认识化工设备

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,情境一 认识化工设备,知识目标：,了解化工设备的类型及在化工生产中的应用,掌握化工设备常用钢材的性能及应用,了解压力容器相关标准规范,能力目标：,能够比较熟悉地应该有关标准规范,能够根据工艺要求对不同用途的设备合理的选材,素质目标：,养成自学的学习习惯，严谨细致的工作作风树立工程概念,第一节 化工设备的应用、类型及基本要求,化工设备的应用,典型炼油、化工生产装置所需的化工设备,序号 生产装置名称 所需的主要设备,1 常减压 加热炉、分馏塔、换热器,空气冷却器、 各种油泵,2 催化裂化 加热炉、反应器、沉降器、,再生器、旋风分离器、分馏塔、,空气冷却器、离心式鼓风机、,各种油泵、各类容器,序号 生产装置名称,所需的主要设备,3 催化重整 加热炉、分馏塔、反应器、,抽提塔、各种换热器、各种油泵,4 溶剂脱沥青 加热炉、抽提塔、蒸发器、,丙烷压缩机、各种油泵,5 润滑油脱蜡 加热炉、各类塔器、转鼓式真空过滤机、,套管结晶器、离心式空气压缩机、各种泵,6 合成氨 加热炉、反应器、分馏塔、压缩机、,换热设备、各种泵,7 丁烯氧化脱氢生产丁二烯 反应器、各种塔器、蒸发器、空气压缩机、,混合器、废热锅炉、各种泵,8 乙烯催化水合生产乙醇 加热炉、反应器、压缩机、,分馏塔、洗涤塔、各种泵, 化工设备的应用,化工设备不仅用于化工和炼油生产中，而且在轻工、医药、食品、冶金、能源、交通等工业部门也有着广泛的应用。, 化工设备的特点,功能原理多样化,外壳多为压力容器,化工机械电气一体化,设备结构大型化,化工设备的类型,加热设备,换热设备,传质设备,反应设备,塔设备,储存设备,储存压力容器,液氨储罐,高位储罐,球形储罐,反应压力容器,高压反应器,合成塔,吸收塔,换热压力容器,列管式换热器,大型集成换热器,蒸发器,废（余）热锅炉,分离压力容器,双介质过滤器,旋膜式除氧器,案例一：,重质油加氢裂化工艺进程：原料油、循环油、氢气混合质加热进入后反应器，发生化学反应；产物由反应器外部排出，再经换热，冷却后关入高压分离器由高压分离后产物经减压送入高压分离器，由高压分离后产物压后再送入低压分离器，最后加热后送分镏塔。,指出其中的化工设备有：,加热炉（换热器）、反应器、高（低）压分离器、分馏塔（分离器）。引出典型的化工设备。,需解决的问题：,认识典型设备的应用情况，了解设备基本功能和作用,分析问题：,1、主要使用的设备各有何作用，工作介质的主流程？,2、各设备所属容器类别，应该如何划定，依据是什么？,案例二：,合成氨厂一天然气（甲烷）、氮气或富氧空气为原料，利用甲烷燃烧以及甲烷转化反应生成氢和一氧化碳，作为合成氨原料气的工艺流程：,容器的基本要求,化工容器的基本结构,由于化工设备的适用场合不同，设备内部的结构也不同，但它们都有一外壳，这一外壳称为容器，故化工设备又称为化工容器。,化工容器的特点：经常在高温、高压场合下工作，内部的介质通常易燃、易爆、有毒、有害且具有腐蚀性。,因此对化工设备要求也比较的严格,属特种设备,。,化工容器的结构组成,化工容器常见的结构由：筒体、封头、支座、密封装置、开孔以及各种工艺接管和附件等,。,卧式容器的结构简图,化工生产对化工设备的基本要求,设备为工艺服务，同时又属于特种设备，因此,工艺性要求（满足生产工艺，有一定效率,）,安全方面的要求：,（1）、强度：指设备及其零部件抵抗外力破坏的能力。,（2）、刚度：指设备及其零部件抵抗外力作用变形的能力。,（3）、稳定性：指设备及其零部件在外力作用下维持原有,的能力。,（4）、耐蚀性：指设备抗腐蚀的能力。,（5）、密封性：指设备阻止介质泄漏的能力。,经济方面要求,化工设备除了要满足安全可靠性之外，还需满足,经济方面,要求。,（1）、尽量降低设备成本：通过节约材料、优化加工制造,工艺等。,（2）、操作维修方便：考虑设备在使用过程中便于拆装、,检修、清洗等操作。,第二节 压力容器分类及质保体系,知识目标：,熟悉压力容器的分类方法,掌握常见的压力容器规范,了解压力容器的质量保证体系,能力目标：,能够正确区分常见的压力容器，指出其所属类别,能够根据工程的需要，熟练查阅相关国家标准,方法能力：,养成自学的学习习惯，严谨细致的工作作风树立工程概念,化工容器的结构组成,化工容器常见的结构由：筒体、封头、支座、密封装置、开,孔以及各种工艺接管和附件等,。,卧式容器的结构简图,思考：什么是压力容器,是指,压力和容积,达到一定的数值，容器所处的工作温度使其内部介质呈气态的密闭容器。按中国压力容器安全技术监察规程的规定，同时具备下列条件的容器称为压力容器,。