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详细的化工设备常用材料性能特点分类

2017-06-08 

    化工设备常用材料

    化工生产过程的工艺条件十分复杂，压力从真空到高压甚至超高压；温度从深冷到高温；介质具有腐蚀性、易燃易爆、有毒甚至剧毒。

    为了保证化工设备的安全运行，设计中对所选化工设备材料的可靠性有着很高的要求。化工设备常用材料可以分为金属和非金属两大类。其中应用最多的是金属材料。选择材料时要考虑的因素很多。

    对材料的一般要求如下

    1. 应具有足够的强度、刚度；良好的塑性、韧性。

    2. 在所处介质中具有一定的耐腐蚀性能。

    3. 加工工艺性能良好

    4. 资源广泛、供应充足、经济合理。

    材料的性能

    01

    力学性能

    力学性能是指材料在受外力作用和变形的过程中所具有的特性。材料的力学性能指标是通过试验测得的。

    ①强度

    强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力。

    材料在常温下的强度指标有屈服极限和强度极限。屈服极限a是材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最小应力值（MPa）。强度极限a是材料在外力作用下发生断裂破坏前所能承受的最大应力值（MPa）。

    ②刚度

    刚度是指材料在外力作用下抵抗变形的能力。

    ③稳定性

    稳定性是指构件在外力作用下保持原有平衡状态的能力。材料的稳定性参量是弹性模量E和泊松比u。

    ④塑性

    塑性是指材料在受外力破坏前所能经受的塑性变形能力。延伸率和断面收缩率是材料的塑性指标。

    ⑤韧性

    断裂韧度和冲击韧性都是材料的韧性指标。断裂韧度K是指材料不产生断裂时应具有的应力强度因子，是强度和塑性的综合指标.

    ⑥硬度

    硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能参量，它表示金属材料表面局部体积内抵抗弹性变形、塑性变形和破断的能力。因试验方法不同而有不同的硬度指标。

    02

    物理性能

    材料的物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性、弹性等。这些性能必须满足往复运动机械、转动机械和换热设备等设计参数的要求。

    03

    化学性能

    金属材料的化学性能在这里主要是指材料在所处介质中的化学稳定性。制造设备的材料在工作中应该既不污染介质又具有足够的耐腐蚀性能。

    04

    工艺性能

    金属的工艺性能是指材料能被加工的性能，即可铸造性、可锻性、可焊性、可切削加工的性能、热处理性能和冷弯性能等加工工艺性能。

    材料的分类

    工程材料指包括金属材料、有机高分子材料（树脂）、无机非金属材料（包括陶瓷材料）在内的三大系列的全材料范围。制造化工设备的主要材料是金属材料。

    金属材料的分类

    金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。

    黑色金属是钢铁的总称，黑色金属又分为生铁和钢。生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁和合金生铁；钢可以分为碳素钢和合金钢。

    有色金属包括铜、铝、铅、镍、钛等及其合金。钢和铁都是铁和碳的合金。

    铁碳合金由约95％的Fe元素、0．05％～4％的C元素和矿石中原有的以及冶炼过程融入的约1％的杂质构成。这些杂质主要是Mn、Si、S、P、O、N、H等元素。

    钢和铁是按化学成分划分的：

    含碳量为0．02％～2％的是钢；

    含碳量大于2％的是铸铁（C＞4．3％时无使用价值）。

    含碳量小于0．02％的是工业纯铁（极少使用）。

    含碳量对钢材的力学性能有决定性的影响。

    一般来说，含碳量增加会使钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。

    工业上应用最多的是钢材，分类方法很多：

    1. 按化学成分可分为：

    碳素钢和合金钢。

    2. 按品质可分为：

    普通钢（S≤0．050％、P≤0．050％）、

    优质钢（S≤0．040％、P≤0．040％）和高级优质钢（S≤0．02％～0．03％、P≤0．03％～0．035％）。

    3. 按冶炼方法分类时，可按冶炼时的炉别不同分为：

    平炉钢、转炉钢、电炉钢；

    4. 按脱氧程度和浇注制度进一步分为：

    镇静钢（脱氧完全、质量好、价格高）、沸腾钢（符号F，脱氧不完全、质量差、价格低廉）、半镇静钢（符号b，性能特点介于前两者之间）。

    5. 按金相组织分类可分为：

    铁素体钢、奥氏体钢等，还可以按热处理方法进一步分类，如退火状态的钢、正火状态的钢、无相变或部分发生相变的钢等。

    6. 按用途可分为：

    建筑及工程用钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢、专业用钢。如桥梁用钢（Q）、锅炉用钢（g）、容器用钢（R）、焊条用钢（H）等。

    我国的“钢分类”国家标准（GB／T13304－9P）是参照国际标准（ISO4948／1，ISO4948／2）制定的。

    第一部分，按化学成分类；

    第二部分，按主要质量等级、主要性能及使用特性分类。

    化工常用非金属材料

    材料依其化学特征，一般分为无机材料和有机材料两大类。

     01

    无机非金属材料

    传统的无机非金属材料主要指陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等四类，因这四类材料的化学组成均为硅酸盐类，故亦称为硅酸盐材料，又因其中陶瓷材料历史悠久，应用最广泛，也常称为陶瓷材料。

    从20世纪40年代起，随着科学技术的发展，传统硅酸盐材料技术逐步发展成为新型无机非金属材料科学与工程。

    在这一领域中，研制工作活跃且处于整个材料科学与工程发展前沿，特别是先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体及无机涂层等技术的研究。

