1化工设备材料及其选用A
化工设备机械基础
• ⑤产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般 要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产 中间产品，则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低， 此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个 生产系统的经济效果来确定。
• 三、容器零部件的标准化
• 1．标准化的意义
• ①组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，有利于 成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本从而 提高产品的竞争能力。
金属腐蚀破坏的形式: 均匀腐蚀与非均匀腐蚀（又称局部腐蚀）
金属设备的防腐措施：
1、衬覆保护层 2、电化学保护 3、缓蚀剂
第二章 容器设计的基本知识
• 一、容器的分类与结构 • （一）结构
• （二）分类 • 第一种：按设计压力分类 • 按承压方式，压力容器可分为内压容器与外压容器。 • 内压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级：：
一化学腐蚀：金属遇到干燥的气体或非电解质溶液而发生化 学作用所引起的腐蚀。其产物在金属的表面，腐蚀过程 中没有电流的产生。
二氢腐蚀：氢气在较低温度和压力(＜200℃，＜5.0MPa)下 对普通碳钢及低合金钢不会有明显的腐蚀，但是在高温 高压下则会对它们产生腐蚀，结果使材料的机械强度和 塑性显著下降，甚至损坏，这种现象常称为“氢腐蚀”。
（也是通过试验方法获得，一般在油压机上进行弯曲试验，测定材料的 缺口敏感性。）
• 4.硬度 ： • 衡量材料软硬的一个指标 • 总之，在材料的力学性能所包括的强度、塑性、韧性、硬度四个指
标中， • 强度和塑性占主导地位，但使用时要考虑温度的变化。 二化学性能（主要指耐腐蚀性和抗氧化性） • 1、耐腐蚀性： • 金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能
化工设备机械基础习题解答
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B组：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第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP S m 63844=⨯==σSPRR m =+21σσθ MP SPD634==σθ2. 圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。
αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m 58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασ SPRR m =+21σσθ MP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R R B 点0==σσθm3. 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==b a 标准椭圆形封头bb b y x A a R a R 2221,:),0====点（MP S Pa m 5.502010101=⨯===θσσMPa sbPB b a x am 3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP ba x a 7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pa m 25.25202101012=⨯⨯==σ MPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ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σσθ和m。
【解】 P= D=816mm S=16mm1.00196.081616<==D S 属薄壁容器 MPa S PD m 875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa S PD m 75.631628165.22=⨯⨯==σ2. 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。
第一章化工设备机械基础-2
