第一章 化工设备常用材料及其选择(1)PPT课件
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化工设备机械基础
• ⑤产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般 要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产 中间产品，则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低， 此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个 生产系统的经济效果来确定。
• 三、容器零部件的标准化
• 1．标准化的意义
• ①组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，有利于 成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本从而 提高产品的竞争能力。
金属腐蚀破坏的形式: 均匀腐蚀与非均匀腐蚀（又称局部腐蚀）
金属设备的防腐措施：
1、衬覆保护层 2、电化学保护 3、缓蚀剂
第二章 容器设计的基本知识
• 一、容器的分类与结构 • （一）结构
• （二）分类 • 第一种：按设计压力分类 • 按承压方式，压力容器可分为内压容器与外压容器。 • 内压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级：：
一化学腐蚀：金属遇到干燥的气体或非电解质溶液而发生化 学作用所引起的腐蚀。其产物在金属的表面，腐蚀过程 中没有电流的产生。
二氢腐蚀：氢气在较低温度和压力(＜200℃，＜5.0MPa)下 对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是在高温 高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和 塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“氢腐蚀”。
（也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料的 缺口敏感性。）
• 4.硬度 ： • 衡量材料软硬的一个指标 • 总之，在材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指
标中， • 强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。 二化学性能（主要指耐腐蚀性和抗氧化性） • 1、耐腐蚀性： • 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能
《化工设备常见材料》课件
包装材料、建筑材料、家电产品等。
主要合成塑料种类
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
合成塑料的特点
具有优良的绝缘性、耐腐蚀性和加工 性能，可根据需要定制各种形状和用 途的产品。
05
无机非金属材料
水泥
水泥是一种重要的建筑材料，主要用于混凝土的制备。
水泥的凝固时间可以通过添加不同比例的缓凝剂进行调 节。
水泥的强度等级分为325、425、525和625四个等级， 数字越大，强度越高。
水泥的储存应避免潮湿环境，以免结块和硬化。
耐火材料
01
02
03
04
耐火材料是指在高温下不易熔 化或变形的材料，用于制造炉
具、高温管道等。
耐火材料的种类繁多，包括硅 质、粘土质、高铝质、刚玉质
等。
耐火材料的性能取决于其化学 成分和显微结构，如气孔率、 体积密度、常温耐压强度等。
耐火材料在使用过程中应定期 进行维护和检查，以确保其性
复合材料
由两种或两种以上材料组 成，具有各组成材料的优 点。
化工设备材料的特点
高耐腐蚀性
能够承受各种化学介质的腐蚀，保证设备的 长期稳定运行。
良好的加工性能
能够根据需要进行加工和制造，满足设备的 各种形状和尺寸要求。
高强度和刚度
能够承受各种外力和压力，保证设备的机械 性能。
良好的热稳定性和耐热性
能够在高温或低温环境下保持材料的性能和 稳定性。
塑料的种类
常见的塑料有聚乙烯、聚丙烯 、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等， 每种塑料都有其特定的性能和 用途。
塑料的选用原则
选择塑料时，应考虑其耐腐蚀 性、机械强度、加工性能和成
本等因素。
橡胶
01
02
主要合成塑料种类
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
合成塑料的特点
具有优良的绝缘性、耐腐蚀性和加工 性能，可根据需要定制各种形状和用 途的产品。
05
无机非金属材料
水泥
水泥是一种重要的建筑材料，主要用于混凝土的制备。
水泥的凝固时间可以通过添加不同比例的缓凝剂进行调 节。
水泥的强度等级分为325、425、525和625四个等级， 数字越大，强度越高。
水泥的储存应避免潮湿环境，以免结块和硬化。
耐火材料
01
02
03
04
耐火材料是指在高温下不易熔 化或变形的材料，用于制造炉
具、高温管道等。
耐火材料的种类繁多，包括硅 质、粘土质、高铝质、刚玉质
等。
耐火材料的性能取决于其化学 成分和显微结构，如气孔率、 体积密度、常温耐压强度等。
耐火材料在使用过程中应定期 进行维护和检查，以确保其性
复合材料
由两种或两种以上材料组 成，具有各组成材料的优 点。
化工设备材料的特点
高耐腐蚀性
能够承受各种化学介质的腐蚀，保证设备的 长期稳定运行。
良好的加工性能
能够根据需要进行加工和制造，满足设备的 各种形状和尺寸要求。
高强度和刚度
能够承受各种外力和压力，保证设备的机械 性能。
良好的热稳定性和耐热性
能够在高温或低温环境下保持材料的性能和 稳定性。
塑料的种类
