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詳細的化工設(shè)備常用材料性能特點分類
2017-06-08
化工設(shè)備常用材料
化工生產(chǎn)過程的工藝條件十分復(fù)雜,壓力從真空到高壓甚至超高壓;溫度從深冷到高溫;介質(zhì)具有腐蝕性、易燃易爆、有毒甚至劇毒。
為了保證化工設(shè)備的安全運行,設(shè)計中對所選化工設(shè)備材料的可靠性有著很高的要求?;ぴO(shè)備常用材料可以分為金屬和非金屬兩大類。其中應(yīng)用最多的是金屬材料。選擇材料時要考慮的因素很多。
對材料的一般要求如下
1. 應(yīng)具有足夠的強度、剛度;良好的塑性、韌性。
2. 在所處介質(zhì)中具有一定的耐腐蝕性能。
3. 加工工藝性能良好
4. 資源廣泛、供應(yīng)充足、經(jīng)濟合理。
材料的性能
01
力學(xué)性能
力學(xué)性能是指材料在受外力作用和變形的過程中所具有的特性。材料的力學(xué)性能指標(biāo)是通過試驗測得的。
①強度
強度是指材料在外力作用下抵抗破壞的能力。
材料在常溫下的強度指標(biāo)有屈服極限和強度極限。屈服極限a是材料在外力作用下開始產(chǎn)生塑性變形時的最小應(yīng)力值(MPa)。強度極限a是材料在外力作用下發(fā)生斷裂破壞前所能承受的最大應(yīng)力值(MPa)。
②剛度
剛度是指材料在外力作用下抵抗變形的能力。
③穩(wěn)定性
穩(wěn)定性是指構(gòu)件在外力作用下保持原有平衡狀態(tài)的能力。材料的穩(wěn)定性參量是彈性模量E和泊松比u。
④塑性
塑性是指材料在受外力破壞前所能經(jīng)受的塑性變形能力。延伸率和斷面收縮率是材料的塑性指標(biāo)。
⑤韌性
斷裂韌度和沖擊韌性都是材料的韌性指標(biāo)。斷裂韌度K是指材料不產(chǎn)生斷裂時應(yīng)具有的應(yīng)力強度因子,是強度和塑性的綜合指標(biāo).
⑥硬度
硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能參量,它表示金屬材料表面局部體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形和破斷的能力。因試驗方法不同而有不同的硬度指標(biāo)。
02
物理性能
材料的物理性能有密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、彈性等。這些性能必須滿足往復(fù)運動機械、轉(zhuǎn)動機械和換熱設(shè)備等設(shè)計參數(shù)的要求。
03
化學(xué)性能
金屬材料的化學(xué)性能在這里主要是指材料在所處介質(zhì)中的化學(xué)穩(wěn)定性。制造設(shè)備的材料在工作中應(yīng)該既不污染介質(zhì)又具有足夠的耐腐蝕性能。
04
工藝性能
金屬的工藝性能是指材料能被加工的性能,即可鑄造性、可鍛性、可焊性、可切削加工的性能、熱處理性能和冷彎性能等加工工藝性能。
材料的分類
工程材料指包括金屬材料、有機高分子材料(樹脂)、無機非金屬材料(包括陶瓷材料)在內(nèi)的三大系列的全材料范圍。制造化工設(shè)備的主要材料是金屬材料。
金屬材料的分類
金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。
黑色金屬是鋼鐵的總稱,黑色金屬又分為生鐵和鋼。生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和合金生鐵;鋼可以分為碳素鋼和合金鋼。
有色金屬包括銅、鋁、鉛、鎳、鈦等及其合金。鋼和鐵都是鐵和碳的合金。
鐵碳合金由約95%的Fe元素、0.05%~4%的C元素和礦石中原有的以及冶煉過程融入的約1%的雜質(zhì)構(gòu)成。這些雜質(zhì)主要是Mn、Si、S、P、O、N、H等元素。
鋼和鐵是按化學(xué)成分劃分的:
含碳量為0.02%~2%的是鋼;
含碳量大于2%的是鑄鐵(C>4.3%時無使用價值)。
含碳量小于0.02%的是工業(yè)純鐵(極少使用)。
含碳量對鋼材的力學(xué)性能有決定性的影響。