3.1 布氏硬度HB（始于1900年，历史悠久）
试验中，如果材料布氏硬度小于450，采用钢球压头，用HBS表 示；如果材料布氏硬度大于450且小于650，则采用硬质合金球 压头，布氏硬度用HBW表示。如果硬度大于650 HBW，测量结 果不准确，需改用洛氏硬度。
2P
HB D D D 2 d 2
1. 金属腐蚀的评定方法
(1). 根据重量变化来评定金属的腐蚀
K
p0 p1 F t
g
m2 h
• 一般只应用于均匀腐蚀。
(2). 根据腐蚀深度来评定金属的腐蚀
24 365 K
K
Ka 1000
8.76 (mm / a)
2. 金属腐蚀的分类
2.1 化学腐蚀
4.2 缺口敏感性
定义：指在带有一定应力集中的缺口条件下，并且 在静载荷作用条件下，抵抗裂纹扩展的能力。
物理学性能
相对密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性、弹性模数与泊桑比等。
1、线膨胀系数α
热膨胀性
1 l
l t
不同钢种的焊接，要考虑到它们的线膨胀系数是否接近，以避免因膨胀量不 等而使构件变形或损坏。有些设备的衬里及组合件，应注意材料的线性膨胀 系数要和基体材料相同或相近，以防止受热后因膨胀量不同而松动或破坏。
化工设备机械基础
第一章 化工设备材料及其选择
第二讲
3. 硬度
定义：材料抵抗其它更硬物压入表面的能力
常用的硬度测量方法都是用一定的载荷（压力）把一定的压头压 入金属表面，然后测定压痕的面积或深度。当压头和压力一定时， 压痕面积愈大或愈深，硬度就愈低。
根据压头和压力的不同，常用的硬度指标可分为布氏硬度、洛氏 硬度和维氏硬度。
化工设备机械基础试题库完整
化工设备机械基础试题库一、填空力学基础部分1．在外力的作用下,杆件可产生变形的基本形式为轴向拉、压、剪切、扭转、弯曲。
2．就所受外力而言,受剪切直杆与受弯的梁二者之间的区别是受剪横向外力作用线相距很近、受弯横向外力作用线相距很远。
3．从工程意义上讲,材料的破坏可分为二类,一类是脆性断裂破坏,应采用第一或二强度理论解释其破坏原因；另一类是屈服流动破坏,应采用第三或四强度理论解释其破坏原因。
4．碳钢和铸铁都是铁塑性材料；而铸铁是典型的脆性材料。
和碳组成的合金,但是它们却有非常明显的性能差别,低碳钢是典型的5．碳钢和铸铁都是铁和碳组成的合金。
一般来说,对钢材性能有害的元素是硫和磷,其有害作用主要表现在硫使钢材发生热脆,磷使钢材发生冷脆。
6．碳钢和铸铁中的主要化学元素除铁外还有碳 2.11% 时为碳钢；如果组成的合金中碳含量大于2.11% 时为铸铁。
,如果组成的合金中碳含量小于7．就钢材的含碳量而言,制造压力容器用钢与制造机器零件用钢的主要区别是制造容器用低碳钢,而制造机器零件用中碳钢。
其主要原因是低碳钢有良好的塑性与焊接性能,中碳钢可以通过调质提高其综合机械性能。
8．从应力角度看,等壁厚、内径和内压均相同的球形容器比圆筒形容器具有优越性,二者经向应力相同,而周向（环向）2倍。
应力不同,圆筒形容器是球形容器9．受气体内压的锥形壳体,壳体上的薄膜应力随距锥顶经向距离的增大而增大,锥顶处应力为零,最大应力位于锥底处。
10．标准椭圆形封头的长、短半轴之比等于2,这种封头的最大拉应力位于椭圆壳体的顶点处,最大压应力位于壳体的赤道。
11．标准椭圆形封头最大拉应力位于椭圆壳体的顶点处,位于壳体的赤道出现经向的最大压应力,其绝对值与最大拉应力值相等。
12．边缘应力的两个基本特征是局部性,自限性。
13．圆锥壳与圆柱壳的连接点A处圆锥壳的第一主曲率半径为_______,第二主曲率半径为________。
锥顶处B点的第一主曲率半径为__________,第二主曲率半径为_________。
化工设备机械基础习题解答86184
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B组：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第三章 内压薄壁容器的应力分析和MP S m 63844=⨯==σSPRR m =+21σσθ MP SPD634==σθ2.圆锥壳上之A 点和B 点，已知：p=，D=1010mm ，S=10mm ，a=30o 。
αcos 2,:21DA R R =∞=点MP S PD m 58.14866.010410105.0cos 4=⨯⨯⨯==ασ SPRR m =+21σσθ MP S PD 16.29866.010210105.0cos 2=⨯⨯⨯==ασθ0,:21=∞=R R B 点0==σσθm3. 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==b a 标准椭圆形封头bb b y x A a R a R 2221,:),0====点（MP S Pa m 5.502010101=⨯===θσσMPa sbPB b a x am 3.43)(2 2224=--=σ点：MPa b a x a a sbP ba x a 7.27)(2)(2 222442224=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----=θσ:)0,(==y a x C 点MPa S Pa m 25.25202101012=⨯⨯==σ MPa S Pa 5.502010101-=⨯-=-=σθ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σσθ和m。