,工作压力大于等于0.1MPa（不含液柱静压力）；,直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m，且容积大于等于0.025m,3,；,介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体,。,压力容器的定义,不同类型的化工容器虽然服务对象不同、操作条件各异、结构形式多样，但大多是能承受一定压力且容积达到一定数值的密闭容器，,本课程着重介绍中国固定式压力容器安全技术监察规程中的分类方法,。,更进一步：,在技术管理和监督监察上区别对待，便于监督和管理。,压力容器的定义,为了了解各种压力容器的结构特点、适用场合以及设计、制造、管理等方面的要求，需对压力容器进行分类,。,思考：为何要对压力容器进行分类,压力容器的分类,1.按压力等级分类,内压：,低压容器（L） 0.1MPa P1.6MPa,中压容器（M） 1.6MPa P10.0MPa,高压容器（H） 10.0MPa P100MPa,超高压容器（U） P100MPa,外压：,容器外部压力大于内部压力时,容器的内压力420;合金钢450;奥氏体不锈钢550,3、中温容器,指壁温在常温和高温之间的容器；,4、低温容器,指壁温低于一20条件下工作的容器。,其中-20 -40 (浅冷容器),低于-40者为(深冷容器),3,.,按容器壁温,1、薄壁容器,2、厚壁容器,/D,i,0.1 (K=D,0,/D,i, 1.2),/D,i, 0.1 (K=D,0,/D,i, 1.2),4,.,按容器壁厚,5,.,按安全综合分类,压力容器安全技术监察规程，综合考虑了,设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度,等影响因素。,对容器的设计、制造、检验、使用和管理要求愈高。,图A1 压力容器分类图第一组介质,容规宣贯第9章 附件A,容规宣贯,附件A,图A2 压力容器分类图第二组介质,容规宣贯,第9章 附件A,附件A,压力容器类别及压力等级、品种的划分,A1 压力容器类别划分,A1.1 介质分组,压力容器的介质分为以下两组，包括气体、液化气体以及最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体：,(1)第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。,(2)第二组介质，除第一组以外的介质。,释义：压力容器涉及的易燃介质包括易燃气体和易燃液体。目前尚没有严格的易燃气体定义。国内有关标准规范（如GB 504485职业性接触毒物危害程度分级、,HG20660-2000 压力容器化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类等）中，易燃液体,的定义差别也较大，难以统一。99版容规易燃介质的定义：气体或者液体的蒸汽、薄,雾与空气混合形成的爆炸混合物，且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介质。其实质是易爆介质的定义。鉴于上述情况，本次修订,将易燃介质更名为易爆介质，相当于HG20660标准中的“爆炸危险介质”,。,液化气体常温下为气体，通过加压、降温液化,，即使是非危险介质（如空气、氧气、氮气、CO2等），一经液化存储，其容积率极大，,一旦泄漏，会突然改变周围大气状态，造成大面积窒息，也是十分危险的，故将液化气划为第一组介质,。,容规宣贯,第9章 附件A,A1.2 介质危害性,介质危害性指压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。,A1.2.1 毒性程度,综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业性慢性危害等因素，极度危害最高容许浓度小于0.1mg/m3；高度危害最高容许浓度0.11.0 mg/m3； 中度危害最高容许浓度1.010.0 mg/m3；轻度危害最高容许浓度大于或者等于10.0 mg/m3。,A1.2.2 易爆介质,指气体或者液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介质。,A1.2.3 介质毒性危害程度和爆炸危险程度的确定,按照HG 206602000压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类确定。HG 20660没有规定的，由压力容器设计单位参照GB 504485职业性接触毒物危害程度分级的原则，决定介质组别。