一般來說,含碳量增加會使鋼的強度和硬度提高,塑性和韌性下降。
工業(yè)上應(yīng)用最多的是鋼材,分類方法很多:
1. 按化學(xué)成分可分為:
碳素鋼和合金鋼。
2. 按品質(zhì)可分為:
普通鋼(S≤0.050%、P≤0.050%)、
優(yōu)質(zhì)鋼(S≤0.040%、P≤0.040%)和高級優(yōu)質(zhì)鋼(S≤0.02%~0.03%、P≤0.03%~0.035%)。
3. 按冶煉方法分類時,可按冶煉時的爐別不同分為:
平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼;
4. 按脫氧程度和澆注制度進一步分為:
鎮(zhèn)靜鋼(脫氧完全、質(zhì)量好、價格高)、沸騰鋼(符號F,脫氧不完全、質(zhì)量差、價格低廉)、半鎮(zhèn)靜鋼(符號b,性能特點介于前兩者之間)。
5. 按金相組織分類可分為:
鐵素體鋼、奧氏體鋼等,還可以按熱處理方法進一步分類,如退火狀態(tài)的鋼、正火狀態(tài)的鋼、無相變或部分發(fā)生相變的鋼等。
6. 按用途可分為:
建筑及工程用鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼、專業(yè)用鋼。如橋梁用鋼(Q)、鍋爐用鋼(g)、容器用鋼(R)、焊條用鋼(H)等。
我國的“鋼分類”國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T13304-9P)是參照國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO4948/1,ISO4948/2)制定的。
第一部分,按化學(xué)成分類;
第二部分,按主要質(zhì)量等級、主要性能及使用特性分類。
化工常用非金屬材料
材料依其化學(xué)特征,一般分為無機材料和有機材料兩大類。
01
無機非金屬材料
傳統(tǒng)的無機非金屬材料主要指陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四類,因這四類材料的化學(xué)組成均為硅酸鹽類,故亦稱為硅酸鹽材料,又因其中陶瓷材料歷史悠久,應(yīng)用最廣泛,也常稱為陶瓷材料。
從20世紀(jì)40年代起,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)硅酸鹽材料技術(shù)逐步發(fā)展成為新型無機非金屬材料科學(xué)與工程。
在這一領(lǐng)域中,研制工作活躍且處于整個材料科學(xué)與工程發(fā)展前沿,特別是先進陶瓷、非晶態(tài)材料、人工晶體及無機涂層等技術(shù)的研究。
無機非金屬材料一般均耐蝕、質(zhì)脆、不耐溫度劇變,不能機械加工。
(1)化工陶瓷
陶瓷材料具有化學(xué)惰性、耐高溫、抗蠕變、耐磨損等良好性能,而且其機、電、聲、光、熱、磁、彈性以及它們之間的耦合性能越來越受到人們的重視。
廣義的陶瓷材料包含傳統(tǒng)陶瓷、無機涂層材料(搪瓷)、非晶態(tài)材料(玻璃)等陶瓷材料除在氫氟酸和強堿中外,一般均耐蝕。
在化學(xué)工業(yè)中主要用于氯氣和鹽酸工業(yè)。陶瓷磚、板等材料可用于設(shè)備襯里;陶瓷還可以用做耐酸、堿腐蝕,耐高溫、耐磨或隔熱(如氧化鋯)涂層材料以達到使設(shè)備增效或延壽的目的。
(2)化工搪瓷
搪瓷是將瓷釉涂搪在金屬底材上,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的。應(yīng)用較多的有耐酸搪瓷(以鋼板或鑄鐵為底材,又稱搪玻璃)、微晶搪瓷(以鋼、不銹鋼或耐熱合金板為底材)、遠紅外輻射搪瓷和高溫搪瓷(以不銹鋼或耐熱合金板為底材)。
搪瓷具有良好的耐蝕性能、力學(xué)性能和電絕緣性能。可用于搪瓷設(shè)備或襯里。其中耐酸搪瓷具有較好的物理性能,能耐多種化學(xué)介質(zhì)的腐蝕,適合制作反應(yīng)罐、聚合釜,蒸發(fā)鍋、冷凝器、分餾塔、儲罐、耐酸泵、閥門、攪拌半器、管道等
(3)輝綠巖鑄石
輝綠巖鑄石熔融后可鑄成板、磚。主要用做設(shè)備襯里。
(4)玻璃
