能的要求愈来愈高，不仅要求具有更高的机械性能，有时还应具有某些特殊的性能如耐热性、耐蚀性及耐磨性等，为使其具有这些特殊性能，向铸铁中加入合金元素，这种加入了合金元素的铸铁即合金铸铁，如：高强度合金铸铁，耐热合金铸铁、耐磨合金铸铁、耐蚀合金铸铁等。第八节铜及铜合金工业生产中，通常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁，把非铁金属及其合金称为有色金属，如铜、铅、镍、锌、钛、铜等。有色金属及合金与钢铁材料相比，具有许多特殊性能，是现代工业生活中不可缺少的金属材料。1.铜及铜合金的性能特点优异的物理、化学性能

导电、导热性、抗蚀、抗磁能力高

良好的加工性能

塑性好；铸造性好某些特殊机械性能

优良的减摩性和耐磨性，高的弹性极限和疲劳极限纯铜

纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后呈紫色，故工业纯铜常称紫铜或电解铜。密度为8-9g/cm3，熔点1083°C。纯铜导电性很好，大量用于制造电线、电缆、电刷等；导热性好，常用来制造须防磁性干扰的磁学仪器、仪表，如罗盘、航空仪表等；塑性极好，易于热压和冷压力加工，可制成管、棒、线、条、带、板、箔等铜材。纯铜产品有冶炼品及加工品两种。

纯铜具有面心立方晶格，极优良的塑性，可进行冷热压力加工。工业纯铜中常含有0.1%～0.5%的杂质，如铅、铋、氧、硫、磷等。铅、铋与铜形成低熔点的共晶体分布在铜的晶界上，对铜进行热加工时，共晶体发生熔化，造成脆性断裂，即“热裂”。氧、硫与铜形成共晶体，Cu2S、Cu2O均为脆性化合物，在冷变形加工时易产生破裂，即“冷脆”。

铜在一般大气、工业大气、海洋性大气中、比较稳定；在碱中、在弱的和中等浓度的非氧化性酸中也相当稳定，在氨和铵盐中，当有氧存在时，由于生成可溶性的络离子Cu(NH4)22+故不耐蚀；若溶液中有氧或氧化剂存在，腐蚀将更加严重。铜不耐硫化物（如H2S）腐蚀。铜具有高的导电性、导热性、塑性和良好的加工性能，另外，铜具有良好的冷韧性。但铜的强度低，铸造性能不好，且在某些介质中的耐蚀性不高，很少用作结构材料。耐蚀性纯铜

我国工业有三个牌号：即一号铜（99.95%Cu）、二号铜（99.90%Cu），三号铜（99.7%Cu），其代号分另为T1、T2、T3。数字越大，杂质的含量越高纯铜的代号以汉语拼音字头“T”加数字表示。

此外，纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%，其代号有Tu1，Tu2，“u”是“无”汉语拼音字首。纯铜退火状态，强度低，塑性好（σb=250～270Mpa，δ=35～45%），经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（σb=400～500Mpa，δ=1～3%）。不能用作受力的结构材料，工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。

铜合金纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制作结构件的要求，在铜中加入合金元素，通过固溶强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强度，获得高强度的铜合金。常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti（钛）、Cr（铬）

、Zr（锆）等。铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大类。黄铜是Cu—Zn合金；白铜是Cu—Ni合金；早期的青铜是铜与锡的合金。现代把除锌和镍以外的其它元素为主要合金元素的铜合金统称为青铜。

黄铜

黄铜是以Zn为主要合金元素的铜合金，具有良好的机械性能，易加工成型，对大气、海水有相当好的抗蚀能力，是应用最广的重要有色金属材料。黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。黄铜的“季裂”虽然黄铜具有优良抗蚀性，但当零件以冷压力加工（挤压、冲压、弯曲等）成形时，由于其中有残余内应力存在，在氨、湿气、海水作用下，极易出现应力腐蚀开裂现象——称为季裂。为了防止这种现象，冷压力加工后的黄铜零件（如弹壳等）必须进行消除内应力的退火（250～300℃保温1h以上）脱锌

选择性腐蚀：黄铜脱锌，灰铸铁石墨化。工业合金含有不同成分和杂质，具有不同的结构，耐蚀性也有差别。在一定溶液中，有些活性组分溶出，剩下疏松的不活泼组分，强度和延性完全丧失。这类选择性腐蚀的常见例子是黄铜脱锌。锌溶入溶液，黄铜表面覆盖一层疏松的红色薄膜。实际上铜也溶解，但其后又沉积在合金表面上。除均匀的层状脱锌外，还有局部的塞状脱锌。提高铜含量（红黄铜：Cu85%）可防止脱锌，加入1%锡，或少量砷、锑、磷也能改善对脱锌的抗力。灰铸铁的石墨化也是选择性腐蚀，铁腐蚀浸出，剩下石墨网状体，严重失去强度。球墨或延展性铸铁因为不存在残余物联系在一起的网状结构，所以不产主石墨化。因铜加锌后呈金黄色而得名。简单的Cu—Zn合金称为普通黄铜。在普通黄铜中加入Al、Sn、Pb、Si、Mn、Ni等元素可制成特殊黄铜。普通黄铜代号以“黄”字的汉语拼音字头“H”加数字表示，数字代表铜的质量分数；特殊黄铜代号以“H”+主加元素符号+铜的质量分数+主加元素的质量分数来表示。如HMn58—2，对于铸造生产的黄铜，其代号前需加“铸”字的汉语拼音字头“Z”。