常见的塑料有聚乙烯、聚丙烯 、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等， 每种塑料都有其特定的性能和 用途。
塑料的选用原则
选择塑料时，应考虑其耐腐蚀 性、机械强度、加工性能和成
本等因素。
橡胶
01
02
化工设备机械基础 化工设备材料及其选择
44
时效热处理：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。
45
3、表面淬火
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。
46
4、化学热处理
有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳 与氮共渗)等。 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。
测量方法（压入硬度）：测定一定的压力（F）和 规定的压头所形成的压痕深度或面积。
布氏硬度：HBS-钢球(<450)HBW-硬质合金球(450650) 洛氏硬度：HRA、HRB、HRC，(>650) 其他：维氏硬度(HV)和肖氏硬度(HS)
反映材料弹性、强度与塑性的综合性能指标
14
4、冲击韧性
冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸 收的能除以试件的截面面积 低温容器所用钢板αk值不得低于 30J/cm2
38
（4）铸钢和锻钢
铸钢用 ZG表示， ZG25、 ZG35等，用于制造 各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、 泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、…、50等牌号。石油化工 容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。
39
四、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变 金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能， 称为热处理。
27
二 铁 碳 合 金 状 态 图
28
其他（自学）
碳钢在常温下的组织 共析钢(0.77%C) 亚共析钢(<0.77%C) 过共析钢(0.77~2.11%C) 铸铁(2.11~4.3%C)
时效热处理：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。
45
3、表面淬火
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。
46
4、化学热处理
有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳 与氮共渗)等。 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。
测量方法（压入硬度）：测定一定的压力（F）和 规定的压头所形成的压痕深度或面积。
布氏硬度：HBS-钢球(<450)HBW-硬质合金球(450650) 洛氏硬度：HRA、HRB、HRC，(>650) 其他：维氏硬度(HV)和肖氏硬度(HS)
反映材料弹性、强度与塑性的综合性能指标
14
4、冲击韧性
冲击韧度αk，使其破坏所消耗的功或吸 收的能除以试件的截面面积 低温容器所用钢板αk值不得低于 30J/cm2
38
（4）铸钢和锻钢
铸钢用 ZG表示， ZG25、 ZG35等，用于制造 各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、 泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、…、50等牌号。石油化工 容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。
39
四、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变 金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能， 称为热处理。
27
二 铁 碳 合 金 状 态 图
28
其他（自学）
碳钢在常温下的组织 共析钢(0.77%C) 亚共析钢(<0.77%C) 过共析钢(0.77~2.11%C) 铸铁(2.11~4.3%C)
化工设备基础知识(PPT39页).ppt
化工设备基础
主讲 王松竹
二〇〇九年九月
化工设备基础——基础知识
化工设备基础——基础知识
新内容简介
模块一 化工设备基础知识
任务一 课程知识构架及学习目标 任务二 化工生产与化工设备的关系
任务三 化工生产对化工设备的基本 要求
任务四 化工容器的结构与分类
化工设备基础——基础知识
任务一 课程知识构架及学习目标
化工设备基础——基础知识
化工设备的特点
❖ 功能原理的多样化 须进行单独的设计 ❖ 外部壳体多是压力容器 ❖ 化—机—电技术紧密结合 ❖ 设备结构大型化 吨量大 尺寸大 温度高 目前国内：合成氨年产量达30多万吨 尿素高达60多
万吨 国外：合成氨年产量达60多万吨 尿素高达100多万吨
合成氨塔的直径达3000mm 12.5万m3 储油罐高达20m
压容器。反之，则为外压容器。 ➢ 真空容器是指内部压力小于一个绝对大气
压(0.1MPa)的外压容器。
化工设备基础——基础知识
➢内压容器按其设计压力，可划分为低压、中
压、高压和超高压四个压力等级。高压容器的设 计计算方法、材料选择、制造技术及检验要求与 中、低压容器不同。本书只讨论中、低压容器的 设计。
化工设备基础——基础知识
任务三 化工生产对化工设备的基本要求
化工生产的特点
生产的连续性强
➢处理物料大多是气体、液体和粉体，处理过程如传质、传热、化学 反应可连续进行，为了提高生产效率，节约成本，化工生产过程一般 采用连续的工艺流程。在连续性的过程中，每一生产环节都非常重要， 若出现事故，将破坏连续性生产
.
