化工机械 设备材料

第一章 化工设备材料及其选择

二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量

Ａ组

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义

Q235-A·F 普通碳素甲类钢 — — F：沸腾钢

Q:钢材屈服点

Q235-A 普通碳素甲类钢 — — A:甲类钢

20g 优质碳素结构钢 % — g:锅炉钢

16Mn R 普通低合金钢 % <% R:容器钢

20MnMo 普通低合金钢 % MnMo<% —

16MnDR 普通低合金钢 % Mn:<% D:低温钢

14Cr1Mo 普通低合金钢 % Cr: —

0Cr13 铬不锈钢 <% Cr:13% —

1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 % Cr:18%;Ni:9%;Ti:<% —

00Cr19Ni10 奥氏体不锈钢 <% Cr:19%;Ni:10% —

B组：

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义 Q235-B 普通碳素乙类钢 — — F：沸腾钢

Q:钢材屈服点

Q235-AR 普通碳素甲类容器钢 — — R:容器钢

16Mng 普通低合金钢 % Mn:<% g:锅炉钢

18Nbb 普通低合金钢 %

Nb:<% b:半镇静钢

18MnMoNbR 普通低合金钢 % —

09MnNiDR 普通低合金钢 % :<% R:容器钢

06MnNb 普通低合金钢 % :

2Cr13 铬不锈钢 % Cr13% —

12Cr2Mo1 普通低合金钢 % Cr:～%;

Mo:～% —

0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体不锈钢 <% Cr:18%;Ni:12%;

Mo:～%;

Ti:<% —

第二章 容器设计的基本知识

一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围

温度分级 温度范围（oC） 压力分级 压力范围(Mpa)

常温容器 －20oC ~200oC 低压容器 ≤P＜

中温容器 壁温在常温和高温之间 中压容器 ≤P＜10 高温容器 壁温达到材料蠕变温度 高压容器 10≤P＜100

低温容器 壁温低于－20oC 超高压容器 P≥100

浅冷容器 壁温在－20oC至－40oC之间 真空容器 器外一个大气压，内部为真空或低于常压

深冷容器 壁温低于－40oC — —

第三章 内压薄壁容器的应力分析

四、计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力和m。

A组：

图 3-34图图

1. 球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。

mmDRR50421008221

MPSPDm6384100824

SPRRm21

MPSPD634

2. 圆锥壳上之A点和B点，已知：p=，D=1010mm，S=10mm，a=30o。

cos2,:21DARR点 MPSPDm58.14866.010410105.0cos4

SPRRm21

MPSPD16.29866.010210105.0cos2

0,:21RRB点

0m

3. 椭球壳上之A，B，C点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B点处坐标x=600mm。

25051010ba 标准椭圆形封头

bbbyxAaRaR2221,:),0点（

MPSPam5.502010101

MPasbPBbaxam3.43)(2 2224点：

MPabaxaasbPbaxa7.27)(2)(2 222442224

:)0,(yaxC点

MPaSPam25.25202101012

MPaSPa5.502010101

五、 工程应用题

1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm，壁厚为16 mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力和m。

【解】 P= D=816mm S=16mm 1.00196.081616DS 属薄壁容器

MPaSPDm875.311648165.24

MPaSPDm75.631628165.22

2. 有一平均直径为10020 mm的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。

【解】 P= D=10020mm S=20mm

1.0001996.01002020DS 属薄壁容器

MPaSPDm15.75204100206.04

3. 有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：圆筒平均直径为2030 mm，筒体与封头厚度均为30 mm，工作压力为3Mpa，试求；

⑴圆筒壁内的最大工作压力；

⑵若封头椭圆长，短半轴之比分别为2，2，时，计算封头上薄膜应力的和m的最大值并确定其所在的位置。

【解】(1) 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm

1.00148.0203030DS 属薄壁容器

MPSPDm75.50304203024

最大工作应力：MPSPD5.101302203022

（2）椭球：

① 时 2ba 在x=0，y=b,（顶点处）有最大值

MPbaSPam78.71302210153)(2)(max

② 时 2ba，在x=0,y=b处（顶点处） MPbaSPam5.101302210153)(2)(max

在x=a,y=0点（边缘处）

MPbaSPa5.101302210153)(2)(max

③ 时 5.2ba，在x=0,y=b处（顶点处）

MPbaSPam88.1263025.210153)(2)(max

在x=a,y=0点（边缘处）

MPbaSPa69.215)2(2)(22max

第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

四 、工程应用题

A组：

1、 有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力.