牌号表示特殊黄铜在普通黄铜的基础上加入Al、Fe、Si、Mn、Pb、Sn、Ni等元素，形成特殊黄铜，它们比普通黄铜具有更高的强度、硬度、抗腐蚀性能

如铝黄铜、锡黄铜、铅黄铜、锰黄铜等。Al、Sn、Mn、Ni可提高黄铜的耐蚀性和耐磨性；Si改善铸造性能；Pb可改善切削加工性能。铝的作用是使合金表面能形成坚固的氧化膜。铁的作用是细化晶粒，提高合金强度、韧性和耐磨性。生产中较多的是锰黄铜和铝黄铜。2）青铜

青铜是历史上应用最早的一种合金，原指铜锡合金，因颜色呈青灰色，故称青铜。为了改善合金的工艺性能和机械性能，大部分青铜内还加入其它合金元素，如铅、锌、磷等。由于锡是一种稀缺元素，所以工业上还使用许多不含锡的无锡青铜，它们不仅价格便宜，还具有所需要的特种性能。无锡青铜主要有铝青铜、铍青铜、锰青铜、硅青铜等。青铜

青铜是以Sn、Al、Si、Be、Ti等为主要合金元素的铜合金。按照生产方式：加工青铜和铸造青铜两类。锡青铜：是以锡为主要合金元素的铜合金，是人类历史上应用最早的铜合金。是Cu-Sn二元合金，锡青铜在大气、海水、淡水及蒸汽中比纯铜和黄铜好，但在盐酸、硫酸及氨水中的抗蚀性较差。此外，为了改善锡青铜的性能，还加入Zn、Pb、P等元素，Zn的加入提高铸造性能、Pb可提高耐磨性和切削加工性，P可提高弹性极限等。主要用作耐蚀耐磨、防磁的零件，如仪器上的弹簧簧片、轴承、齿轮等。

青铜是铜合金中综合性能最好的合金，Cu—Sn合金。现代工业把Cu—Al、Cu—Be、Cu—Pb、Cu—Si等铜合金也称为青铜，通常在青铜合金前面冠以主要合金元素的名称，如锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜等。青铜的代号以“青”字汉语拼音的字头“Q”加主要合金元素的名称及含量表示。铸造青铜在代号前面加“Z”。（1）锡青铜

锡含量WSn＜6%,为Sn溶入到Cu中的单相α固溶体，塑性好。锡含量WSn＞6%时，出现硬而脆的δ相（化合物Cu31Sn8为基的固溶体），强度升高，但塑性开始下降。当锡含量为WSn20%时，组织中出现大量的δ相，使合金完全变脆，故工业用锡青铜的含锡量大多WSn3%～14%之间。随着含锡量从少到多，锡青铜可分别用于冷变形加工和铸造。压力加工的锡青铜含锡量WSn6%～7%，大于7%的锡青铜适宜用作铸造合金。锡青铜铸造流动性较差，合金线收缩率小，适于铸造形状复杂，尺寸要求精确对致密度要求不太高的铸件。锡青铜具有良好的耐蚀性、耐磨性，广泛用于制造蒸汽锅炉、海船的零构件。

（2）铝青铜

铝青铜是铜与铝形成的合金，铝的含量应控制在WAl＜12%。适宜冷加工的铝青铜其铝含量一般WAl5%～7%，铝含量WAl7%～12%时宜于热加工和铸造。铝青铜是无锡青铜中应用最广泛的青铜，有更高的强度、硬度、耐磨性以及抗大气、海水腐蚀的能力；用来制造耐磨、耐蚀零件。

（3）铍青铜

工业用铍青铜铍含量大多WBe1.7%～2.5%之间。铍在铜中的溶解度随温度降低而急剧减小，该合金是典型的时效强化型合金，通过热处理可提高强度、硬度和弹性。铍青铜是铜合金中性能最好的一种，具有高的强度、弹性、耐磨、耐蚀及耐低温等特性，导电性、导热性能优良。铍青铜是工业上用来制造高级弹簧、膜片等弹性元件的重要材料，还可用于制作耐磨、耐蚀零件，航海罗盘仪中的零件及防爆工具等。

常用加工青铜3）白铜

以镍为主要添加元素的铜基合金呈银白色，称为白铜。铜镍二元合金称普通白铜，加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜，纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。工业用白铜根据性能特点和用途不同分为结构用白铜和电工用白铜两种，分别满足各种耐蚀和特殊的电、热性能。白铜多经压力加工成白铜材。白铜白铜是以Ni为主要合金元素的合金。Ni和Cu在固态下能完全互溶，所以各类铜镍合金均为α单相固溶体，具有很好的冷热加工性能，不能进行热处理强化，只能用固溶强化和加工硬化来提高强度。白铜具有高的抗蚀性和优良的冷热加工成形性，精密仪器仪表，化工机械及医疗器械中的关键材料。