,A1.3 压力容器类别划分方法,A1.3.1 基本划分,压力容器类别的划分应当根据介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力p（单位MPa）和容积V（单位L），标出坐标点，确定压力容器类别：,(1)第一组介质，压力容器类别的划分见图A-1；,(2)第二组介质，压力容器类别的划分见图A-2。,A1.3.2 多腔压力容器类别划分,多腔压力容器（如换热器的管程和壳程、夹套容器等）按照类别高的压力腔作为该容器的类别并且按照该类别进行使用管理。但是应当按照每个压力腔各自的类别分别提出设计、制造技术要求。对各压力腔进行类别划定时，设计压力取本压力腔的设计压力，容积取本压力腔的几何容积。,A1.3.3 同腔多种介质压力容器类别划分,一个压力腔内有多种介质时，按照组别高的介质划分类别。,A1.3.4 介质含量极小的压力容器类别划分,当某一危害性物质在介质中含量极小时，应当按照其危害程度及其含量综合考虑，由压力容器设计单位决定介质组别。,A1.3.5 特殊情况的类别划分,(1)坐标点位于图A-1或者图A-2的分类线上时，按照较高的类别划分级别；,(2)本规程1.4条范围内压力容器统一划分为第类压力容器。,容规宣贯第9章 附件A,易燃及有毒介质分类,：,常见易燃介质,：一甲胺，乙烷，乙烯，氯甲烷，环氧乙烷，环丙烷，氢，丁烷，三甲胺，丁二烯，丁烯，丙烷，丙烯，甲烷等。,毒性程度,举例：,极度危害、高度危害介质,：氟，氢氰酸，光气，氟化氢，碳酰氟，氯等；,中度危害介质,：二氧化硫，氨，一氧化碳，氯乙烯，甲醇，氧化乙烯，硫化乙烯，二硫化碳，乙炔，硫化氢等，氯化氢；,轻度危害介质,：氢氧化钠，四氟乙烯，丙酮等。,思考：属几类压力容器,容器（设备）及条件,一液化石油气储罐，设计压力1.77Mpa,容积20m,3,一化工介质储罐，介质毒性为中度，非易爆，设计压力4.0Mpa，容积20m,3,。,一塔式容器，工作压力为1.5Mpa,筒体直径4800mm，筒体高度60m，介质为易爆,第类,三类,第类,三类,第类,一类,类别（新）,类别（老）,二、,一石化行业反应容器，介质为易爆，设计压力1.5Mpa，容积800m,3,工作压力0.07Mpa，设计压力P=0.1Mpa，充装系数0.6的反应容器。,一反应容器，工作压力0.2Mpa,设计压力0.22Mpa，介质为极度危害，温度为50，容积1.0m,3,一搪玻璃容器，工作压力1.5Mpa,设计压力1.6Mpa，容积5m,3,压力为10Mpa，容积为800立升的乙烯贮罐,工作压力1.2，2000m3丙烯球罐,第类,二类,无类别,无类别,第类,三类,第类,三类,第类,三类,第类,三类,容器零部件的标准化,（一）、标准化的意义,1.组织现代化生产的重要手段之一,2.标准化为组织专业化生产提供了有利条件,（二）、压力容器的安全监察,不包括核能容器、船舶上的专用容器和直接受火焰加热的容器以及真空容器等外压容器。,意义：,设计,无需计算和制图，按已有标准图选择。,制造,有利于成批生产，降低成本，保证产品质量，提高竞争力。,维修,备件规格尺寸通用，实现互换性。,通商贸易,国内、国际间通用，消除贸易障碍。,我国已实现容器零部件标准化的有：圆筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。,容器零部件标准化的,基本参数,公称直径,（DN),公称压力,(PN)。,规定,:,（1）圆筒体的公称直径：板卷制的筒体内经；,无缝钢管制的筒体外径。,（2）法兰与其相配的管子或筒体的PN、DN相一致。,注意：钢管的DND,i,D,0,压力容器相关的法规和标准,（一）、压力容器相关的法规和标准,技术性标准,法规性的规定,（二）,我国压力容器常用法规标准简介,(一)GB150-2011钢制压力容器,参照ASME标准，近期国际同类标准针对GB150-89的修订。属于,常规设计标准。,1、适用范围,设计压力： 0.1,MP,a ,p,35,MPa,且真空度不低于0.02,MPa,设计温度： 钢材允许的使用温度,只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器,2、管辖范围,除壳体本体外，还包括,与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、第一个螺纹接头端面、第一个法兰密封面，以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。,其他如接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件，以及非受压元件与受压元件的焊接接头，直接连在容器上的超压泄压装置。