化工设备基础——基础知识
❖ 按工作温度分－－
❖ 低温容器
－２０ ℃
主讲 王松竹
二〇〇九年九月
化工设备基础——基础知识
化工设备基础——基础知识
新内容简介
模块一 化工设备基础知识
任务一 课程知识构架及学习目标 任务二 化工生产与化工设备的关系
任务三 化工生产对化工设备的基本 要求
任务四 化工容器的结构与分类
化工设备基础——基础知识
任务一 课程知识构架及学习目标
化工设备基础——基础知识
化工设备的特点
❖ 功能原理的多样化 须进行单独的设计 ❖ 外部壳体多是压力容器 ❖ 化—机—电技术紧密结合 ❖ 设备结构大型化 吨量大 尺寸大 温度高 目前国内：合成氨年产量达30多万吨 尿素高达60多
万吨 国外：合成氨年产量达60多万吨 尿素高达100多万吨
合成氨塔的直径达3000mm 12.5万m3 储油罐高达20m
压容器。反之，则为外压容器。 ➢ 真空容器是指内部压力小于一个绝对大气
压(0.1MPa)的外压容器。
化工设备基础——基础知识
➢内压容器按其设计压力，可划分为低压、中
压、高压和超高压四个压力等级。高压容器的设 计计算方法、材料选择、制造技术及检验要求与 中、低压容器不同。本书只讨论中、低压容器的 设计。
化工设备基础——基础知识
任务三 化工生产对化工设备的基本要求
化工生产的特点
生产的连续性强
➢处理物料大多是气体、液体和粉体，处理过程如传质、传热、化学 反应可连续进行，为了提高生产效率，节约成本，化工生产过程一般 采用连续的工艺流程。在连续性的过程中，每一生产环节都非常重要， 若出现事故，将破坏连续性生产
.
化工设备基础——基础知识
❖ 按工作温度分－－
❖ 低温容器
－２０ ℃
第一章_化工设备常用材料及其选择
化工设备机械基础
2020/7/19
化工生产和化工机械
化工生产是以流体（气体、液体、粉体） 为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获 得设计规定的产品为目的的工业生产。
化工生产过程的决定因素：化学工艺过程
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
2020/7/19
化工机器（动设备）
化工设备：
e P
b
a
相同，如何理解弹性模量？
o
(1)式称为虎克定律，该定律也可用于受压杆件，但符号为负
2020/7/19
1.2 材料的性能
横向线应变：
' d1 d d
dd
d
ε' 为横向线应变
研究表明在弹性阶段杆件的横向
应变ε'和轴向应变ε之比的绝对
值是一个常数
d1
拉伸
'
2020/7/19
，称为横向变形系数或者泊桑比
2020/7/19
第1章 化工设备材料及其选择
本章重点：材料的力学性能及化工设备材料 的选择
本章难点：材料的性能 计划学时： 8学时
2020/7/19
1.1 概 述
1.1.1 化工设备选材的重要性和复杂性
1、操作条件的限制 压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求 温度：-250℃～2000℃，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反 应堆中子照射（变脆)
1.2 材料的性能
（2）屈服阶段（bc段）
பைடு நூலகம்
在此阶段，曲线上升
坡度变缓，在C点附近， 应力几乎不变的情况
下，试件的应变量在 增加，此时我们认为
b c s
材料对外力“屈服”
2020/7/19
化工生产和化工机械
化工生产是以流体（气体、液体、粉体） 为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获 得设计规定的产品为目的的工业生产。
化工生产过程的决定因素：化学工艺过程
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
2020/7/19
化工机器（动设备）
化工设备：
e P
b
a
相同，如何理解弹性模量？
o
(1)式称为虎克定律，该定律也可用于受压杆件，但符号为负
2020/7/19
1.2 材料的性能
横向线应变：
' d1 d d
dd
d
ε' 为横向线应变
研究表明在弹性阶段杆件的横向
应变ε'和轴向应变ε之比的绝对
值是一个常数
d1
拉伸
'
2020/7/19
，称为横向变形系数或者泊桑比
2020/7/19
第1章 化工设备材料及其选择
本章重点：材料的力学性能及化工设备材料 的选择
本章难点：材料的性能 计划学时： 8学时
2020/7/19
1.1 概 述
1.1.1 化工设备选材的重要性和复杂性
1、操作条件的限制 压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求 温度：-250℃～2000℃，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反 应堆中子照射（变脆)
1.2 材料的性能
（2）屈服阶段（bc段）
பைடு நூலகம்
在此阶段，曲线上升
坡度变缓，在C点附近， 应力几乎不变的情况
下，试件的应变量在 增加，此时我们认为
b c s
材料对外力“屈服”
化工设备基础知识化工设备主要零部件PPT
化工设备基础知识 化工设备主要零部
件
化工设备基础知识
❖ 绪论
❖ 第一章 ❖ 第二章 ❖ 第三章 ❖ 第四章
化工设备常用材料 内压容器和外压容器 化工设备主要零部件 换热设备
❖ 第五章 塔设备
❖ 第六章 反应设备
❖ 第七章 加热炉和废热锅炉
❖ 第八章 油 罐
第三章 化工设备主要零部件
❖ 法兰连接 ❖ 开孔与补强 ❖ 人孔、手孔 ❖ 安全附件 ❖ 支座 ❖ 章结
标准号（JB/T4704-2000）
法兰在螺栓预紧力的作用下，将压紧面之间的垫片压紧，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫圈变形，填满法兰密封面
上的不平处 。 流体阻力大，阀体较长，占地较大。
公称压力（MPa）
玻璃破碎或刻度不清的压力表应停止使用。
长颈对焊法兰 三种 检查连接管上旋塞是否处于全开状态。
❖ 常压平盖人孔 ❖ 快开人孔：须经常开启的人孔