化工常用玻璃主要有硼玻璃,具有耐熱的性能;高鋁玻璃,具有耐熱、耐蝕性能??捎米龉艿?、管件、隔膜閥、視鏡、液面計等。
(5)不透性石墨
石墨材料包括天然石墨和人造石墨兩類。天然石墨礦物雜質(zhì)含量大,不易精選,可作為表面涂料和膠體潤滑劑等。
人造石墨是經(jīng)過特殊加工(如用有機材料進行碳化和石墨化處理)制成的不透性石墨以一般人造石墨制品為基體,浸漬樹脂填充基體中孔隙而成,或以石墨粉加樹脂為粘結(jié)劑,壓制或澆注成型,也稱塑料石墨。
不透性石墨具有耐腐蝕性優(yōu)越、導(dǎo)熱性好、線脹系數(shù)小、耐熱沖擊性強、加工性能好等特點;但強度低,性脆。常用于化工設(shè)備,如塊、管式和徑向式石墨熱交換器、降膜式石墨吸收器、濃硫酸石墨稀釋器、石墨鹽酸合成爐及耐腐蝕管道、管件和床板、石墨防爆片等。
不透性石墨的化學(xué)性能隨浸漬樹脂的性能而有不同。酚醛浸漬石墨除強氧化性介質(zhì)、強堿外,能耐各種有機酸、無機酸、鹽溶液和各種有機溶劑的腐蝕,浸呋喃樹脂的更能耐堿和強氧化酸,聚四氟乙烯浸漬石墨能耐各種介質(zhì)的腐蝕。
06
有機高分子材料
有機高分子材料成型加工性好、耐蝕、密度?。坏话悴荒透邷?、不耐氧化性介質(zhì)腐蝕、不耐溶劑侵蝕。
(1)工程塑料
塑料具有一定的強度,加工成型方便,焊接性能好;但導(dǎo)熱系數(shù)小,線脹系數(shù)大(約為鋼的10倍),沖擊韌性低,耐熱性差;許多塑料摩擦因數(shù)低、耐磨性能好并具有自潤滑性。
一般情況下,塑料與酸、堿、鹽、油脂和水等許多物質(zhì)不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),但有些塑料會受到侵蝕。
按其力學(xué)性能的不同,有硬而韌的塑料,如聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜等;硬而強的塑料,如聚甲醛、環(huán)氧增強塑料等;硬而脆的塑料,如聚苯乙烯、酚醛塑料、有機玻璃等;軟而韌的塑料,如聚乙烯、聚氯乙烯等。
硬聚氯乙烯塑料可用于低(常)壓管道、設(shè)備;聚乙烯塑料有優(yōu)良的絕緣、防水和化學(xué)穩(wěn)定性,可作為管子、管件、閥門、泵等的材料,或作為襯里、防腐涂層;耐酸酚醛塑料聚四氟乙烯塑料可用做耐蝕、耐高溫的密封元件玻璃鋼強度高、防腐、工藝性能好。
(2)橡膠
橡膠有天然和合成兩大類。它們的共同特點是高彈性,永久變形很小,有良好的儲能性等。橡膠在化學(xué)工業(yè)中,主要用于動、靜密封。如作為各種油封、軸襯、墊片等,用于轉(zhuǎn)軸、管道和容器法蘭的密封。還可與其他材料(金屬、纖維)復(fù)合,用做傳輸軟管、輸送膠帶、三角皮帶等。
(3)涂料
涂料包括各種防腐漆、塑料涂料(聚乙烯、聚氯乙烯)等,用做設(shè)備的防腐涂層。
化工設(shè)備材料選擇原則
1. 遵循標(biāo)準(zhǔn):
GB150-1998《鋼制壓力容器》 《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 HGJ15-89《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》當(dāng)壓力容器使用普通低碳鋼制造時,常用Q235B、Q235C
2. 考慮經(jīng)濟性
3. 標(biāo)準(zhǔn)零部件的材料選擇符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
4. 鋼材使用溫度符合要求。
5. 其它指導(dǎo)準(zhǔn)則:
a) 碳素鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強的常、低壓容器或壁厚不大的中壓容器;
b) 低合金鋼,用于介質(zhì)腐蝕性不強的中、高壓容器;
c) 不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性較強的場合;
d) 耐熱鋼用于高溫場合
e) 奧氏體不銹鋼不能用于易發(fā)生晶間腐蝕的場合;
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