,(二) JB4732-2005钢制压力容器分析设计标准,弹性失效准则、塑性失效准则、弹塑性失效准则。,根据应力对容器失效所构成的危害程度, 将应力进行分类, 对各类应力用不同的限制值进行控制。,本标准适用于,设计压力：0.1,MPa,p,100,MPa,且真空度不低于0.02,MPa。,设计温度：低于以钢材蠕变控制其应力强度的相应温度，不同的钢材该温度不同,(三) NBT 47003.1-2009钢制焊接常压容器,部分代替JB4735-1997,常规设计标准,适用范围为：,设计压力：-0.02,MPa,p,0.1,MPa,设计温度：大于-20350,不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器,容规对压力容器的材料、设计、制造、使用、检验、修理、改造等七个环节中的主要问题提出了基本规定。,压力容器标准是设计、制造压力容器产品的依据,容规是安全技术法规，是政府对压力容器实施安全技术监督管理的依据。,（四）TSG R0004-2009,固定式压力容器安全技术监察规程,(五) ASME American Society of Mechanical Engineering,共有11卷，包括锅炉、压力容器、核动力装置、焊接、材料、无损检测等内容。,与我国相关的有第卷压力容器和第卷玻璃纤维增强塑料压力容器(非金属材料篇)。,1、容规的适用范围,（第一章 总则 第2条 Pg5）,同时具备的三个条件：, 最高工作压力（pw）大于等于0.1Mpa(不含液体静压力）；, 内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m , 且容积（V）大于等于 0.025m3；, 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。,附：容规,2、容规管辖范围与GB150的适用范围的主要区别,容规管辖范围,GB150的适用范围,性 质,安全技术规范,容器建造标准,批准发布机构,国家质检总局,国家标准化委员会,同时具备条件,压力，Mpa,最高工作压力,p,w,：,0.1,p,w,对应,p=100,的, p,w,设计压力,p：,-0.1 p -0.02,0.1 p 35,截面尺寸,容 积,150mm,0.025m,3,(高压容器除外）,150mm,盛装介质,气体、液化气体、最高工作温度高于标准沸点的液体。,压力容器,划定范围,1.容器与外部管道连接时：,焊接连接的第一道环向接头坡口端面；,法兰连接的第一个法兰密封面；,螺纹连接的第一个螺纹接头端面；,专业连接件或管件连接的第一个密封面。,2. 接管、人孔、手孔等承压封头、平盖及其紧固件。,3. 非受压元件与受压元件的焊接接头（不包括非受压元件）,容规管辖范围,GB150的适用范围,非受压元件,与受压元件焊接成为整体的非受压元件,直接连接在容器上的安全附件,安全阀、爆破片装置,安全阀、爆破片装置,紧急切断装置、安全连锁装置、压力,表、液面计、测温仪表等。,建造、使用阶段,设计、制造（组焊）,设计、制造、检验和验收,安装、使用、检验、修理和改造,容器类型,固定式压力容器，包括已有其它行业,标准的压力容器,固定式GB150压力容器,移动式压力容器、直接火焰加热的容,器（用途属压力容器且主要按压力容,器标准、法规设计和制造）,容器材料,钢、铸铁、有色金属及其合金,钢制,设计方法,作“规则设计”的容器,作“规则设计”的容器,作“分析设计”（含疲劳分析）的容器,容规和强制性标准都具有强制性；推荐性标准的采用是志愿的，只有被法规引用后才具有强制性。,容规只提出安全技术的基本要求，不过多涉及具体的技术方法；标准指导技术方法的实现，是规范的技术支撑。,标准具有相对的统一性、固定的特征、在理论上是可协调的；法规因国家和文化特征的差异，技术贸易壁垒等，各国不统一。,标准一般只针对某种产品、某种工艺；法规不仅可针对某种产品，还可覆盖某一行业/领域。,法规标准应当相互融合，协调发展，互不排斥，一起构成和谐统一 的体系。,3、容规与标准的关系,思考：,若容规与GB150发生冲突了，我们必须首先满足哪一个？,答：容规。容规是法律法规，具有强制性和法律效力。,各国压力容器标准体系,主要是三大体系，ASME，EN 13445和,ASME系统:亚太、北美地区，GB 150、JB 4732和JIS标准主要参照ASME规范,EN 13445系统:欧洲大陆地区，主要参照BS 5500 (,现改为PD 5500)，CODAP和AD规范,系统:俄罗斯及原东欧国家，现国内很少关心,20世纪末欧共体提出PED(,承压设备指令)并统一成EN 13445后，形成欧美体系的竞争，所以ASME(特别是-2)和EN有相互靠近的趋势,（一）ASME规范体系, American Society of Mechanical Engineering,是美国机械工程师学会(ASME)的行业标准，只有在地方政府的安全监察部门以法律形式认可情况下才能成为法定控制产品质量的技术法规。