般说釆,要求产品的总成本低愈好,但如果对于某化工没备来说,它所生的是 中间产品,为了使整个生产的最终产品的总成本为最低,有时不一定选择中间产品的本为 最低值。 第二节化工设备用材料的性能 材料是构成化工容器及设备的物质基础。化工设备使用的材料品种很多,最常用的是 金属材料,如碳钢、普通低合金钢、不锈钢、铸铁及各种有色金属等。非金属村料具有优良 耐腐蚀性能,在化工设备用材中也占有一定的比例。由于化工生产的条件十分复杂,不同情况 对材料有不同的要求,因此,必需掌握材料的各种基本性能,从使用、加工、经济等各方面 作全面考虑,并作合理选择。在选材时,必需注意下列各点: 、机梳性能 材料的机械性能通常用以下几个主要指标衡量: 械强度机碱强度是材料抵抗外力作用不致破坏的性能指标,是设计中决定许用 应力的依据。常用的有抗拉(或抗压、抗弯)强度极限σ和屈服强度(屈服极限)σ,高温 时还嘤考虑蠕变极限,及持久极限vD。屈服强度与强度极限之比值即屈强比反映了材料承受 外载能力的裕瘦。不同材料具有不同的屈强比,即使是同一种材料,其屈强比随材料热处理 条件及工作温度不同而异 2.硬度硬度是强度的另一种表达形式。一股来说,强度大则硬度较高,材料的酎磨 性能较好,而切削加工的性能较差。硬度的测定比较方便,测定时又不破坏被测零件,有时 可根据测定的硬度值伟算其强度指标 3,塑性材料的塑性是指它在破裂前望性变化能力的大小。冷作加工成型的零件要 用塑性好的材料,否则在成型时发生大变形的部位会开裂。承受冲击载荷的部件也要用塑 好的材料,否则在冲击载荷作用下会断裂。塑性好的材料可以以较大的变形来缓解应力黛 中。材料的望性用延伸率δ和断面收缩率φ衡量,有时也用材料的冷弯性能来反映。压力容器 从加工制造角度和工作安全角度,都要求材料有较好的塑性,一般要求b 4.韧性韧性是表征材料抵抗冲击力的性能指标。压力容器虽然大多数只承受静载 何,但容器内倩藏的流体,在压力作用下却蕴藏着很大的能量,万一某个薄弱环节破损,其 瞬时释放出的能量很大,具有很大的破坏性。材料的韧性代表了在破断前单位体积材料所能 吸收的能量大小,朋冲击韧性值来衡量,化工容器用钢要术在常温下的a≥40-60J/cm 5.断裂韧性惭裂韧性是反映材料抵抗裂纹扩展的能力。各种工程材料不可能是完整 无缺的,实际上存在着大小不等的细小裂纹。烈较有没有危险主取决平它的尺寸大小、受力 强度与方向和材料对抗裂纹扩展的性能。对于中低强度的k力容器用钢和低温用钢,目前常 用临奡裂纹张开位移coD)值♂来渾价其断裂韧性,超过则证为有脆性裂纹扩展。 在以上几个基本的机械性能指标中,真正独立的是强度和塑性。硬度与强度的密切关系 已如上述,韧性是强度和塑性二者综合影响的反映,因此在粥定材料的机械性能时,总以强 度和塑性作为最主要的指标。 常用钢材的机槭性能见附录一。 二、耐蚀性能
化工生产中所处理的物料,大多是有腐蚀性的。设计化工设备时,材料的耐胸蚀性常在 透用时起决定性的作用,材料的腐蚀性能及其合理选择在第十章中讨论 三、物理性能 材料的主要物性能包括密度P,kg/m’,导热系数i,W/(m·K);比热C,kJ/(k K;熔点。,°C:线膨胀系数a,1/°C等。在不同的使用场合,对材料的物理性能有不同的 要求。如用于传热表面的材料要求有较商的导热系数;高速回转件应采用低蜜度强度的 杆料。 几种主要金属材料的物理性能见附录一。 四、制造工艺性能 材料的制造工艺性能十分要。选材不合适,设备就很难加工。对于化工设备来说,根 据零鄗件的结构与加工方式,要考虑的材料的加工工艺性有可焊性、可铸性、可锻性、切削 加工性能、热处理性能以及冲压性能等。 