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詳細的化工設備常用材料性能特點分類

2017-06-08 

    化工設備常用材料

    化工生產過程的工藝條件十分復雜，壓力從真空到高壓甚至超高壓；溫度從深冷到高溫；介質具有腐蝕性、易燃易爆、有毒甚至劇毒。

    為了保證化工設備的安全運行，設計中對所選化工設備材料的可靠性有著很高的要求。化工設備常用材料可以分為金屬和非金屬兩大類。其中應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. 應具有足夠的強度、剛度；良好的塑性、韌性。

    2. 在所處介質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、供應充足、經濟合理。

    材料的性能

    01

    力學性能

    力學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。材料的力學性能指標是通過試驗測得的。

    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生塑性變形時的最小應力值（MPa）。強度極限a是材料在外力作用下發生斷裂破壞前所能承受的最大應力值（MPa）。

    ②剛度

    剛度是指材料在外力作用下抵抗變形的能力。

    ③穩定性

    穩定性是指構件在外力作用下保持原有平衡狀態的能力。材料的穩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。

    ⑤韌性

    斷裂韌度和沖擊韌性都是材料的韌性指標。斷裂韌度K是指材料不產生斷裂時應具有的應力強度因子，是強度和塑性的綜合指標.

    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。

    02

    物理性能

    材料的物理性能有密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性、磁性、彈性等。這些性能必須滿足往復運動機械、轉動機械和換熱設備等設計參數的要求。

    03

    化學性能

    金屬材料的化學性能在這里主要是指材料在所處介質中的化學穩定性。制造設備的材料在工作中應該既不污染介質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）在內的三大系列的全材料范圍。制造化工設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％的雜質構成。這些雜質主要是Mn、Si、S、P、O、N、H等元素。

    鋼和鐵是按化學成分劃分的：

    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％的是工業純鐵（極少使用）。

    含碳量對鋼材的力學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。

    工業上應用最多的是鋼材，分類方法很多：

    1. 按化學成分可分為：

    碳素鋼和合金鋼。

    2. 按品質可分為：

    普通鋼（S≤0．050％、P≤0．050％）、

    優質鋼（S≤0．040％、P≤0．040％）和高級優質鋼（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、轉爐鋼、電爐鋼；

    4. 按脫氧程度和澆注制度進一步分為：

    鎮靜鋼（脫氧完全、質量好、價格高）、沸騰鋼（符號F，脫氧不完全、質量差、價格低廉）、半鎮靜鋼（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，如退火狀態的鋼、正火狀態的鋼、無相變或部分發生相變的鋼等。

    6. 按用途可分為：

    建筑及工程用鋼、結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼、專業用鋼。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”國家標準（GB／T13304－9P）是參照國際標準（ISO4948／1，ISO4948／2）制定的。

    第一部分，按化學成分類；

    第二部分，按主要質量等級、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，應用最廣泛，也常稱為陶瓷材料。

    從20世紀40年代起，隨著科學技術的發展，傳統硅酸鹽材料技術逐步發展成為新型無機非金屬材料科學與工程。

    在這一領域中，研制工作活躍且處于整個材料科學與工程發展前沿，特別是先進陶瓷、非晶態材料、人工晶體及無機涂層等技術的研究。

    無機非金屬材料一般均耐蝕、質脆、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陶瓷、無機涂層材料（搪瓷）、非晶態材料（玻璃）等陶瓷材料除在氫氟酸和強堿中外，一般均耐蝕。

    在化學工業中主要用于氯氣和鹽酸工業。陶瓷磚、板等材料可用于設備襯里；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，經高溫燒結而成的。應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、力學性能和電絕緣性能。可用于搪瓷設備或襯里。其中耐酸搪瓷具有較好的物理性能，能耐多種化學介質的腐蝕，適合制作反應罐、聚合釜，蒸發鍋、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。可用做管道、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越、導熱性好、線脹系數小、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、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、密度小；但一般不耐高溫、不耐氧化性介質腐蝕、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；但導熱系數小，線脹系數大（約為鋼的10倍），沖擊韌性低，耐熱性差；許多塑料摩擦因數低、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不發生化學反應，但有些塑料會受到侵蝕。

    按其力學性能的不同，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、設備；聚乙烯塑料有優良的絕緣、防水和化學穩定性，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。橡膠在化學工業中，主要用于動、靜密封。如作為各種油封、軸襯、墊片等，用于轉軸、管道和容器法蘭的密封。還可與其他材料（金屬、纖維）復合，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，用做設備的防腐涂層。

    化工設備材料選擇原則

    1. 遵循標準：

    GB150-1998《鋼制壓力容器》 《壓力容器安全技術監察規程》 HGJ15-89《鋼制化工容器材料選用規定》當壓力容器使用普通低碳鋼制造時，常用Q235B、Q235C

    2. 考慮經濟性

    3. 標準零部件的材料選擇符合國家標準或行業標準

    4. 鋼材使用溫度符合要求。

    5. 其它指導準則：

    a) 碳素鋼用于介質腐蝕性不強的常、低壓容器或壁厚不大的中壓容器；

    b) 低合金鋼，用于介質腐蝕性不強的中、高壓容器；

    c) 不銹鋼用于介質腐蝕性較強的場合；

    d) 耐熱鋼用于高溫場合

    e) 奧氏體不銹鋼不能用于易發生晶間腐蝕的場合；

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