【解】 P= D=816mm S=16mm1.00196.081616<==D S 属薄壁容器 MPa S PD m 875.311648165.24=⨯⨯==σ MPa S PD m 75.631628165.22=⨯⨯==σ2.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。
第1章 化工设备材料及其选择
影响金属疲劳强度的因素主要有：合金成分、表面状态、组 织结构、夹杂物的多少与分布状况、应力集中情况。
12
2. 塑性
塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏 的能力。
塑性变形：外力去除后保留的永久变形。 因塑性不足引起材料破坏的例子： ◎锻件裂纹; ◎卷板裂纹; ◎焊缝热影响区裂纹
13
而不断减薄，最后可能导致管道破裂； 高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；
9
蠕变极限的定义：
① 材料在某一温度下经10万小时，发生1%变形量时的最大应力值 称为该温度下的蠕变强度，MPa
② 材料在某一温度下，引起规定变形速度( v 1105 mm/(mm h)) 的应力值称为蠕变强度，MPa
第1章 化工设备材料及其选择
学习目的与 要求
了解化工设备材料的一般知识，了解常用材料的分类、性 能、参数及用途，初步具备合理选用化工设备材料的能力。
1
1.1 概述
化工过程复杂性、苛刻性对材料提出的高要求
温度：化工设备用材，承受的温度范围极广
烃类原料的热裂解
1100 ℃ ～1300 ℃
烃类蒸汽转化制备合成氨原料气
26
1.3 金属材料的分类与牌号
金属的分类
黑色金属 有色金属
生铁
钢 铜及其合金 铝及其合金 钛及其合金
纯铜 黄铜 铜锡合金 无锡合金
锌及其合金
……
1.3.1 碳钢&铸铁
钢 或是 铁? 含量
碳 Carbon 与Fe的结合方式
28
1.3.1 碳钢&铸铁
C 含量
工业纯铁
+1% other elements
QT 400 — 15 QT 450 — 10 QT 450 — 10
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由于外力形式的不同，有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。抗拉强度是 压力容器设计常用的性能指标，
(3) 蠕变极限（ n ）
蠕变现象
联合作用下
高温 （比如：碳素钢＞420℃，合金钢＞450℃）
一定应力
金属将逐渐产生塑性变形
[实例 1] （某工厂的蒸汽管，由于存在蠕变，管径随时间的延长不断增大，壁厚减薄，最 后导致破裂。） [实例 2] （汽轮机的叶片，可能因蠕变发生过大的塑性变形，以致与轮壳相碰而打碎。）
3
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电，力根通保据过护生管高产线中工敷资艺设料高技试中术卷资，配料不置试仅技卷可术要以是求解指，决机对吊组电顶在气层进设配行备置继进不电行规保空范护载高与中带资负料荷试下卷高问总中题体资，配料而置试且时卷可，调保需控障要试各在验类最；管大对路限设习度备题内进到来行位确调。保整在机使管组其路高在敷中正设资常过料工程试况中卷下，安与要全过加，度强并工看且作护尽下关可都于能可管地以路缩正高小常中故工资障作料高；试中对卷资于连料继接试电管卷保口破护处坏进理范行高围整中，核资或对料者定试对值卷某，弯些审扁异核度常与固高校定中对盒资图位料纸置试，.卷保编工护写况层复进防杂行腐设自跨备动接与处地装理线置，弯高尤曲中其半资要径料避标试免高卷错等调误，试高要方中求案资技，料术编试交写5、卷底重电保。要气护管设设装线备备置敷4高、调动设中电试作技资气高，术料课中并3中试、件资且包卷管中料拒含试路调试绝线验敷试卷动槽方设技作、案技术，管以术来架及避等系免多统不项启必方动要式方高，案中为；资解对料决整试高套卷中启突语动然文过停电程机气中。课高因件中此中资，管料电壁试力薄卷高、电中接气资口设料不备试严进卷等行保问调护题试装，工置合作调理并试利且技用进术管行，线过要敷关求设运电技行力术高保。中护线资装缆料置敷试做设卷到原技准则术确：指灵在导活分。。线对对盒于于处调差，试动当过保不程护同中装电高置压中高回资中路料资交试料叉卷试时技卷，术调应问试采题技用，术金作是属为指隔调发板试电进人机行员一隔，变开需压处要器理在组；事在同前发一掌生线握内槽图部内 纸故，资障强料时电、，回设需路备要须制进同造行时厂外切家部断出电习具源题高高电中中源资资，料料线试试缆卷卷敷试切设验除完报从毕告而，与采要相用进关高行技中检术资查资料和料试检，卷测并主处且要理了保。解护现装场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