【解】（1）确定参数：pw =2MPa; pc= =（装有安全阀）;

Di= DN=2000mm( 钢板卷制); Sn =22mm; Se = Sn

-C=20mm

φ=（题中给定）; C=2mm（题中给定）.

（2）最大工作应力：

aeeictMPSSDp1.111202)202000(2.22)( 2、 某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa.

【解】（1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm; φ=; C=2mm; [σ]t

=147MPa.

Se = Sn -C=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

aeietwMPSDSP17.12010000200.11474][4][

3、 某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为,釜体材料选用0Cr18Ni9Ti。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。

【解】

（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=; pc = pw =（装有安全阀）

φ=（双面焊对接接头, 局部探伤）

C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

材质：0Cr18Ni9Ti [σ]t =（按教材附录9表16-2，内插法取值）

[σ] =137MPa

（2）计算厚度：

mmpDpSctic8.1476.185.09.1122160076.1][2

C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）, C=C1+C2=0.8mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=+=15.6mm.

圆整后，Sn =16mm.

（1） 水压试验校核

seeiTTSSDp9.02)(

有效壁厚 Se = Sn -C==15.2mm

试验压力 MPaPPtT67.29.11213776.125.1][][25.1

计算应力 141.86MPa15.22 15.2)(16002.67 2)(eeiTTSSDP

应力校核

MPa 8.15685.02059.0 9.0s

ST9.0  ∴ 水压试验强度足够

4、 有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=,工作温度为-3.5℃，材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。

【解】（1）确定参数：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5℃; pc=.