白铜可分为简单白铜和特殊白铜。Cu—Ni二元合金称为简单白铜，其代号以“白”字的汉语拼音字头“B”加镍含量表示；在简单白铜合金的基础上添加其它合金元素的铜镍合金称为特殊白铜，其代号以“B”+特殊元素的化学符号+镍的质量分数+特殊合金元素的质量分数来表示。铜及铜合金用于压力容器时的规定铜及铜合金用于压力容器受压元件时，一般应为退火状态。设计时采用的焊接接头系数，在相同的接头形式与射线探伤比例条件下的取值应比钢制容器的取值低0.1。一、铝及铝合金1.铝及铝合金的性能特点2.铝及铝合金的分类及用途1.铝及铝合金的性能特点

（1）优良的物理性能密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低，纯铝的密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3，熔点为660.4℃，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。（2）抗大气腐蚀性能好铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。（3）加工性能好，比强度高纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性（δ=30～50%，ψ=80%），易于压力加工成型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，σn=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到150～250Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500～600Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。

铝合金的分类

铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。铝合金的分类变形铝合金铸造铝合金不能热处理强化铝合金能热处理强化铝合金2.铝及铝合金的分类及用途

（1）纯铝

按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类高纯铝：99.996%～99.93%用于科研，代号L04～L01；工业高纯铝：99.9%～99.85%用于作Al合金原料、铝箱，代号LG1、L2，顺序号小者纯度低。工业纯铝：99.0%～98.0%，作管、线、棒、代号L1～L6，数字大。顺序号越大，纯度越低。

铝合金牌号铝合金的牌号表示方法：Al+主要合金元素符号+主要合金元素平均含量，若为铸造铝合金前面加“Z”，如ZAlSi12表示平均硅含量为12%的铸造铝合金。按国家标准规定，防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝代号分别用“LF”、“LY”、“LC”、“LD”等字母及一组顺序号表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等，而铸造铝合金的代号用“ZL”两个字母和三个数字表示，如ZL102，ZL203,ZL302等（一）变形铝合金1.防锈铝合金(LF):Al–Mn

通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝好)。例如:LF21。

Al–Mg通过固溶强化提高铝合金的强度和抗蚀性(比纯铝轻)。例如:LF2、LF6等。飞机翼梁(腹板为硬铝合金)2.硬铝合金(LY):Al–Cu–Mg通过时效强化提铝合金强度,但耐蚀性不高。LY1、LY11、LY12。3.超硬铝合金(LC):Al–Zn–Mg–Cu通过时效强化和形成的强化相,使铝合金达到最高的硬度和强度。但耐蚀性较差。LC4、LC9。飞机主起落架4.锻铝合金(LD):Al–Mg–Si–Cu具有良好的热塑性,

通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能。

LD5、LD6、LD10。压气机叶片铝及铝合金牌号表示方法

（1）产品牌号的命名是以代号字母（前缀）或化学元素符号加阿拉伯数字的组合来表示，数字用来表示主成分或顺序编号；有的牌号加后缀符号，表示类别、质量、特性等。

（2）产品代号，采用有关标准中规定的汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字的组合来表示。

以上的总则，对于变形铝及铝合金采用的四位字符体系牌号并不适用。铝及铝合金产品代号所采用的拼音字母采用的代号产品名称拼音字母来源汉字拼音L铝铝LvLF1防锈铝铝、防LvFangLD1锻铝铝、锻Lv

DuanLY1硬铝铝、硬LvYingLC1超硬铝铝、超LvChaoLT1特殊铝铝、特LvTeLQ1硬钎焊铝铝、钎Lv

QianFL1铝粉粉、铝FenLvFLP1喷铝粉粉、铝、喷FenLvPenFLT1涂料铝粉粉、铝、涂FenLv

TuFLX1细铝粉粉、铝、细FenLvXiFLG1炼钢、化工用粉粉、铝、钢FenLvGangFLM1铝镁粉粉、铝、镁FenLvMei

1、此类铝合金产品牌号可采用GB/T16474-1996标准的字符体系表示方法。

此外，对产品的总称（如铝材）、类别及产品标记中的品种（如板、管、带、箔、线）等习惯上仍用汉字表示。

对产品的状态、加工方法、特性的代号，采用有关标准规定的英文字母来表示。铝及铝合金国际牌号命名体系一.

纯铝(铝含量不小于99.00%)

1XXX

二.

合金组别按下列主要合金元素划分

1．Cu(铜)

2XXX

2.

Mn(锰)3XXX

3.

Si(硅)

4XXX

4.

Mg(镁)5XXX

5.

Mg+Si(镁+硅)

6XXX

6.

Zn(锌)7XXX

7.

其他元素8XXX

8.

备用组9XXX

1XXX组表示纯铝(其铝含量不小于99.00%),其最后两位数字表示最低铝百分含量众小数点后面的两位.

牌号的第2位数字表示合金元素或杂质极限含量的控制情况.如果第2位为0,则表示其杂质极限含量无特殊控制;如果是1-9,则表示对一项或一项以上的单个杂质或合金元素极限含量有特殊控制.