第一章化工设备材料及其选择
第⼀章化⼯设备材料及其选择第六章化⼯设备材料及其选择⼀、名词解释：1、延伸率2、冲击功和冲击韧度3、耐腐蚀性4、屈服点5、抗拉强度6、普通碳素钢7、优质碳素钢8、不锈钢和不锈耐酸钢9、锅炉钢10、容器钢11、晶间腐蚀⼆、指出下列钢材的种类、含碳量及合⾦元素含量第七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⼀、名词解释1、第⼀曲率半径2、第⼆曲率半径3、区域平衡⽅程式4、微体平衡⽅程式5、⽆⼒矩理论6、边缘应⼒的局部性⼆、指出和计算下列回转壳体上诸点的第⼀和第⼆曲率半径A组：1、球壳上任⼀点2、圆锥壳上之M点3、碟形壳上之连接点A与 B三、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mσ和θσ1、球壳上任⼀点。
已知：p ＝2MPa ，D ＝1008mm ，S ＝8mm 。
(图3-34)2、圆锥壳上之A 点和B 点。
已知：p ＝0.5MPa ，D ＝1010mm ，S ＝10mm ，α＝30°。
(图3-35)3、椭球壳上之A 、B 、C 点。
已知：p ＝1MPa ，a ＝1010mm ，b ＝50.5mm ，S ＝20mm ，B 点处座标x ＝600mm 。
(图3-36)图3-34 图3-35 图3-36四、⼯程应⽤题1、有⼀平均直径为10020mm 的球形容器，其⼯作压⼒为0.6MPa ，厚度为20mm ,试求该球形容器壁内的⼯作应⼒。
2、有⼀承受⽓体内压的圆筒形容器，两端均为椭圆形封头。
已知圆筒平均⼯资直径为2030mm ,筒体与封头厚度均为30mm ，⼯作压⼒为3MPa ,试求：（1）圆筒壁内的最⼤⼯作应⼒；（2）若封头椭圆长、短半轴之⽐分别为2,2,2.5时，计算封头上薄膜应⼒m σ和θσ的最⼤值并确定其所在位置。
第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计⼀．名词解释1、弹性失效设计准则2、强度条件3、计算厚度4、名义厚度5、有效厚度6、最⼩厚度⼆．填空1、有⼀容器，其最⾼⽓体⼯作压⼒为1.6Mpa，⽆液体静压作⽤，⼯作温度≤150℃，且装有安全阀，试确定该容器的设计压⼒p=（）Mpa；计算压⼒p c=（）Mpa；⽔压试验压⼒p T=（）Mpa。
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中、低压和高压容器：常处于有腐蚀性介质的条件 下工作，除 承受较高的介质内压 (或外压) 外有时还会受到冲击和疲劳载荷的作 用；在 制造过程中，要经过各种冷、热加工使之成型；
对钢板的要求：除随介质的不同要有耐腐蚀的要求以外，应有 较高的强度、良 好的塑性、韧性和冷弯性能，缺口敏感性要低，加 工和焊接性能良好。对低合金钢板材要注意 是否有分层、夹渣、白 点和裂纹等缺陷。
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 慨 述 第二节 材料的性能 第三节 金属材料的分类及牌号 第四节 碳钢与铸铁 第五节 低合金钢及化工设备用特种钢 第六节 有色金属材料 第七节 非金属材料 第八节 化工设备的腐蚀及防腐措施 第九节 化工设备材料的选择
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 概 述
化工设备的种类： 按操作压力分为：真空、常压、低压、中压以至高 压和超高压； 按操作温度分为：低温、常温、中温和高温。 处理的介质大多数又有腐蚀性，或为易燃、易 爆、 有毒、剧毒等。 有时具体设备既有温度、压力要求，又有耐腐蚀要求， 而且 这些要求有时还互相矛盾，某些条件又经常变化。
(2)零件表面状况：疲劳裂纹源大多起始于零件的 表面。零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳强度。
(3)载荷类型：载荷类型不同，疲劳强度不同。 (4)工作温度：温度升高，裂纹易产生和扩展，疲
劳强度降低。 (5)腐蚀介质：零件在腐蚀环境中，疲劳强度明显
降低。
第二节：材料的性能
二、塑性
金属在断裂前产 生永久变形而不破坏 的能力。
化工设备机械基础A
（32学时）
教师： Email: xiongjianjun@