五、组织与成份 材料的金相组织与化学成分对机械性能、热处理性能以及制造方法均产生一定的影响, 选择材料时应当了解组织与成分对材料的物理、机被性能的影响 化工设备的选材问题应当在首先满足化工工艺要求的前提下,结合材料的各种基本性能 与价,再根据当地具体供材倩况,综合考虑选定。表1为一般设备选材表,可供参考。 表1一般设备选材参考 零部件 公称压力 Pg, MPa 0—350 350-47 备光体 1,0-2,5 256.4 6MaR, 15M*VR 16MaR 15Ma VR 15MaR或16M(眼) 16a板>,12c:M 橙留,换热管 e6.4 10.20, I 16Mn15M.v 法 2.56.4 16Mn,15MnⅤ 15Ma, 15MaY Asr40MoB 双头螺 2.5-6.4 35:4M血B 40MnB, 35CrM,A 烁母
第三节化工容器常用钢材及焊接结构 用于制造化工容器及设备的材料可分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括黑 色金属(钢和铸铁)和有色金属。非金属材料又可分为无机材料和有杋材料。 石油、化学工业中广泛应用金属材料,大多数容器由钢材制成。与其它材料相比,钢材 的强度高,初性妤,酎冲击,可焊性与切削加工性能也比较好,而且造价也比较便宜。 下面简单介绍常用钢材及其焊接结构。 碳钢 在化工容器中常用的是獭素结构钢,包括普通猴素钢与优质碳素钢。 普通钢按供货时保证指标的不同,又可分为甲类、乙类、特类三种。甲类钢即A类 钢,在供应时只保证机械性能(最常用的A3就属于此类钢),乙类钢即B类钢,只保证化学 成分,特类钢(C美钢)既保证机械性能又保证化学成分 优质碳钢与通碳钢相比,硫磷含量较少,机械性能狡髙。 化工压力容器用钢,首先要求保证足够的机械强度,因此甲类普通碳钢及普通低合金钢 应力较多,优质碳钢多用在无缝钢管中。 化工压力答器用钢与锅炉用钢一样还要求有良好的塑性,且要求钢的质地均匀,无时效 倾向,因此必须选用杂质和有害气体容量较低的低碳镇静钢。由于有附加的要求,对于化工 压力容器用钢和锅炉用钢分别在钢号尾部再标以“R”或“g”字符。如落用制造压力容 器的碳素钢有A3R(甲类三号容器用碳钢),20g(20号锅炉用优质碳钢)及16MnR(16锰 普通低合金睿器用钢)等。 钢制化工容器及设备一般用熔焊方法制造。焊丧质量的高低与焊接结构是否合理有密切 关系。因此选择合理的焊接结构具有重要意义。碳钢焊接容器常用的接缝形式为对接、角接 和丁字接。这些形式接缝的质量容易保证,因此用得多,要尽量避免采用搭接缝 等厚度板的对接缝,为了确保焊的质量,应尽量采用等厚度对接。厚度在6mm 以下的对接缝可以不开坡口。板厚度大于6mm时,为了防止焊缝出现焊不透的现象,根据 不同板厚,开不同形式的坡 对于容器内空间过小,无法从内部进行焊接时的焊缝,采用单面坡口。板厚s≤20mm 时用V型坡口,>20mm时用U型坡口,如图1所示。当两面都可以进行焊接时,为了保证焊 珍影 单面坡口型式 图2双面坡口型式