✓ 回转拱盖快开人孔 ✓ 手摇快开人孔 ✓ 旋柄快开人孔
❖ 受压人孔 ❖ 手孔：与人孔结构有许多相似的地方
DN小
常压平盖人孔
在带有法兰的接管上加装盲板 用于常压容器（不需经常检修）
回转拱盖快开人孔
通过螺杆拉紧两个半圆的锥面卡环压紧法兰
法兰在螺栓预紧力的作用下，将压紧面之间的垫片压紧，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫圈变形，填满法兰密封面
1、结构简单、安全可靠、测量数据准确，精度要高，液位指示明显醒目，操作维修方便。
凹面放垫圈，不会挤往外侧
适用于压力、温度高的设备
结构简单、加工方便、垫圈没有定位处，加压时易往两边伸展，不易压紧。
灵敏度高、测量范围大，便于远距离测量和自动记录等。
件
化工设备基础知识
❖ 绪论
❖ 第一章 ❖ 第二章 ❖ 第三章 ❖ 第四章
化工设备常用材料 内压容器和外压容器 化工设备主要零部件 换热设备
❖ 第五章 塔设备
❖ 第六章 反应设备
❖ 第七章 加热炉和废热锅炉
❖ 第八章 油 罐
第三章 化工设备主要零部件
❖ 法兰连接 ❖ 开孔与补强 ❖ 人孔、手孔 ❖ 安全附件 ❖ 支座 ❖ 章结
标准号（JB/T4704-2000）
法兰在螺栓预紧力的作用下，将压紧面之间的垫片压紧，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫圈变形，填满法兰密封面
上的不平处 。 流体阻力大，阀体较长，占地较大。
公称压力（MPa）
玻璃破碎或刻度不清的压力表应停止使用。
长颈对焊法兰 三种 检查连接管上旋塞是否处于全开状态。
❖ 常压平盖人孔 ❖ 快开人孔：须经常开启的人孔
✓ 回转拱盖快开人孔 ✓ 手摇快开人孔 ✓ 旋柄快开人孔
❖ 受压人孔 ❖ 手孔：与人孔结构有许多相似的地方
DN小
常压平盖人孔
在带有法兰的接管上加装盲板 用于常压容器（不需经常检修）
回转拱盖快开人孔
通过螺杆拉紧两个半圆的锥面卡环压紧法兰
法兰在螺栓预紧力的作用下，将压紧面之间的垫片压紧，当垫圈单位面积上所受的压紧力达到某一值时，垫圈变形，填满法兰密封面
1、结构简单、安全可靠、测量数据准确，精度要高，液位指示明显醒目，操作维修方便。
凹面放垫圈，不会挤往外侧
适用于压力、温度高的设备
结构简单、加工方便、垫圈没有定位处，加压时易往两边伸展，不易压紧。
灵敏度高、测量范围大，便于远距离测量和自动记录等。
第一章 化工设备常用材料及其选择(1)PPT课件
低碳钢单向拉伸实验结果如图所示
ε=Δl / l0 σ=P / Fo
2020/8/10
应力-应变关系曲线
17
1.2 材料的性能
金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹－塑性变形阶段 （3）断裂 断裂的两种形式：
脆性断裂：断裂之前没有明显塑性变形阶段的。 （更危险）
韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生断裂的。
2020/8/10
7
本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择（第1章） 2、化工容器的设计（第2-6章）
1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计； 2）外压圆筒与封头的强度设计； 3）容器的零部件（法兰 开孔补强 ）。 3、典型化工设备的机械设计（第7-8章） 1）换热器； 2）塔设备；
2020/8/10
1.2 材料的性能
（4）颈缩阶段（df段）
当载荷加到上述最大值
后，我们会发现在试件
的某个部位直接突然变
或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，
这种现象，习惯上称为“屈服”。
❖ 屈服点（σs）
❖
发生屈服现象时的应力．即开始出现塑性
变形时的应力，称为“屈服点”，用σs (MPa)
表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
❖ 注：应力不是力，是压强。
2020/8/10
23
1.2 材料的性能
s
Ps F0
载荷不再增加，甚至有所降低时， 试件还在继续伸长的最小载荷， N
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
2020/8/10
化工机器（动设备）
3
化工设备：
2020/8/10
4
2020/8/10
5
ε=Δl / l0 σ=P / Fo
2020/8/10
应力-应变关系曲线
17
1.2 材料的性能
金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹－塑性变形阶段 （3）断裂 断裂的两种形式：
脆性断裂：断裂之前没有明显塑性变形阶段的。 （更危险）
韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生断裂的。
2020/8/10
7
本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择（第1章） 2、化工容器的设计（第2-6章）
1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计； 2）外压圆筒与封头的强度设计； 3）容器的零部件（法兰 开孔补强 ）。 3、典型化工设备的机械设计（第7-8章） 1）换热器； 2）塔设备；
2020/8/10
1.2 材料的性能
（4）颈缩阶段（df段）
当载荷加到上述最大值
后，我们会发现在试件
的某个部位直接突然变
或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，
这种现象，习惯上称为“屈服”。
❖ 屈服点（σs）
❖
发生屈服现象时的应力．即开始出现塑性
变形时的应力，称为“屈服点”，用σs (MPa)
表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
❖ 注：应力不是力，是压强。
2020/8/10
23
1.2 材料的性能