φ=（双面焊对接接头, 局部探伤）

16MnR： 常温下的许用应力 [?] = 170 MPa

设计温度下的许用应力 [?]t = 170 MPa

常温度下的屈服点 ?s = 345 MPa

有效壁厚：Se = Sn － C = 16 － 3 = 13 mm

（2）强度校核

技术市场　

化工机械设计中材料的选择与应用　

薛利娜　

（郑州中远氯纶工程技术有Ｆ艮公司，河南郑州４５０００１）　

【摘要１４￣：ｒ－机械设备是工业发展中一个不可缺少的部分，其正常运行直接会关系到工程项目的正常生产和运作。材料选择　

作为机械设计最关键的内容之一，其质量的好坏将直接关系到整个机械设计工作质量的好坏。本文探讨了化工机械设计中材料的　

选择与应用。　【关键词】化工机械；设计材料；选择；应用　

一、做好化工机械设计中碳素钢与合金钢材料的选择　

要做好化工机械设计中的材料选择工作，首先要使材料满　

足机械零部件在运行过程中各种机械性能、物理性能以及化学　

性能的要求　在此基础上，还要兼顾机械生产与加工过程中的　

可操作性、经济性以及安全性。在当前的机械设计材料市场当　

中，碳素钢受其加工性能和操作性能好、成本价格优越等特点　

影响得到了广泛的关注与应用。但是，这种碳素钢的低强度、低　

韧性以及中等形状以上材料零部件无法进行热处理加工淬透　

作业等缺陷，使其在机械设计材料选择中受到了较为严重的制　

约。研究发现，在碳素钢中加入一定比例的合金元素就能够形　

成合金钢。这种合金钢结构的机械材料在强度与韧性上能有一　

定的提升，还可以在一定程度上赋予零部件材料诸如耐腐蚀、　耐高温、耐磨损等方面的特殊性能。虽然合金钢材料较碳素钢　

材料各方面性能均有所提升，但只有在材料外载荷作用力较　大，或是零件的有效截面尺寸较大且需要进行淬透ＤｎＩ的情况　

下才应选用合金钢材料，其他情况则应选用碳素钢材料。　

二、化工机械设计中材料的应用要以机械材料零部件的制　

造工艺为参考指标　

在机械生产与加工作业中，铸造工艺、热处理工艺、切削工　

艺、焊接工艺等加工处理技术对于机械设计中材料应用的要求　

各有不同．，铸造工艺要求机械设计材料的应用向高流动性、高　

收缩性以及高吸气性方向发展，焊接工艺需要机械设计在材料　

应用中考虑材料的冲压性、冷镦性特点，热处理工艺需要机械　

第一章 化工设备材料及其选择

二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量

Ａ组

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义

Q235-A·F 普通碳素甲类钢 — — F：沸腾钢

Q:钢材屈服点

Q235-A 普通碳素甲类钢 — — A:甲类钢

20g 优质碳素结构钢 % — g:锅炉钢

16Mn R 普通低合金钢 % <% R:容器钢

20MnMo 普通低合金钢 % MnMo<% —

16MnDR 普通低合金钢 % Mn:<% D:低温钢

14Cr1Mo 普通低合金钢 % Cr: —

0Cr13 铬不锈钢 <% Cr:13% —

1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 % Cr:18%;Ni:9%;Ti:<% —

00Cr19Ni10 奥氏体不锈钢 <% Cr:19%;Ni:10% —

B组：

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义

Q235-B 普通碳素乙类钢 — — F：沸腾钢

Q:钢材屈服点

Q235-AR 普通碳素甲类容器钢 — — R:容器钢

16Mng 普通低合金钢 % Mn:<% g:锅炉钢

18Nbb 普通低合金钢 % Nb:<% b:半镇静钢

18MnMoNbR 普通低合金钢 % —

09MnNiDR 普通低合金钢 % :<% R:容器钢

06MnNb 普通低合金钢 % :

2Cr13 铬不锈钢 % Cr13% —

12Cr2Mo1 普通低合金钢 % Cr:～%;

Mo:～% —

0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体不锈钢 <% Cr:18%;Ni:12%;

Mo:～%;

Ti:<% —

第二章 容器设计的基本知识

一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围

温度分级 温度范围（ºC） 压力分级 压力范围(Mpa)

常温容器 －20ºC ~200ºC 低压容器 ≤P＜

中温容器 壁温在常温和高温之间 中压容器 ≤P＜10

高温容器 壁温达到材料蠕变温度 高压容器 10≤P＜100

低温容器 壁温低于－20ºC 超高压容器 P≥100 浅冷容器 壁温在－20ºC至－40ºC之间 真空容器 器外一个大气压，内部为真空或低于常压

深冷容器 壁温低于－40ºC — —

第三章 内压薄壁容器的应力分析

四、计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力和m。

A组：

图 3-34图图

1. 球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。

mmDRR50421008221

MPSPDm6384100824

SPRRm21

MPSPD634

2. 圆锥壳上之A点和B点，已知：p=，D=1010mm，S=10mm，a=30o。

cos2,:21DARR点

MPSPDm58.14866.010410105.0cos4

SPRRm21

MPSPD16.29866.010210105.0cos2

0,:21RRB点

0m

3. 椭球壳上之A，B，C点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B点处坐标x=600mm。

25051010ba 标准椭圆形封头 bbbyxAaRaR2221,:),0点（

MPSPam5.502010101

MPasbPBbaxam3.43)(2 2224点：

MPabaxaasbPbaxa7.27)(2)(2 222442224

:)0,(yaxC点

MPaSPam25.25202101012

MPaSPa5.502010101

五、 工程应用题

1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm，壁厚为16 mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力和m。

【解】 P= D=816mm S=16mm

1.00196.081616DS 属薄壁容器

MPaSPDm875.311648165.24

MPaSPDm75.631628165.22

2. 有一平均直径为10020 mm的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。

【解】 P= D=10020mm S=20mm

1.0001996.01002020DS 属薄壁容器

MPaSPDm15.75204100206.04

3. 有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：圆筒平均直径为2030 mm，筒体与封头厚度均为30 mm，工作压力为3Mpa，试求；

⑴圆筒壁内的最大工作压力；

⑵若封头椭圆长，短半轴之比分别为2，2，时，计算封头上薄膜应力的和m的最大值并确定其所在的位置。

【解】(1) 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm

1.00148.0203030DS 属薄壁容器

MPSPDm75.50304203024 最大工作应力：MPSPD5.101302203022

（2）椭球：

① 时 2ba 在x=0，y=b,（顶点处）有最大值

MPbaSPam78.71302210153)(2)(max

② 时 2ba，在x=0,y=b处（顶点处）

MPbaSPam5.101302210153)(2)(max

在x=a,y=0点（边缘处）

MPbaSPa5.101302210153)(2)(max

③ 时 5.2ba，在x=0,y=b处（顶点处）

MPbaSPam88.1263025.210153)(2)(max

在x=a,y=0点（边缘处）

MPbaSPa69.215)2(2)(22max

第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

四 、工程应用题

A组：

1、 有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力.