未提及容器分类,ASME规范的卷、版本、增补、条款解释、规范案例、例题,ASME锅炉及压力容器规范共12卷，包括锅炉、,压力容器(移动式和固定式)核容器、各种材料、无损检测、焊接和钎接评定等，一切锅炉和压力容器的建造(包括材料、设计、制造、检验、试验、检查、认证和泄压等)工作，都可以在ASME规范范围内解决,和国内标准的编写习惯略有不同,ASME ,压力容器,规范体系(1),ASME压力容器規范是压力容器的建造規则,規范制定了强制性要求、特殊禁用規定以及非强制性指南,是包括多种制造方法、多种材料容器的建造规则,ASME -1、-2是包括立式或卧式容器、换热器、膨胀节等在内各种压力容器的建造规则,-1、-2、-3共三册各适用于不同的对象,关于计算机和有限元的使用，设计用线算图和曲线拟合公式,GB 150、JB 4732实际上主要引自ASME -1和-2，但由于各种原因(,国内具体情况，技术政策，也包括某些误引和漏引)而造成某些区别,ASME ,压力容器,规范体系(2),用户、制造厂、AI三方，设计不作为独立一方，由制造厂负责完成，所以只有制造厂才能取证,用户提交用户设计说明书给制造厂，包括操作和设计条件，结构形式和主要尺寸，建造材料，载荷情况，超压保护，安装地点,制造厂(或委讬其它单位)提出设计计算书，施工图，制造完成后提出制造厂数据报告、制造厂建造记录和竣工图并在容器上盖钢印等，对容器因质量而可能引起的后果承担责任,由AI跟踪各环节，对用户设计说明书、制造厂设计报告、制造厂数据报告等予以证明，并在各制造环节中实施检验。对容器因质量而可能引起的后果不承担任何责任,ASME 概况,建造规范(包括材料、设计、制造、检验、试验、认证和泄压在内的全面考虑)，现包括英制和公制,-1 19142010 容器建造规则 U证,-2 19682010 压力容器建造另一规则 U2证,-3 19972010 高压容器建造规则 U3证,三年一个版本，每年一个增补，规范案例（,每年4次），半年一个条款解释,ASME -1特点和主要内容,(1),引言 U 适用范围和总则,A分卷 通用要求，,是适用于全册的要求,UG,B分卷 与制造方法有关的要求 UW，UF，UB,C分卷 与各类材料有关的要求 UCS，UNF，UHA，UCI，UCL，UCD，UHT，ULW，ULT，UHX，UIG(2009A新增，不透性石墨建造压力容器的要求),ASME -1特点和主要内容,(2),强制性附录 38(08A增加35)(09A增加36-40),非强制性附录 25(08A增加KK和LL)(09A增加MM),相关的卷 卷 材料,A篇 铁基材料,，,B篇 非铁基材料,C篇 焊条、焊丝及填充金属材料,D篇 性能(英制、公制),卷 无损检测,卷 焊接和钎焊评定,GB 150的体系(1),含GB 151，JB 4732等,以压力容器安全技术监察规程为框架的具体执行标准(现改为简单压力容器安全技术监察规程、固定式容器安全技术监察规程) ，按容器的潜在危险程度分为三类(、类),还涉及一系列其它标准:GB 151，JB 4732，GB 16749，JB/T 4710，JB/T 4731，JB/T 4735和铝制、,钛制、铜制、镍和镍合金制容器等，并和钢制压力容器焊接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、承压设备无损检测等标准配套使用。,不定期出版和修改(GB 150已在修改，虽拟改为固定式压力容器，但实际上涉及钢制以外的容器还要按照其它引用标准),设计、,制造都作为独立方，应分别取证，都应接受特种设备安全监察机构的监察,用户或设计委讬方向设计单位提出设计条件,GB 150明确要求疲劳分析的容器不属于该标准的范围，JB 4732则明确为分析设计标准,GB 150的体系(1),含GB 151，JB 4732等,EN 13445标准的体系(1),是为贯彻97/23/EC承压设备指令(PED)而制,订的协调标准,因另有和无缝焊接气瓶、简单压力容器指令等相配套的各种气瓶、简单压力容器标准，所以EN 13445就不包括各种气瓶、简单压力容器,适用于碳钢、低合金钢和奥氏体不锈钢，在第6篇中包括了球墨铸铁压力容器及其元件的补充要求，在第8篇中包括了铝和铝合金压力容器及其元件的补充要求,除常用元件外，还包括了各类管壳式換热器和膨胀节以及卧式容器、塔式容器的设计内容,EN 