2XXX-8XXX牌号中的最后两位数字没有特殊意义,仅用来识别同一组中的不同合金,其第2位表示改型情况.如果第2位为0,则表示为原始合金;如果是1-9,则表示为改型合金。

在四位字符体系中，如为A，表示原始纯铝，若为其它字母，则表示为原始纯铝的改型。如变形铝LA30表示WAl=99.30%的原始纯铝。

有一些四位数字体系的铝及铝合金牌号，除四位数字外，最后还有一个大写的英文字母如1070A，A表示某一国家新注册的与已注册的牌号成分相似的纯铝或铝合金。1070与1070A基本一样，只因其注册晚了，所以牌号后面加A。（按国际字母表顺序，由A依次选用，但是I、O、Q除外）。

纯铝、铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度（称为防锈铝合金）用于制造塔器、容器等，铝是热的良导体，它的导热能力比铁大3倍，工业上可用铝和Al-Mn、Al-Mg合金制造各种热交换器、散热材料和炊具等。

第十节钛及钛合金钛棒TA1,TA2,TC4

钛及钛合金的性能特点（1）密度小、熔点高，固态下有同素异构转变，纯钛是纯白色轻金属。密度为4.507g/cm3，介于Al和Fe之间，熔点1668℃，高于铁，在882.5℃发生同素异构转变，882.5℃以上为β-Ti（体心立方晶格），882.5℃以下为α-Ti（密排六方晶格），钛合金的密度也较小，也有同素异构转变。

（2）加工性能好，比强度高，低温韧性好。纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛合金的强度很高，σb最高可达1400Mpa，与某些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械性能。

（3）抗腐蚀性能好钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜，具有优良的抗蚀性。

钛及其合金由于具有比强度高、耐热性好、耐蚀性能优异等突出优点，自1952年正式作为结构材料使用以来发展极为迅速，在航空工业和化学工业中得到了广泛的应用。化学性质十分活泼，缺点是在真空或惰性气体中进行生产，成本高，价格贵。

二、钛及钛合金[钛的十大性能]密度小,比强度高；弹性模量低；导热系数小；抗拉强度与其屈服强度接近；无磁性、无毒；抗阻尼性能强；耐热性能好；耐低温性能好；吸气性能；耐腐蚀性能[钛的三大功能]记忆功能；超导功能；贮氢功能

钛是一种银白色的金属，密度小，熔点高，高的比强度和比刚度，较高的高温强度。钛的热膨胀系数很小，热应力较小，导热性差，切削、磨削加工性能较差。在空气中，容易形成薄而致密的惰性氧化膜，在氧化性介质中的耐蚀性优良，在海水等介质中也具有极高的耐蚀性；钛在不同浓度的酸（HF除外）以及碱溶液和有机酸中，也具有良好的耐蚀性。

纯钛纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以上直至熔点具有体心立方晶格，称为β—Ti。在882.5℃以下具有密排六方晶格，称为α—Ti。

纯钛有化学纯钛和工业纯钛之分，化学纯钛强度低，工业纯钛中常见的杂质有O、N、C、H、Fe、Si等元素，按杂质的含量不同，工业纯钛可分为TA1、TA2、TA3三个牌号，“T”为“钛”字的汉语拼音字头，数字为顺序号，数字越大，杂质越多，强度越高，塑性越低。

工业纯钛长期工作温度可达300℃，可制成板材、棒材，线材等。可直接用于飞机、船舶、化工等行业，如热交换器、制盐厂的管道。第十章法兰连接

主要内容：法兰联接结构与密封原理法兰标准及选用。第一节法兰连接为何采用法兰连接：生产工艺要求，或为制造、运输、安装、检修方便，常采用可拆卸的联接结构。常见的可拆卸结构有：法兰联接螺纹联接承插式联接。可拆卸联接应确保接口密封的可靠性。法兰联接强度较好和紧密性，适用尺寸范围宽，设备和管道应用最普遍。法兰联接不能很快装配与拆卸，制造成本较高。设备法兰与管法兰均已制定出标准。根据公称直径和公称压力，可以从标准中查到，少量超出标准规定范围法兰，才需进行设计。一、法兰联接结构与密封原理

法兰联接结构是一个组合件，是由一对法兰，若干螺栓、螺母和一个垫片所组成。联接件强度破坏很少见，多是密封不好而泄漏。设计中要防止介质泄漏。螺栓螺母下法兰上法兰螺栓法兰连接结构

1-螺栓；2-垫片；3-法兰原理：依靠螺栓预紧力把两部分设备或管道法兰环连在一起，同时压紧垫片，使连接处达到密封。

性能：较好的强度和密封性，结构简单，成本低廉，可多次重复拆卸，应用较广。失效形式:主要表现为泄漏,泄漏量控制在工艺和环境允许的范围内。

泄漏途径：渗透泄漏、界面泄漏。

渗透泄漏:通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏，除了受介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质影响外，主要与垫片的结构与材料性质有关。可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良，或与不透性材料组合成型来避免“渗透泄漏”；界面泄漏:沿着垫片与压紧面之间的泄漏，泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上、下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足是造成“界面泄漏”的直接原因。“界面泄漏”是密封失效的主要途径。引入概念2“操作密封比压”：

