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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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