13445标准的体系(2),PED将压力容器分,根据流体组别为、四类(或称风险级别),EN 13445仅一册，对于常用元件，在设计部分的正文中采用了按公式设计的方法，如有需要，可进行简化或详细的疲劳分析;对于结构、载荷复杂或形状允差超标的元件，在其附录B和C中列出了直接法和基于应力分类的分析设计方法(和ASME -2体系相同),ASME 概况,建造规范(包括材料、设计、制造、检验、试验、认证和泄压在内的全面考虑)，现包括英制和公制,-1 19142010 容器建造规则 U证,-2 19682010 压力容器建造另一规则 U2证,-3 19972010 高压容器建造规则 U3证,三年一个版本，每年一个增补，规范案例（,每年4次），半年一个条款解释,我国标准的主要特点和主要内容,GB 150实际上是钢制压力容器,有关元件的设计内容，涉及到其它材料(如铝制、铜制、钛制、镍制等) ，其它容器(如換热器、立式容器、卧式容器、球形储罐等)还有其它相应标准，虽然也列有制造、检验与验收的有关规定，但实际上还需要钢制压力容器焊接工艺评定、钢制压力容器焊接规程、承压设备无损检测等配套标准才具有可操作性，在材料方面，更需要和有关的板材、管材、棒材、锻件、铸件等，以及优质碳素结构钢、碳素结构钢、合金结构钢等标准配合,第三节 化工设备常用材料,知识目标：,掌握化工设备常用钢材的性能及应用,了解化工设备常用其它材料，熟悉有关材料标准和选用方法,压力容器常用国家标准,能力目标：,能够正确查阅国家标准,通过查阅资料掌握常用钢材，并能掌握钢材的应用场合进而正确选用,素质目标：,养成自学的学习习惯，严谨细致的工作作风树立工程概念,案例：,某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔，已知塔的内径为600mm，设计压力为2.2MPa，工作温度为-20,-3 ，若选用材料为16Mn、20R或16MnR（Q345R）。,需解决的问题：,几种材料的使用差异比较，确定使用哪一种材料更为合适,提出分析问题：,压力容器材料选用的基本原则有哪些？,选用钢材依据的标准是什么，有无特殊限制？,力学性能有无差异，如何说明（可作简单的几项力学性能）？,塔体选择什么材料？,对选用的最终结果有何看法，得出何种结论？,引入,思考：,结合压力容器加工工艺和使用特性制造压力容器的材料须具备什麽性能？,钢板校平,卷筒,焊后矫圆,压制封头,煨制弯管,组对与焊接,（二）、钢铁牌号及表示方法（GB/T221-2000）,1、碳素结构钢：,1）普通碳素结构钢（GB700-88）,代表钢材屈服点的字母屈服点的数值材料质量等级符号 脱氧方法符号，,常用Q235B，Q235C，Q235AF,2）优质碳素结构钢（GB711-88）,较普通碳素结构含S、P量较少，表面质量较好。,常用10、15 、20g、20R和20等。,表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表,钢板,牌号,使用温度,设计压力,MPa,壳体钢板厚度,mm,其它限制,Q235-B,0350,1.6,20,不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器,Q235-C,0400,2.5,30,2、合金（高强度）钢,在碳素钢的基础上加入少量合金元素。,特别：锅炉钢和容器钢,主要用于壳体或锅炉承压元件。,如16MnR，15MnVR，18MnMoNb等。,性能指标见书中表格,3、特殊性能钢,主要指不锈耐酸钢,铬不锈钢，如1Cr13,铬镍不锈钢，如0Cr18Ni9,节镍不锈钢,钢铁牌号及表示方法,1.牌号的表示原则,依据国家标准GB221-2000,牌号中,化学元素化学符号或汉字表示；,产品用途、冶炼和浇铸方法汉字或汉语拼音字母表示。,例如：沸腾钢F或沸,灰口铸铁HT或灰铁,铸钢ZG,锅炉钢g或锅,容器钢R或容,2.钢号表示法,例：优质碳素钢,08F 20 R,沸腾钢,含碳量为0.08%；,容器钢,含碳量为0.2%,普通碳素钢,Q235-A,F,沸腾钢,类别为A,钢材屈服点(MPa),屈服点屈字的拼音首位字母,低合金钢,16MnR 16含碳量0.16%；,Mn合金元素；,R 容器钢。,特殊性能钢,1Cr18Ni9 1含碳量0.1%（千分数）；,Cr,Ni主要合金元素；,18含铬量18%；,9 含镍量9%。,Q345R（16MnR）钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于普16Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。