为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加（维持）在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。

密封比压力主要决定于垫片材质。显然，当垫片材质确定后，垫片越宽，为保证应有的比压力，垫片所需的预紧力就越大，从而螺栓和法兰的尺寸也要求越大，所以法兰联接中垫片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫片。当设备或管道在工作状态时，介质内压形成的轴向力使螺栓被拉伸，法兰密封面沿着彼此分离的方向移动，降低了密封面与垫片之间的压紧应力。

如果垫片具有足够的回弹能力，使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形，而使预紧密封比压值至少降到不小于某一值(这个比压值称为工作密封比压)，则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态。反之，垫片的回弹力不足，预紧密封比压下降到工作密封比压以下，甚至密封处重新出现缝隙，则此密封失效。因此，为了实现法兰联接处的密封，必须使密封组合件各部分的变形与操作条件下的密封条件相适应，即使密封元件在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧力。为此，螺栓和法兰都必须具有足够大的强度和刚度，使螺栓在容器内压形成的轴向力作用下不发生过大的变形。二、法兰的分类（一）整体法兰１．平焊法兰（图(a)、(b)）法兰盘焊接在设备筒体或管道上，制造容易，应用广泛，但刚性较差。法兰受力后，法兰盘的矩形截面发生微小转动，见下图，与法兰相联的筒壁或管壁随着发生弯曲变形。于是在法兰附近筒壁的截面上，将产生附加的弯曲应力。所以平焊法兰适用的压力范围较低（PN<4.0MPa）。

２．对焊法兰对焊法兰又称高颈法兰或长颈法兰。颈的存在提高了法兰的刚性，同时由于颈的根部厚度比筒体厚，所以降低了根部的弯曲应力。此外，法兰与筒体（或管壁）的联接是对接焊缝，比平焊法兰的角焊缝强度好，故对焊法兰适用于压力、温度较高或设备直径较大的场合。二、松式法兰松式法兰的特点是法兰未能有效地与容器或管道连接成一整体，不具有整体式连接的同等强度。由于法兰盘可以采用与设备或管道不同的材料制造，因此这种法兰适用于铜制、铝制、陶瓷、石墨及其非金属材料的设备或管道上。另外，这种法兰受力后不会对筒体或管道产生附加的弯曲应力，这也是它的一个优点，但一般只适用于压力较低的场合。（三）任意式法兰任意式法兰其整体性介于整体法兰和松式法兰之间，包括未焊透的焊接法兰。按形状：圆形法兰是最常见的，方形法兰有利于把管子排列紧凑，椭圆形法兰通常用于阀门和小直径的高压管子上。三、影响法兰密封的因素影响法兰密封的因素主要有：螺栓预紧力；密封面形式；垫片性能；法兰刚度；操作条件。㈠螺栓预紧力螺栓预紧力是影响密封的一个重要因素。预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件。同时，预紧力也不能过大，否则将会使垫片被压坏或挤出。

由于预紧力是通过法兰密封面传递给垫片的，要达到良好的密封，必须使预紧力均匀地作用于垫片。因此，当密封所需要的预紧力一定时，采取增加螺栓个数、减小螺栓直径的办法对密封是有利的。㈡密封面法兰联接密封性能与密封面型式有关，密封面型式选择，主要考虑压力、温度、介质。压力容器和管道中常用的法兰密封面型式和特点：

1、突面（RF）光滑平面，可车制密纹水线。结构简单，加工方便，便于进行防腐衬里。接触面积大，预紧时垫片容易往两边挤，不易压紧。2、凹凸面（MFM）凸面和凹面相配合，凹面上放置垫片，防止垫片被挤出，适用于压力较高。3、榫槽面(TG)槽中垫片不被挤动。螺栓力较小。获得良好的密封效果。结构较复杂，更换垫片较困难。榫面容易损坏，适于易燃、易爆、有毒介质及较高压力。压力不大时，即使直径较大，也能很好密封。4、全平面（FF）与环连接面（RJ）全平面密封适合于压力较小的场合（PN≤1.6MPa）；环连接面主要用在带颈对焊法兰与整体法兰上，适用压力范围为（6.3MPa≤PN≤25.0MPa）。5、其他类型密封面对于高压容器和高压管道的密封，密封面可采用锥形密封面或梯形槽密封面，它们分别与球面金属垫片（透镜垫片）和椭圆形或八角形截面的金属垫片配合。密封面可适用于压力较高的场合，但需要的尺寸精度和表面光洁度高，不易加工。㈢垫片性能垫片适当变形和回弹能力是形成密封的必要条件。最常用垫片分

非金属、金属、非金属与金属混合制的垫片非金属垫片：橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。柔软耐温度和压力性能较金属垫片差。只适用于常、中温和中、低压设备和管道的法兰密封。垫片1000-2.50JB/T4704-2000缠绕式垫片标记如图

标记示例公称直径1000mm，公称压力2．5MPa，钢带为0Crl3，填充带为特制石棉的带内加强环的缠垫，其标记为垫片B51-1000-2.50JB/T4705——2000缠绕式垫片分四种形式：基本型、带内环型、带外环型、带内外环型。热交换器用缠绕式垫片一般分：基本型及带内外环型垫片材料的选择：根据温度、压力以及介质腐蚀决定，同时考虑密封面形式、螺栓力的大小以及装卸要求等。四、法兰标准及选用石油、化工上用的法兰标准有两类，