s
Ps F0
载荷不再增加，甚至有所降低时， 试件还在继续伸长的最小载荷， N
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
2020/8/10
化工机器（动设备）
3
化工设备：
2020/8/10
4
2020/8/10
5
化工设备材料及其选择知识
➢ 莱氏体：珠光体与初次渗碳体组成。是一种较粗而硬的 组织。
铁的熔点
1.5 铁碳合金状态图
γ-Fe
α-Fe
(亚共析钢)
(过共析钢)
共晶白 碳含量对碳钢机械性能的影响
2. 杂质元素对碳钢性能的影响
❖ 对碳钢性能有利的元素
锰(Mn)：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用；
退火与正火
退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段 时间，然后随炉一起缓慢冷却下来。
正火：将加热后的工件从炉中取出，置于空气中冷却。 退火与正火：可降低硬度，提高塑性；调整组织，部分
改善机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力。 正火烧出来的粒子更细。
淬火与回火
淬火：将钢加热到淬火温度——临界点以上30~50℃ ， 并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组 织的一种热处理工艺。可提高硬度、强度和耐磨性。
2. 设备选材的基本要求
• 有足够的力学性能； • 具有良好的加工性能； • 具有良好的耐腐蚀性能； • 经济合算； • 其它各种性能符合设计要求。
基本概念
应力（Stress） σ 应力定义为“单位面积上所承受的力”。
按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以分 为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。
3.3 维氏硬度HV （始于1925年）
原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o的四 方角锥体，由金刚石制成；
HV
1.854 P d2
kgf
mm 2
优点：
其中：d为压痕对角线长度
• 因为四方角锥压头，当负荷改变时，压入角不变，因此负荷可以 任意选择（最大优点）；
• 通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的硬度 值完全相等；
铁的熔点
1.5 铁碳合金状态图
γ-Fe
α-Fe
(亚共析钢)
(过共析钢)
共晶白 碳含量对碳钢机械性能的影响
2. 杂质元素对碳钢性能的影响
❖ 对碳钢性能有利的元素
锰(Mn)：弱氧化剂，有脱氧和减轻硫的有害作用；
退火与正火
退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段 时间，然后随炉一起缓慢冷却下来。
正火：将加热后的工件从炉中取出，置于空气中冷却。 退火与正火：可降低硬度，提高塑性；调整组织，部分
改善机械性能；使组织均匀化，消除部分内应力。 正火烧出来的粒子更细。
淬火与回火
淬火：将钢加热到淬火温度——临界点以上30~50℃ ， 并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组 织的一种热处理工艺。可提高硬度、强度和耐磨性。
2. 设备选材的基本要求
• 有足够的力学性能； • 具有良好的加工性能； • 具有良好的耐腐蚀性能； • 经济合算； • 其它各种性能符合设计要求。
基本概念
应力（Stress） σ 应力定义为“单位面积上所承受的力”。
按照载荷（Load）作用的形式不同，应力又可以分 为拉伸压缩应力、弯曲应力和扭转应力。
3.3 维氏硬度HV （始于1925年）
原理类似于布氏硬度，而压头为锥面夹角为136o的四 方角锥体，由金刚石制成；
HV
1.854 P d2
kgf
mm 2
优点：
其中：d为压痕对角线长度
• 因为四方角锥压头，当负荷改变时，压入角不变，因此负荷可以 任意选择（最大优点）；
• 通过维氏硬度试验得到的硬度值和通过布氏硬度试验得到的硬度 值完全相等；
化工设备常用材料PPT课件
第28页/共46页
• （6）时效
• 操作方法：将钢件加热到80~200度，保温5~20小 时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。
• 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期 间的变形；2.减轻淬火以及磨削加工后的内应力，稳 定形状和尺寸。
• 应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要 求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量 工具、床身机箱等。
• 16MnDR：可用于-40℃的钢种；液氨储罐等设备 • 15MnNiDR：提高了低温韧性；-40℃级低温球形容器 • 09MnNiDR：-70℃级低温压力容器用钢；用于制造液丙烯（-47.7℃）、液硫化氢（-
61℃ ）等设备
• 15CrMoR
• 低合金珠光体热强钢 • 中温抗氢钢板 • 用于制造壁温不超过560℃的压力容器
钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/10~1/3。 • 复合板应用特点： • 用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从
而降低压力容器的制造成本。 • 复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，
因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。
第11页/共46页
第26页/共46页
• （4）回火