,普通碳钢,含P、S等,有害杂质较多,（S0.055% P0.045%),常用有：Q215-A, Q235-A, Q235-A.F,#Q235-B, # Q235-C, Q275 式中 Q普通碳钢，“屈服”的拼音首位字母。,235材料屈服点（MPa),A,B,C,D钢材质量等级，越后越高。,F沸腾钢,#GB150-98规定使用材料,特殊有害元素,磷(P),来源矿石。,作用溶于铁素体，使钢材常温下脆性增加，塑性、韧性下降，即所谓“,冷脆性,”。,有害元素！,氢(H),来源钢由高温奥氏体冷至常温时，氢的溶解度降低，来不及到钢的表面逸出而积聚，并产生高压力，在钢材内产生“,白点,”。,“白点”裂纹源,有害元素！,锅炉钢和容器钢,1.工作环境：,锅炉：中温或高温；中压或高压。,容器：压力；温度；介质腐蚀；操作特点。,2.对材质要求：,1）较高的强度；,2）良好的塑性、韧性和冷弯性能；,3）较低的缺口敏感性；,4）良好的焊接性能和其他工艺性能；,5）良好的冶金质量。,锅炉钢,20g；12Mng,16Mng,15MnVg,18MnMoNbg。,容器钢,（GB150-1998 钢制压力容器推荐）,Q235-B，Q235-C;,20R;,16MnR，15MnVR，15MnVNbR，18MnMoNbR。,4.标准：,压力容器用钢板GB6654-1996,压力容器用碳素钢和低合金厚钢板YB/T40-87,化学稳定性,。抵抗高温气体（O,2,、H,2,S、SO,2,等)腐蚀的能力。钢的表面能生成致密的,氧化膜,。,抗氧化钢,抗高温氧化，强度不高。,Cr13SiAl, Cr25Ti, Cr25Ni12等。,热强性,。抗高温蠕变能力。,热强钢,抗蠕变，有一定抗氧化能力。 12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20等。,（三）、高温设备对材料的要求：,Cr提高,抗氧化,性，强化并稳定金相组织。,Mo提高,高温强度,，强化并稳定金相组织，提高再结晶温度。,Ni形成,奥氏体组织,，提高高温强度和耐腐蚀性。,Ti稳定金相组织，不锈钢中能,减少铬与碳的化合。,Al,Si提高,高温抗氧化性,，本身生成致密的氧化膜。,各元素的作用：,（四）、低温用钢,低温环境天然气液化、空气分离、润滑油脱脂、轻烃回收等。,普通碳钢在低温下（,-20以下,）变脆，冲击韧性显著下降。,低温用钢的组织成分特点：,一般低温（-40-20 )钢,含,碳量很低的铁素体,组织，再加入适量的Mn、Al、Ti、Nb、Cu、V、N等元素。,如,16MnDR,09MnNiDR,等。,深冷（-40以下)用钢,含,碳量低的奥氏体,组织。如 15Mn26Al4。,足够的强度外还要有足够的韧性，防止发生低温脆断。,低温脆性评定指标,是防止材料低温脆断的重要依据，低温用钢主要性能指标。,化工设备材料的选择,一、选材的一般原则,遵循标准,根据钢材的选用范围,经济性,综合考虑：,压力、温度和介质,练习,设备,介质,设计温度/,设计压力/MPa,供选材料,氨合成塔外筒,氮、氢、少量氨,200,15,0Cr18Ni9Ti，20，Q235-A,F ，18MnMoNbR，15MnVR,13MnNiMoNbR,溶解乙炔气瓶蒸压釜,水蒸汽,200,15,Q235-A，0Cr19Ni10，20，16MnR，18MnMoNbR，07MnCrMoVR,高温高压废热锅炉的高温气侧壳体内衬,转化气（H,2,CO,2,N,2,CO,H,2,O,CH,4,Ar）,890,1000,3.14,18MnMoNbR，0Cr13，Q235-A,R，Cr25Ni20，0Cr18Ni9Ti，Cr22Ni14N,应选材料,18MnMoNbR,或13MnNiMoNbR,18MnMoNbR,Cr25Ni20,选材实例分析,案例一：,在设计压力为0.3MPa、设计温度为50的氯气缓冲罐上有一厚度为30mm的容器法兰，是否可用Q235-B钢板制作？为什么？,答：不可以,GB150规定：Q235-B钢板不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。氯气为高度危害介质,案例二：,如图一氯气罐，设计温度60，设计压力1.62MPa，尺寸如图所示，其它尺寸如图所示，为零部件选择合适材料。,材料：16Mn,Q345R,20,Q235-A,Q235-C,Q235-B,0Cr18Ni9等中选，说明理由。,案例三：,氮气缓冲罐，设计压力10MPa，设计温度150，对其零部件选材。,补 充,金属材料的性能（一）力学性能,在外力作用下不产生超过允许的变形或不被破坏的能力。如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等指标。