一类是压力容器法兰标准一类是管法兰标准㈠压力容器法兰标准

选用法兰材料应注意的几个问题

(1)选用板材Q235B.C时，除在公称压力和使用温度限制已体现在表10-10中外Q235-B钢板不得用作盛装毒性为高度或极度危害介质的压力容器法兰。

(2)选用20R，16MnR钢板时要注意两点：一是当厚度大于50mm时，钢板要在正火状态下使用。二是当使用温度低于0℃时，厚度大于25mm的20R，厚度大干38mm16MnR，应做使用温度下的低温冲击试验，得到的冲击功值不得小于31J。

(3)乙型法兰的短节材料应与法兰材料相同。如不相同，其强度级别应不低于法材料，且应与法兰材料间有良好的焊接性，井在图样明细栏中注明，如20R(节16MnR)，短节长度允许加长。加长后，法兰厚度及法兰总高度均应在法兰标记中标明。

(4)选用锻件时，锻件要按JB4726或JB4727的Ⅱ级检验和验收，有特殊要求在图样上注明。3、公称直径与公称压力如何确定法兰尺寸：根据公称直径与公称压力由法兰标准确定法兰尺寸。压力容器法兰公称直径同压力容器例如DN1000mm的压力容器，应当配用DN1000mm的压力容器法兰。

容器法兰的公称直径

指的是与法兰相配的筒体或封头的公称直径。钢板卷制圆筒及与其相配接封头的公称直径均等于其内径，因而其法兰的公称直径也为内径；对带衬环的甲型平焊法兰，以衬环的内经作为法兰的公称直径。法兰公称压力：

与最大操作压力、操作温度以及材料有关。定义：以16MnR在200℃时的机械性能为基准确定法兰尺寸，在200℃时，它的最大允许操作压力就认为是具有该尺寸法兰的公称压力。法兰的公称压力指的是在规定的设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采取的设计压力。

公称压力分成七个等级，即0.25、0.60、1.00、1.60、2.50、4.00、6.40MPa。公称压力PNO.6MPa法兰，用16MnR制造的，在200℃时，最大允许操作压力0.6MPa。高于200℃的最大操作压力将低于它的公称压力0.6MPa。低于200℃仍按200℃确定其最高工作压力。材料改为Q235-A，机械性能比16MnR差，公称压力PN0.6MPa的法兰，200℃操作，最大允许操作压力也低于公称压力。材料由16MnR改为15MnVR，机械性能优于16MnR，公称压力PN0.6MPa的法兰，在200℃操作时，最大允许操作压力将高于它的公称压力。只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。㈡管法兰标准同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸不相同，不能互相代用。管法兰的型式除平焊、对焊法兰外，还有铸钢法兰、铸铁法兰、活套法兰、螺纹法兰等。管法兰标准查选方法、步骤与压力容器法兰同。现行的管法兰标准有两个：GB/T9112～9124-2000外，常用标准还有：化工部标准HG20592～HG20635-97；中石化标准SH3406-96等。其中化工部标准中分为欧洲体系、美洲体系等，我国常用的为欧洲体系。HG管法兰标准共规定了八种不同类型的管法兰和两种法兰盖。P273压力容器的常规设计方法内压、外压（中、低压）几类常用化工设备

换热设备、塔设备、反应釜

第三篇典型化工设备换热器反应釜塔设备换热器概述一、定义

换热器是用来完成各种不同传热过程的设备。

1、如：开水锅炉、水杯、冰箱、空调等。2、是许多工业部门广泛应用的通用工艺设备。通常，在化工厂的建设中，换热器约占总投资的11％～40％。3.可靠性满足操作条件,强度足够,保证使用寿命二、衡量标准2.合理性1.先进性可制造加工，成本可接受传热效率高，流体阻力小，材料省

三、不同目的的换热器

冷却器（cooler）冷凝器（condenser）蒸发器（发生相变）（evaporator）加热器（一般不发生相变）（heater）再沸器（reboiler）废热锅炉（wasteheatboiler）四、换热器的基本类型按传热方式或工作原理分类1、直接接触式传热效果好，但不能用于发生反应或有影响的流体之间直接接触式换热器

热流体冷流体热流体冷流体2、蓄热式温度较高的场合，但有交叉污染，温度波动大蓄热式换热器

冷流体冷流体热流体热流体3、间壁式重点——又称表面式换热器间壁式换热器：冷热两种流体隔开，互不接触，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。应用最为广泛，形式多种多样，如管壳式换热器、板式换热器等对于间壁式换热器，按间壁形状进一步分为(3)管壳式(1)管式(2)紧凑式螺旋板式、板式、板翅、伞板等排管、蛇管、套管重点下面我们来看一看管壳式换热器的基本结构管壳式换热器