• 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后， 于空气或油、热水、水中冷却。
• 目的：1.降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2.调整 硬度，提高塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3.稳定工件尺寸。
• 应用要点：1.保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持 一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的 冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；2.一般钢尽量避 免在230~280度、不锈钢在400~450度之间回火，因为这时会产生一 次回火脆性。
• （6）时效
• 操作方法：将钢件加热到80~200度，保温5~20小 时或更长时间，然后随炉取出在空气中冷却。
• 目的：1. 稳定钢件淬火后的组织，减小存放或使用期 间的变形；2.减轻淬火以及磨削加工后的内应力，稳 定形状和尺寸。
• 应用要点：1. 适用于经淬火后的各钢种；2.常用于要 求形状不再发生变化的紧密工件，如紧密丝杠、测量 工具、床身机箱等。
• 16MnDR：可用于-40℃的钢种；液氨储罐等设备 • 15MnNiDR：提高了低温韧性；-40℃级低温球形容器 • 09MnNiDR：-70℃级低温压力容器用钢；用于制造液丙烯（-47.7℃）、液硫化氢（-
61℃ ）等设备
• 15CrMoR
• 低合金珠光体热强钢 • 中温抗氢钢板 • 用于制造壁温不超过560℃的压力容器
钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/10~1/3。 • 复合板应用特点： • 用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从
而降低压力容器的制造成本。 • 复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，
因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。
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• （4）回火
• 操作方法：将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度，经保温后， 于空气或油、热水、水中冷却。
• 目的：1.降低或消除淬火后的内应力，减少工件的变形和开裂；2.调整 硬度，提高塑性和韧性，获得工作所要求的力学性能；3.稳定工件尺寸。
• 应用要点：1.保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在保持 一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火；以保持高的 冲击韧度和塑性为主，又有足够的强度时用高温回火；2.一般钢尽量避 免在230~280度、不锈钢在400~450度之间回火，因为这时会产生一 次回火脆性。
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拉伸试验
试样按标准制备，然后将试件装在材料试验机上， 启动加力机构，缓慢增加拉力P直至断裂为止。
在加力过程中随时记录载荷P和相应的变形量Δl 的 数值。同时还要注意观察试件变形和破坏的现象。
2020/11/8
l0=10d0
1.2 材料的性能
2020/11/8
1.2 材料的性能
低碳钢单向拉伸实验结果如图所示
2020/11/8
第1章 化工设备材料及其选择
本章重点：材料的力学性能及化工设备材料 的选择
本章难点：材料的性能 计划学时： 8学时
2020/11/8
1.1 概 述
1.1.1 化工设备选材的重要性和复杂性
1、操作条件的限制 压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求 温度：-250℃～2000℃，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反 应堆中子照射（变脆)
2020/11/8
1.2 材料的性能
（3）强化阶段(cd段) 材料过了屈服点后，曲线又开始 上升，曲线陡度变得十分平缓，这
说明材料又具备较弱的抵抗形变
的能力，称强化阶段 特点：（1）大比例的塑性变 形，少量的弹性变形；
（2）所加拉力达到最大值
d
b
c
2020/11/8
1.2 材料的性能
（4）颈缩阶段（df段）
性能、切削加工性能、热处理性能。
2020/11/8
1.2 材料的性能
1.2.1、力学性能
材料的力学性能：材料抵抗外力而不产生超过允许的 变形或不被破坏的能力。 主要特征指标：强度、塑性、弹性、韧性、硬度等 一、强度
强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形 和断裂的特性。
2020/11/8
1.2 材料的性能
❖ 屈服点（σs）
❖
发生屈服现象时的应力．即开始出现塑性
变形时的应力，称为“屈服点”，用σs (MPa)
表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
❖ 注：应力不是力，是压强。
2020/11/8
1.2 材料的性能
s
Ps F0
载荷不再增加，甚至有所降低时， 试件还在继续伸长的最小载荷， N
试件的原始横截面积， m2
1.2 材料的性能
1、 低碳钢在外力作用下
的变形和破坏过程
d
b
f
e P
b a c s
o
2020/11/8
比例极限σp 弹性极限σe 屈服强度σs 强度极限σb
……
1.2 材料的性能
（1）弹性变形阶段与虎克定律（Ob段） 在弹性阶段内，应力与应变成直线关系
tan E
E ……(1)
E为弹性模量，其单位和应力
2020/11/8
2020/11/8
2020/11/8