    无机非金属材料一般均耐蚀、质脆、不耐温度剧变，不能机械加工。

    （1）化工陶瓷

    陶瓷材料具有化学惰性、耐高温、抗蠕变、耐磨损等良好性能，而且其机、电、声、光、热、磁、弹性以及它们之间的耦合性能越来越受到人们的重视。

    广义的陶瓷材料包含传统陶瓷、无机涂层材料（搪瓷）、非晶态材料（玻璃）等陶瓷材料除在氢氟酸和强碱中外，一般均耐蚀。

    在化学工业中主要用于氯气和盐酸工业。陶瓷砖、板等材料可用于设备衬里；陶瓷还可以用做耐酸、碱腐蚀，耐高温、耐磨或隔热（如氧化锆）涂层材料以达到使设备增效或延寿的目的。

    （2）化工搪瓷

    搪瓷是将瓷釉涂搪在金属底材上，经高温烧结而成的。应用较多的有耐酸搪瓷（以钢板或铸铁为底材，又称搪玻璃）、微晶搪瓷（以钢、不锈钢或耐热合金板为底材）、远红外辐射搪瓷和高温搪瓷（以不锈钢或耐热合金板为底材）。

    搪瓷具有良好的耐蚀性能、力学性能和电绝缘性能。可用于搪瓷设备或衬里。其中耐酸搪瓷具有较好的物理性能，能耐多种化学介质的腐蚀，适合制作反应罐、聚合釜，蒸发锅、冷凝器、分馏塔、储罐、耐酸泵、阀门、搅拌半器、管道等

    （3）辉绿岩铸石

    辉绿岩铸石熔融后可铸成板、砖。主要用做设备衬里。

    （4）玻璃

    化工常用玻璃主要有硼玻璃，具有耐热的性能；高铝玻璃，具有耐热、耐蚀性能。可用做管道、管件、隔膜阀、视镜、液面计等。

    （5）不透性石墨

    石墨材料包括天然石墨和人造石墨两类。天然石墨矿物杂质含量大，不易精选，可作为表面涂料和胶体润滑剂等。

    人造石墨是经过特殊加工（如用有机材料进行碳化和石墨化处理）制成的不透性石墨以一般人造石墨制品为基体，浸渍树脂填充基体中孔隙而成，或以石墨粉加树脂为粘结剂，压制或浇注成型，也称塑料石墨。

    不透性石墨具有耐腐蚀性优越、导热性好、线胀系数小、耐热冲击性强、加工性能好等特点；但强度低，性脆。常用于化工设备，如块、管式和径向式石墨热交换器、降膜式石墨吸收器、浓硫酸石墨稀释器、石墨盐酸合成炉及耐腐蚀管道、管件和床板、石墨防爆片等。

    不透性石墨的化学性能随浸渍树脂的性能而有不同。酚醛浸渍石墨除强氧化性介质、强碱外，能耐各种有机酸、无机酸、盐溶液和各种有机溶剂的腐蚀，浸呋喃树脂的更能耐碱和强氧化酸，聚四氟乙烯浸渍石墨能耐各种介质的腐蚀。

    06

    有机高分子材料

    有机高分子材料成型加工性好、耐蚀、密度小；但一般不耐高温、不耐氧化性介质腐蚀、不耐溶剂侵蚀。

    （1）工程塑料

     塑料具有一定的强度，加工成型方便，焊接性能好；但导热系数小，线胀系数大（约为钢的10倍），冲击韧性低，耐热性差；许多塑料摩擦因数低、耐磨性能好并具有自润滑性。

    一般情况下，塑料与酸、碱、盐、油脂和水等许多物质不发生化学反应，但有些塑料会受到侵蚀。

    按其力学性能的不同，有硬而韧的塑料，如聚碳酸酯、聚酰胺、聚砜等；硬而强的塑料，如聚甲醛、环氧增强塑料等；硬而脆的塑料，如聚苯乙烯、酚醛塑料、有机玻璃等；软而韧的塑料，如聚乙烯、聚氯乙烯等。

    硬聚氯乙烯塑料可用于低（常）压管道、设备；聚乙烯塑料有优良的绝缘、防水和化学稳定性，可作为管子、管件、阀门、泵等的材料，或作为衬里、防腐涂层；耐酸酚醛塑料聚四氟乙烯塑料可用做耐蚀、耐高温的密封元件玻璃钢强度高、防腐、工艺性能好。

    （2）橡胶

    橡胶有天然和合成两大类。它们的共同特点是高弹性，永久变形很小，有良好的储能性等。橡胶在化学工业中，主要用于动、静密封。如作为各种油封、轴衬、垫片等，用于转轴、管道和容器法兰的密封。还可与其他材料（金属、纤维）复合，用做传输软管、输送胶带、三角皮带等。

    （3）涂料

     涂料包括各种防腐漆、塑料涂料（聚乙烯、聚氯乙烯）等，用做设备的防腐涂层。

    化工设备材料选择原则

    1. 遵循标准：

    GB150-1998《钢制压力容器》 《压力容器安全技术监察规程》 HGJ15-89《钢制化工容器材料选用规定》当压力容器使用普通低碳钢制造时，常用Q235B、Q235C

    2. 考虑经济性

    3. 标准零部件的材料选择符合国家标准或行业标准

    4. 钢材使用温度符合要求。

    5. 其它指导准则：

    a) 碳素钢用于介质腐蚀性不强的常、低压容器或壁厚不大的中压容器；

    b) 低合金钢，用于介质腐蚀性不强的中、高压容器；

    c) 不锈钢用于介质腐蚀性较强的场合；

    d) 耐热钢用于高温场合

    e) 奥氏体不锈钢不能用于易发生晶间腐蚀的场合；

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