换热器构件名称1-管箱(A,B,C,D型);2-接管法兰;3-设备法兰;4-管板;5-壳程接管;6-拉杆;7-膨胀节;8-壳体;9-换热管;10-排气管;11-吊耳;12-封头;13-顶丝;14-双头螺柱;15-螺母;16-垫片;17-防冲板;18-折流板或支承板;19-定距管;20-拉杆螺母;21-支座;22-排液管;23-管箱壳体;24-管程接管;25-分程隔板;26-管箱盖固定管板式换热器

浮头式换热器U形管式换热器填料函式换热器五、管壳式换热器的分类

基本类型（一）固定管板式换热器固定管板式换热器结构三维图

它是将两端管板和壳体连接在一起，因而具有结构简单，造价低廉的优点，但由于壳程清洗和检修困难，管外物料应清洁、不易结垢。为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件（如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。带膨胀节的固定管板式换热器适用场合：适用于壳程介质清洁，不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但是壳程压力不大的场合。

对温差稍大时可在壳体的适当部位焊上补偿圈(或称膨胀节)，通过补偿圈发生弹性变形(拉伸或压缩)来适应外壳和管束不同的膨胀程度，如图示。这种补偿方法简单但有限，只适用于两流体温差小于70℃，壳程流体压强小于0.6MPa的场合。（二）浮头式换热器浮头式换热器fts1.rmfts2.rm

它是将一端管板与壳体相连，而另一端管板不与壳体固定连接，可以沿轴向自由浮动，如图示。这种结构不但可完全消除热应力，而且在清洗和检修时整个管束可以从壳体中抽出。因而尽管其结构复杂，造价高。但应用较为普遍。

优点：

管内和管间清洗方便，不会产生热应力。缺点：结构复杂，设备笨重，造价高，浮头端小盖在操作中无法检查。适用场合：壳体和管束之间壁温相差较大，或介质易结垢的场合。浮头结构沟圈与浮头管板连接（三）U形管式换热器

U型管式换热器它是将每根管子都弯成U型状，两端固定在同一管板的两侧，管板用隔板分成两室，如图示。这种结构使得每根管子可以自由伸缩，与其它管子和壳体无关，从而解决了热补偿问题。这种换热器结构简单，可用于高温高压，但管程不易清洗，而且因管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率低。

优点：结构简单，价格便宜，承受能力强，不会产生热应力。缺点：布板少，管板利用率低，管子坏时不易更换。适用场合：特别适用于管内走清洁而不易结垢的高温、高压、腐蚀性大的物料。（四）填料函式换热器是浮头式换热器的又一种改型结构，它把原置于壳程内部的浮头移至体外，并用填料函来密封壳程内介质的外泄。填料函式密封填料函式换热器优点：结构简单，加工制造方便，造价低，管内和管间清洗方便。

缺点：填料处易泄漏。

适用场合：4MPa以下，且不适用于易挥发、易燃、易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填料的物性限制。（一）工艺计算

六、管壳式换热器设计内容

选型；确定管、壳程；通过化工工艺计算，确定换热器的传热面积，同时选择管径、管长，决定管数、管程数和壳程数

。（二）机械设计

1）壳体直径的决定和壳体厚度的计算；2）换热器封头选择，压力容器法兰选择；3）管板尺寸确定；4）折流板的选择与计算；5）管子拉脱力的计算；6）温差应力计算。第二节管子的选用及其与管板的连接一、管子的选用

（一）直径

粘性大或污浊的流体大管径单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高阻力大，不便清洗，易结垢堵塞用于较清洁的流体小管径（二）规格

（外径×壁厚），长度按规定决定

换热管尺寸φ19×2、φ25×2.5和φ38×2.5mm无缝钢管φ25×2和φ38×2.5mm不锈钢管标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等换热器的换热管长度与公称直径之比，一般在4～25之间，常用的为6～10。立式换热器，其比值多为4～6。（三）结构型式

换热管型式光管强化传热管螺旋槽管螺纹管翅片管（在给热系数低侧）

多用光管，因为结构简单，制造容易，为强化传热，也采用强化传热管。（四）材料由压力、温度、介质的腐蚀性能决定。主要有碳素钢、合金钢、铜、钛、塑料、石墨、玻璃等。金属材料碳素钢低合金钢不锈钢铜铜镍合金铝合金钛等非金属材料石墨陶瓷聚四氟乙烯等二、管子与管板的连接（一）胀接

利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，取去胀管器后，管板与管子产生一定的挤压力，贴在一起达到密封紧固连接的目的。

胀管前后示意图（a）胀管前（b）胀管后适用范围：换热管为碳素钢，管板为碳素钢或低合金钢，设计压力≤4MPa，设计温度≤300℃，且无特殊要求的场合。原因：温度升高，残余应力减小，使管子与管板间的胀接密封性能、紧固性能都下降，故设计温度≤300℃。要求管板硬度大于管子硬度，否则将管端退火后再胀接。胀接时管板上的孔可以是光孔，也可开槽(开槽可以增加连接强度和紧密性)。（二）焊接