化工生产自身的特点： 1、生产的连续性强 2、生产的条件苛刻
介质的腐蚀性强 ；温度和压力变化大 介质大多易燃易爆有毒性 生产原理的多样性
2020/11/8
本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择（第1章） 2、化工容器的设计（第2-6章）
化工设备机械基础
2020/11/8
化工生产和化工机械
化工生产是以流体（气体、液体、粉体） 为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获 得设计规定的产品为目的的工业生产。
化工生产过程的决定因素：化学工艺过程
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
2020/11/8
化工机器（动设备）
化工设备：
ε=Δl / l0 σ=P / Fo
2020/11/8
应力-应变关系曲线
1.2 材料的性能
金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹－塑性变形阶段 （3）断裂
断裂的两种形式： 脆性断裂：断裂之前没有明显塑性变形阶段的。
（更危险） 韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生断裂的。
2020/11/8
1.2 材料的性能
（2）屈服阶段（bc段）
在此阶段，曲线上升
坡度变缓，在C点附近， 应力几乎不变的情况
下，试件的应变量在 增加，此时我们认为
b c s
材料对外力“屈服”
2020/11/8
o
1.2 材料的性能
❖ 屈服
❖
金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加
或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，
这种现象，习惯上称为“屈服”。
2、制造条件的限制 设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使
它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要 求材料的加工性能要好。
2020/11/8
1.1 概 述
1.1.2 选用材料的一般要求
（1）材料品种应符合我国资源和供应情况； （2）材质可靠，能保证使用寿命； （3）足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介 质能耐腐蚀； （4）便于制造加工，焊接性能良好； （5）成本低，经济上合算。
e P
b
a
相同，如何理解弹性模量？
o
(1)式称为虎克定律，该定律也可用于受压杆件，但符号为负
2020/11/8
1.2 材料的性能
横向线应变：
' d1 d d
dd
d
ε' 为横向线应变
研究表明在弹性阶段杆件的横向
应变ε'和轴向应变ε之比的绝对
值是一个常数
d1
拉伸
'
2020/11/8
，称为横向变形系数或者泊桑比
当载荷加到上述最大值
后，我们会发现在试件
的某个部位直接突然变
细，出现所谓的“颈缩”
现象。
d
f
f点为断裂点
2020/11/8
1.2 材料的性能
将从材料开始出现颈缩时的最高名义压力表示为
P b ，其反应的是材料抵抗断裂能力的大小
抗拉强度（ σb ） 金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断
1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计； 2）外压圆筒与封头的强度设计； 3）容器的零部件（法兰 开孔补强 ）。 3、典型化工设备的机械设计（第7-8章） 1）换热器； 2）塔设备；
2020/11/8
❖ 要求： ❖ 了解材料的各种性能，影响材料性能的因
素，化工设备常用材料，学会根据工艺条件 选用化工设备材料； ❖ 掌握薄壁容器筒体与各种封头的强度、稳 定设计原则，掌握中、低压容器的强度、稳 定设计方法； ❖ 掌握容器零部件的设计计算和选用标准； ❖ 掌握列管式换热器、塔设备结构设计与机 械设计方法。
选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的 原则。
2020/11/8
1.2 材料的性能
❖ 材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能、 工艺性能
❖ 物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、电阻率、 弹性模数、泊桑比等；
❖ 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性
❖ 工艺性能：
❖
指在保证加工质量的前提下加工过程的难
易程度。主要有：铸造性能、锻造性能、焊接
试样按标准制备，然后将试件装在材料试验机上， 启动加力机构，缓慢增加拉力P直至断裂为止。
在加力过程中随时记录载荷P和相应的变形量Δl 的 数值。同时还要注意观察试件变形和破坏的现象。
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l0=10d0
1.2 材料的性能
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1.2 材料的性能
低碳钢单向拉伸实验结果如图所示
2020/11/8
第1章 化工设备材料及其选择
本章重点：材料的力学性能及化工设备材料 的选择
本章难点：材料的性能 计划学时： 8学时
2020/11/8
1.1 概 述
1.1.1 化工设备选材的重要性和复杂性
1、操作条件的限制 压力：从高真空到几千大气压,故有强度要求 温度：-250℃～2000℃，材料受冷、热 介质：酸碱（腐蚀）、易燃、易爆、毒性以及核反 应堆中子照射（变脆)
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1.2 材料的性能
（3）强化阶段(cd段) 材料过了屈服点后，曲线又开始 上升，曲线陡度变得十分平缓，这