缝灬,要采用双面坡门。8=20-40mm时用对称X型,8=30-6mm时用对称U亚,海图 2。必须注意,自动焊和手工焊对于板厚的适用范国和坡口尺寸均不相饲,设计时可参考 《辋制压力容器焊接规程JB/z1:5-73》 2·衬垫板的对接焊缝,当容器内侧无法进行焊接而釆用单面坡凵时,为广保证焊缝 根部焊透,常釆斥板的对接焊缝,以提高焊缝质量,见图3。垫板材料可用钢或紫 铜。应注垫板与焊接件的密合,焊后最好将垫拆除,但却不一定都能做到。 不等厚钢板的对接焊缝,在不等钢板对接时,应将厚板削游,对接处的厚 相同。当薄板厚度s2≤!0mm,81-83>3mm或s2>10mm,s-8>0.3:或81-82>5mm 吋,均应按图4的要求,削薄厚板边缘 ANH图 带片的对接婕 碳钢L≥381-42) 3带垫板的对接焊缝 图4不等度板的对接 4·在冋一小区内尽避免多次焊接,两相邻筒节的綁焊缝要钳开一段距离a 4>3S,且4>43mm(S为板)以避十字交又焊缝(图5) 5.潭缝要尽量离开容器的几何形状和壁厚突变的地方,例如当椭閩形封头与筒节对焊 时,一定要加一个边过渡部分,让两个圆柱体相连,以使焊缝避开应力杂的区域。 、运低合金钢 普通低合金钢是指钢中台金元素总容量在2-3%以下的钢种。与钢相比它的机槭骚 度提高较多,同时也提高了耐热性,耐蚀性和跗磨性。因此通低合金钢在佗工设岱制避屮 应很 普通低合金钢按特性可以分为强￡,耐蚀,高温用钢及低温用几类(见表2)。 高温用钢具有较高的抗蠕变性能,低温用钢在较低的温度下仍保持良好的冲击韧。 道低合金钢由于添加的合金元素不多,价格增加不大,性能却有很大改茫,试而诗别 适用于高压容器的酬造。但随强度的禔高,它塑性和韧件都冇所下隊。酬迒菥制滙 低合金钢以备时,尤其是对于40公斤以上级别的钢利,应特别注意防止焊后冷却时,在焊缝 附近产生冷裂纹。对于新钢种的焊接,必须先进行焊接工艺试验,只有在焊接工艺能够确保 容器质量时,才能投入生产。 三、不锈耐酸钢 化学工业中使用最多的是奥氐体18-8型(Cr18Nr)铬镍不锈钢。这种钢经高温火处 理后锝到稳定的奥氐纽织。18-8型钢在常温和低温下有很商的塑性与韧性,不具磁性。它的 耐腐蚀性能将在本书第十章中介绍。 奥氐体钢在长期加热中会使合金元素烧损,因而丧失耐蚀性能,为此要求各连送爷时
2普造低合金钢的性能例 钢号 分类 使用温度范肖 40公斤级 斤级 59公斤级 18MnMoNb 50—580℃ cMO V 化工石抽丹钢 J5MoYAITiRe 6MaDR② 丽H2S腐蚀 09M02VOR 诺水及 MaTiCuXtDR 大气病蚀用啊 09MaCaPTi -99℃ 1号 MANbER ①35公斤,指屈服强度为35kg!/mm(359MPa),余类推 ②筲号D为低温用锅,R为压力容器用朝 到熔点。这一点在等厚板对接焊时是容易保证的,而当连接厚度相差较多时,就要注意在 焊缝结构上作出保证。例如对接缝中厚板削薄斜度要求为1:4 碳钢1:3的要小;换热 器管板与壳体的连接要釆用图6的对接结构;决不能用十字交叉焊鏠;两个丁宇焊缝之间 的距离a要求a>5S,或a>5mm。(图5) 换热器壳体与厚管板的对按 纵睡的爬高 图5纵焊鏈间的距离 图6换热器亮体与厚管板的对接焊缝 不锈钢的导热系数是碳钢的1/3-1/4(见附录表1),所以在焊接时对焊缝两侧的板 材被加热宽度比较窄,但它的线膨胀系数a却是碳钢的1.5倍,这要引起很大的残余应力 不但使耐蚀性降低,有时甚至导致焊维的破裂。低残余应力的办法是引入柔性元件,以柔 元件的自身变形作补偿,来降低焊銼附近的应力。图7(a)常用于自碳钢设备引出接管的构 造,不用于不锈钢设备中,而图?()则由于引入了柔性的结构,适用于不锈钢设备。 不锈钢中Cr,Ni合金含量大,价格昂贵,所以要尽量节省不锈钢,不与腐蚀介质触 的材料尽量釆用普通碳钢。图8是不锈钢话妻法兰连接,法兰是碳钢的。图9(a)是不 钢塔体采用碳钢裙座。为丁避免碳钢与不锈钠直接焊接后,焊缝内侧的耐蚀性下降,而采用不 锈钢过渡件。图9(b)不锈钢反应釜与碳钢夹套之间也是采用了过渡件