优点：在高温高压条件下，焊接连接能保持连接的紧密性，管板加工要求可降低，节省孔的加工工时，工艺较胀接简单，压力较低时可使用较薄的管板。缺点：在焊接接头处产生的热应力可能造成应力腐蚀开裂和疲劳破裂，同时管子、管板间存在间隙，易出现间隙腐蚀。焊接间隙示意图管板间隙换热管（三）胀焊并用胀焊并用连接主要有：强度焊＋贴胀………………先焊后胀强度胀＋密封焊………………先胀后焊概念解释：密封焊—不保证强度，只防漏；强度焊—既防漏，又保证抗拉脱强度；贴胀—只消除间隙，不承担拉脱力；强度胀—既消除间隙，又满足胀接强度。目前，先焊后胀与先胀后焊两派学说仍处于争议之中。

二、管间距（一）定义（二）要求管间距指两相邻换热管中心的距离。管间距≥1.25d0，，便于管子与管板间的连接，因为对于胀接或焊接来讲，管子间距离太近，那么都会影响连接质量。最外层管壁与壳壁之间的距离为10mm，主要是为折流板易于加工，不易损坏。常用换热管中心距/mm换热管外径do1214192532384557换热管中心距1619253240485772

最外层换热管中心至壳体内表面的距离不应小于[(换热管外径的一半)＋10mm]。三、管程的分程及管板与隔板的连接

当换热器所需的换热面积较大，而管子做得太长时，就得增大壳体直径，排列较多的管子。此时，为了增加管程流速，提高传热效果，须将管束分程，使流体依次流过各程管子。（一）分程原因

（二）分程原则

（三）分程隔板

双层隔板与管板的密封①各程换热管数应大致相等；②相邻程间平均壁温差一般不应超过28℃；③各程间的密封长度应最短；④分程隔板的形状应简单。单层隔板与管板的密封隔板管板封头隔板管板五、管板与壳体的连接结构（一）不可拆的焊接式

固定管板式换热器管板与壳体的连接兼做法兰不兼做法兰

板式塔为逐级接触式气液传质设备，是最常用的气液传质设备之一。1-气液传质区

2-气液分离区

3-降液区图1板式塔传质机理示意图

如图片所示，板式塔为逐级接触式气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。

传质机理：操作时，塔内液体依靠重力作用，由上层塔板的降液管流到下层塔板的受液盘，然后横向流过塔板，从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液层。

气体则在压力差的推动下，自下而上穿过各层塔板的气体通道（泡罩、筛孔或浮阀等），分散成小股气流，鼓泡通过各层塔板的液层。在塔板上，气液两相密切接触，进行热量和质量的交换。在板式塔中，气液两相逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化，在正常操作下，液相为连续相，气相为分散相。

一般而论，板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故工业上应用较为广泛。板式塔优点：重量轻、效率高、处理量大、便于维修。缺点：结构复杂、压力降大。板式塔分类板式塔的气液流动类型对于一块塔板，气液间的相对流向有两种类型：

①错流式

液体沿水平方向横过塔板，气体则沿与塔板垂直方向由下而上穿过板上的孔通过塔板，气液呈错流。筛板塔、浮阀塔及泡罩塔等的操作均属此类型。这种类型塔的结构特点是具有降液管。降液管提供了液体从一块塔板流至其下一块塔板的通道。

②逆流式

气液皆沿与水平塔板相垂直的方向穿过板上的孔通过塔板。气体由下而上，液体由上而下，气液呈逆流。淋降筛板塔即属此类型。此类型塔板没有降液管。泡罩塔泡罩塔是Cellier于1813年提出的最早工业规模应用的板式塔型式。泡罩塔的结构及操作情况如图所示。液体通过降液管从一块塔板流至下一块塔板。为使液体在塔板上有一定的积液厚度，塔板上液体流出口处设置有溢流堰。在塔板上钻有若干规则排列的圆孔，每个孔均装有升气管，升气管上又固定有泡罩。泡罩下缘开有齿缝。操作时，气体向上流过升气管后遇到泡罩便转而向下流动，经升气管外侧与泡罩内侧构成的通道后在泡罩齿缝处分散成许多小气泡进入塔板上液层。气体以气泡形式在液相中浮升并与液体进行相际传质。当气体跃离液面时液膜破裂，气体便流至上一层塔板。泡罩塔板

是工业上应用最早的塔板，其结构如图片所示，它主要由升气管及泡罩构成。泡罩安装在升气管的顶部，分圆形和条形两种，以前者使用较广。泡罩有80、100、150mm三种尺寸，可根据塔径的大小选择。泡罩的下部周边开有很多齿缝，齿缝一般为三角形、矩形或梯形。泡罩在塔板上为正三角形排列。

泡罩塔板的单个泡罩泡罩塔板的优点是操作弹性较大，塔板不易堵塞；缺点是结构复杂、造价高，板上液层厚，塔板压降大，生产能力及板效率较低。泡罩塔板已逐渐被筛板、浮阀塔板所取代，在新建塔设备中已很少采用。

泡罩塔板的单个泡罩大型泡罩塔盘泡罩塔操作液量过小气体直接排开液体上升液量过大液体从泡罩升气管流下（倾流）气量过小脉冲鼓泡气量过大雾沫夹带气、液量均很大液泛1、操作弹性大，在气、液负荷波动较大时仍能保持较恒定的塔板效率。2、对物料适应性强，塔板不易堵塞。泡罩塔优点1、结构复杂，金属耗量大，造价高，安装和维修不方便。2、气体