【解】（1）确定参数：pw =2MPa; pc= =（装有安全阀）;

Di= DN=2000mm( 钢板卷制); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm

φ=（题中给定）; C=2mm（题中给定）.

（2）最大工作应力：

aeeictMPSSDp1.111202)202000(2.22)(

2、 某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa.

【解】（1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm; φ=; C=2mm; [σ]t =147MPa. Se = Sn -C=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

aeietwMPSDSP17.12010000200.11474][4][

3、 某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为,釜体材料选用0Cr18Ni9Ti。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。

【解】

（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=; pc = pw =（装有安全阀）

φ=（双面焊对接接头, 局部探伤）

C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

材质：0Cr18Ni9Ti [σ]t =（按教材附录9表16-2，内插法取值）

[σ] =137MPa

（2）计算厚度：

mmpDpSctic8.1476.185.09.1122160076.1][2

C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）, C=C1+C2=0.8mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=+=15.6mm.

圆整后，Sn =16mm.

（1） 水压试验校核

seeiTTSSDp9.02)(

有效壁厚 Se = Sn -C==15.2mm

试验压力 MPaPPtT67.29.11213776.125.1][][25.1

计算应力 141.86MPa15.22 15.2)(16002.67 2)(eeiTTSSDP

应力校核

MPa 8.15685.02059.0 9.0s

ST9.0  ∴ 水压试验强度足够

4、 有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=,工作温度为-3.5℃，材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。

【解】（1）确定参数：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5℃; pc=.

φ=（双面焊对接接头, 局部探伤）

16MnR： 常温下的许用应力 [] = 170 MPa

设计温度下的许用应力 []t = 170 MPa

常温度下的屈服点 s = 345 MPa

有效壁厚：Se = Sn － C = 16 － 3 = 13 mm

化工机械设备的腐蚀原因及防腐措施

摘要：化工机械的安全稳定运行是化工企业稳定生产的基础。化工机械设备大多是由金属材料制成，运行过程中容易受生产环境中含有酸、碱、盐等溶液，气体的腐蚀，造成机械设备的形状或尺寸等发生变化，设备被破坏，影响其使用寿命。较为严重的腐蚀会导致设备出现介质泄露，有可能引发严重的生产事故。因此，需要对化工机械设备的腐蚀原因进行分析，并采取有效的措施降低腐蚀对设备的危害，延长机械设备的使用寿命。

关键词：化工机械设备；腐蚀原因；防腐措施

1化工机械设备的腐蚀类型分析

化工机械设备常见的腐蚀主要是由化学反应所造成的，当设备中所设置的金属物质与其他反应物料之间产生接触便会出现相应的电化学反应现象，久而久之，会给机械设备的外表结构造成相应的破坏，同时，化工机械设备的腐蚀影响还会进一步扩大，根据外部环境的变化，不同的化工机械设备也会产生不同的化学反应，并且出现不同程度的化学腐蚀。

从化学反应方面进行分析可以看出，当前化工机械设备的腐蚀现象涉及两种类型，即活性材料腐蚀以及惰性材料腐蚀，对于前者而言，活性材料腐蚀往往伴随着相对较为明显的设备外表腐蚀现象，比如，在活性材料腐蚀过程中会出现各种各样的坑洞，同时会在机械设备外表留下各种各样的痕迹，此类痕迹久而久之便会形成相应的裂纹，从而给设备外观的完整性和结构稳定性造成不良的影响。

活性材料腐蚀通常发生在相关金属材料不具备耐化学腐蚀的情况下，并且活性材料腐蚀也会随着时间的推移而进一步加剧腐蚀情况，同时，在化学腐蚀的影响下，腐蚀速度也会随着腐蚀部位进一步加快，从而严重影响化工机械设备的运作效率。而对于惰性材料腐蚀，则主要体现在设备表层出现相应的钝化膜，在对惰性材料腐蚀管控的过程中，如果单独从设备外表进行观测分析则很难发现腐蚀现象，此类腐蚀往往是由里到外蔓延，因此，惰性材料腐蚀对设备会造成较为恶劣的影响，比如，出现设备内部较深的裂纹。

2化工机械设备腐蚀的原因