Tel: 13912005119 846878578
化工设备机械基础A
第一章：化工设备材料及其选用 第二章：化工容器设计概述 第三章：内压薄壁容器的应力分析 第四章：内压薄壁圆筒与封头的强度设计 第五章：外压圆筒与封头的设计 第六章：容器零部件 第七章：管壳式换热器的机械设计 第八章：塔设备的机械设计 第九章：搅拌器的机械设计
• 1、伸长（延伸） 率
试样拉断后标距 增长量ΔL与原长L。 之比。
L 100%
L 1
L 0
100%
L
L
0
0
第二节：材料的性能
二、塑性
•
2、断面收缩率
试样拉断后断口处横截面积的改变
量与原始横截积之比。
F
100%
F 0
F 1
100%
F
F
0
0
第二节：材料的性能
二、塑性
3、冷弯(角) 衡量金属材料和焊缝塑性的指标，
力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能 锻造性能 焊接性能 切削加工性能
第1章 化工设备材料及其选择
第二节：材料的性能
金属材料的力学性能
硬度 弹性 塑性 强度 冲击韧性
第二节：材料的性能
拉伸试验
拉伸试验机
第二节：材料的性能
一、强度指标
材料强度：在外力作用下，材料抵抗变 形和断裂的能力。
P / F0ห้องสมุดไป่ตู้(MPa)
P / F (MPa)
s
s
0
第二节：材料的性能
一、强度指标
•
3、抗拉强度（强度极限）
材料抗拉伸断裂前承受的最大应力。
设计时塑性材料多用σs；脆性材料多用σb作为极限应力。 σs/σb之比叫“屈强比”。屈强比越小，可靠性越大； 但比值太小，材料利用率太低。
抗弯强度
第二节：材料的性能
一、强度指标
4、高温性能： 蠕变：金属在高温长时间应力作用下，所加应力远小 于σs 逐渐产生明显的塑性变形的现象。导致零件尺寸变 化，甚至断裂造成事故。 应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变 形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。 原因是零件的弹性变形逐渐变为了塑性变形。 蠕变强度：高温长时间载荷作用下，在给定温度下和 规定时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。
4
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 概 述
选用材料的一般要求是： (1)材料品种应符合我国资源和供应情况； (2)材质可靠，能保证使用寿命； (3)要有足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐 蚀性介质能耐腐蚀； (4)便于制造加工，焊接性能良好； (5)经济。
5
第1章 化工设备材料及其选择
第一节 概 述
500 100MPa 1105
在500℃温度下，工作1×105h后变形量为1%的蠕变强 度为100Mpa。
一、强度指标
第二节：材料的性能
第二节：材料的性能
持久强度(σD)
在给定温度下，促使试样或工件经过一定 时间发生断裂的应力叫做持久强度。
在化工容器用钢中，设备的设计寿命一般 为十万小时，以σ105表示试件经十万小时断裂 的应力。
中、高温容器：钢材在 中、高温的长期作用下，金相组织和机 械性能等将发生明显的变化，并要承受一定的介质压力，选择设备 用钢时，需考虑材料的组 织稳定性和中、高温的机械性能。
低温设备：着重考虑设备在低温下的脆性破 裂问题。
6
第二节
第1章 化工设备材料及其选择
材料的性能
使用性能 金属材料的性能
工艺性能
由冷弯试验测定的。 冷弯试验：金属材料和焊接接头在
疲劳强度
第二节：材料的性能
疲劳曲线:钢铁所受重复或交变应力σ与其断裂前所受的 应力循环次数N之间有关系。两者之间的关系曲线叫。
钢的疲劳强度σ-1 ≈σb(40～50%），循环次数为107；有 色金属的疲劳强度σ-1 ≈σb(25～50%），循环次数为10８ 。
第二节：材料的性能
疲劳强度影响因素
(1)材料本质：材料的成分、组织以及纯度和夹杂 物对疲劳强度有显著影响。
持久强度是一定温度和一定应力下材料抵 抗断裂的能力。在相同的条件下，能支持的时 间越久，则该材料抵抗断裂的能力越大。
疲劳强度
第二节：材料的性能
疲劳：在多次重复或交变应力作用 下，使金属材料在远小于金属的屈服强 度时发生断裂的现象。
疲劳强度：材料经交变应力无数次 循环作用而不发生断裂的最大应力σ-1。
第二节：材料的性能
一、强度指标
•
1、弹性强度（弹性极限）
弹性强度：材料保持完全弹性变形时的 最大应力。
弹性变形：外力解除后变形全部消除恢 复原状的变形。
e Pe / F0 (MPa)
第二节：材料的性能
一、强度指标
•
2、屈服强度（屈服极限）
材料产生屈服现象时的最小应力。
没有明显屈服的材料，用发生 0.2%塑性变形时的应力值σ0.2代表其 屈服强度。