说明材料又具备较弱的抵抗形变
的能力，称强化阶段 特点：（1）大比例的塑性变 形，少量的弹性变形；
（2）所加拉力达到最大值
d
b
c
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1.2 材料的性能
（4）颈缩阶段（df段）
性能、切削加工性能、热处理性能。
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1.2 材料的性能
1.2.1、力学性能
材料的力学性能：材料抵抗外力而不产生超过允许的 变形或不被破坏的能力。 主要特征指标：强度、塑性、弹性、韧性、硬度等 一、强度
强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形 和断裂的特性。
2020/11/8
1.2 材料的性能
❖ 屈服点（σs）
❖
发生屈服现象时的应力．即开始出现塑性
变形时的应力，称为“屈服点”，用σs (MPa)
表示。它即代表材料抵抗产生塑性变形的能力。
❖ 注：应力不是力，是压强。
2020/11/8
1.2 材料的性能
s
Ps F0
载荷不再增加，甚至有所降低时， 试件还在继续伸长的最小载荷， N
试件的原始横截面积， m2
1.2 材料的性能
1、 低碳钢在外力作用下
的变形和破坏过程
d
b
f
e P
b a c s
o
2020/11/8
比例极限σp 弹性极限σe 屈服强度σs 强度极限σb
……
1.2 材料的性能
（1）弹性变形阶段与虎克定律（Ob段） 在弹性阶段内，应力与应变成直线关系
tan E
E ……(1)
E为弹性模量，其单位和应力
2020/11/8
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化工生产自身的特点： 1、生产的连续性强 2、生产的条件苛刻
介质的腐蚀性强 ；温度和压力变化大 介质大多易燃易爆有毒性 生产原理的多样性
2020/11/8
本课程主要内容： 1、化工设备材料及其选择（第1章） 2、化工容器的设计（第2-6章）
化工设备机械基础
2020/11/8
化工生产和化工机械
化工生产是以流体（气体、液体、粉体） 为原料，以化学处理和物理处理为手段，以获 得设计规定的产品为目的的工业生产。
化工生产过程的决定因素：化学工艺过程
化工机械装备
化工机械通常分为：化工设备（静设备）
2020/11/8
化工机器（动设备）
化工设备：
ε=Δl / l0 σ=P / Fo
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应力-应变关系曲线
1.2 材料的性能
金属材料的变形和破坏过程： （1）弹性变形阶段 （2）弹－塑性变形阶段 （3）断裂
断裂的两种形式： 脆性断裂：断裂之前没有明显塑性变形阶段的。
（更危险） 韧性断裂：经过大量塑性变形之后才发生断裂的。
2020/11/8
1.2 材料的性能
（2）屈服阶段（bc段）
在此阶段，曲线上升
坡度变缓，在C点附近， 应力几乎不变的情况
下，试件的应变量在 增加，此时我们认为
b c s
材料对外力“屈服”
2020/11/8
o
1.2 材料的性能
❖ 屈服
❖
金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加
或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，
这种现象，习惯上称为“屈服”。
2、制造条件的限制 设备在制造过程中，要经过各种冷、热加工使
它成型，例如下料、卷板、焊接、热处理等，要 求材料的加工性能要好。
2020/11/8
1.1 概 述
1.1.2 选用材料的一般要求
（1）材料品种应符合我国资源和供应情况； （2）材质可靠，能保证使用寿命； （3）足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介 质能耐腐蚀； （4）便于制造加工，焊接性能良好； （5）成本低，经济上合算。
e P
b
a
相同，如何理解弹性模量？
o
(1)式称为虎克定律，该定律也可用于受压杆件，但符号为负
2020/11/8
1.2 材料的性能
横向线应变：
' d1 d d
dd
d
ε' 为横向线应变
研究表明在弹性阶段杆件的横向
应变ε'和轴向应变ε之比的绝对
值是一个常数
d1
拉伸
'
2020/11/8
，称为横向变形系数或者泊桑比
当载荷加到上述最大值
后，我们会发现在试件
的某个部位直接突然变
细，出现所谓的“颈缩”
现象。
d
f
f点为断裂点
2020/11/8
1.2 材料的性能
将从材料开始出现颈缩时的最高名义压力表示为
P b ，其反应的是材料抵抗断裂能力的大小
抗拉强度（ σb ） 金属材料在拉伸条件下，从开始加载到发生断
1）内压薄壁圆筒与封头的应力分析及强度设计； 2）外压圆筒与封头的强度设计； 3）容器的零部件（法兰 开孔补强 ）。 3、典型化工设备的机械设计（第7-8章） 1）换热器； 2）塔设备；
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❖ 要求： ❖ 了解材料的各种性能，影响材料性能的因
素，化工设备常用材料，学会根据工艺条件 选用化工设备材料； ❖ 掌握薄壁容器筒体与各种封头的强度、稳 定设计原则，掌握中、低压容器的强度、稳 定设计方法； ❖ 掌握容器零部件的设计计算和选用标准； ❖ 掌握列管式换热器、塔设备结构设计与机 械设计方法。
选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的 原则。
2020/11/8
1.2 材料的性能
❖ 材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能、 工艺性能
❖ 物理性能：密度、熔点、线膨胀系数、电阻率、 弹性模数、泊桑比等；
❖ 化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性
❖ 工艺性能：
❖
指在保证加工质量的前提下加工过程的难
易程度。主要有：铸造性能、锻造性能、焊接