,1.,强度,及其主要指标,.,固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形或断裂的特性。,（1)容器爆裂； （2）管道破裂;,（3）地脚螺栓拉断; （4）炉管爆裂；,思考下列事故发生的原因：,强度不足,金属材料承受载荷作用，当载荷不再增加或缓慢增加时，仍继续发生明显的塑性变形，这种现象就称为屈服。,持久强度,D,蠕变强度,n,屈服强度,s,(,0.2,),抗拉强度,b,疲劳极限,n,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,常温拉应力下20号钢的拉抻试验,l,0,=10,d,0,l,0,= 5,d,0,或,从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值，叫做抗拉强度。,开始出现塑性变形时的应力，称为,“,屈服点,”,s,s,s,b,金属在拉伸条件下，从开始加载到发生断裂所能承受的最大应力值，叫作抗拉强度。,持久强度,D,蠕变强度,n,屈服强度,s,(,0.2,),抗拉强度,b,疲劳极限,n,1、强度：固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。,材料在高温下，在一定的应力下，抵抗发生缓慢塑性变形的能力。,持久强度,D,蠕变强度,n,屈服强度,s,(,0.2,),抗拉强度,b,疲劳极限,n,如：高温高压的蒸汽管道下挠变形；,高温高压下法兰及螺栓蠕变变形而泄漏；,铅丝在常温下受重力作用而变长变细。,材料在高温下，抵抗发生断裂的能力。,材料抵抗断裂的能力越大，在相同的条件下，能支持的时间越久。,规定：,化工设备设计寿命,一般为十万小时，所以用试件在十万小时断裂时的应力作为持久强度。,持久强度,D,蠕变强度,n,屈服强度,s,(,0.2,),抗拉强度,b,疲劳极限,n,设备的,材料在,交变载荷,作用下，会在远低于材料本身的屈服点时就已经断裂了，这种现象就是疲劳。我们把经过10,6,10,8,次循环试验而不发生断裂的最大应力，作为疲劳强度。,持久强度,D,蠕变强度,n,屈服强度,s,(,0.2,),抗拉强度,b,疲劳极限,n,例如：,频繁开、停车容器内压力或温度波动；,活塞式压缩机压缩气体容器及管道内压力波动；,离心泵频繁开停机或震动泵轴受力成交变式。,注意载荷的概念,2. 塑性及其主要指标,金属的塑性：,外力作用下产生塑性变形，而不破坏的性质。,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,主要指标,：,(1),延伸率（）,（2）断面收缩率（y）,如：,纯铁的延伸率为50%，,20R的d,5,不小于25% ；,16MnR的d,5,不小于21%；,1Cr18Ni9Ti的d,5,不小于40%。,（3）冷弯性能,室温下对试板以一定的内半径（R=0.53板厚）进行弯曲，a=120,0,或180,0,，,是否出现裂纹或起层。,-,是钢材塑性指标和冶金质量的综合指标。,塑性指标的实际意义：,便于成型加工和焊接。如弯卷、锻压、冷冲、焊接等；,使构件在承载后由于变形而避免发生断裂。,压力容器及其零件都需要具备这个性质,。,常用硬度指标：,布氏硬度（HBS);,洛氏硬度（HRA、HRB、HRC);,维氏硬度（HV)等。,硬度和强度间有一定关系：,如：低碳钢,s,b,36HBS;,用硬度计测量！,4. 冲击韧性及指标（A,k,）,材料在外加动载荷作用下的一种吸收机械能，迅速塑性变形，抵抗断裂的能力。,摆锤冲断试样所失去的位能为,冲击功,（试件所吸收的功）：,A,k,=G(H1-H2) 焦耳,！吸收功的高低取决于,材料能否迅速塑性变形的能力。,冲击韧性值的试验确定,材料的冲击韧性高，其塑性也高；反之，材料塑性高，其冲击韧性不一定高。,静载荷下能够缓慢塑性变形的材料，在动载荷下不一定能迅速塑性变形。,本质区别在于材料在动载荷作用下是否能够,迅速发生塑性变形,，吸收冲击能量。,冲击韧性与塑性区别何在？,（二）物理性能,密度，熔点，线膨胀系数，导热系数，比热容，电阻率，磁导率，弹性模量，泊桑比等。,化工设备设计与制造主要考虑的物理性能：,1.,线膨胀系数,异种钢焊接收缩率不同，引起变形或损坏；,复合钢板（如不锈钢与碳钢)热变性不同,容器壳体将会？,设备衬里（如碳钢壳体内喷涂铝）热变性不同时？,固定管板式换热器的管子与壳体线膨胀量相差过大，将会？,碳钢表面电镀一层铜升温后会？,2.,弹性模量E与泊桑比,弹性模量E：金属材料对弹性变形抗力的指标，,是衡量材料产生弹性变形难易程度的。,随着温度升高而降低,。,泊桑比：拉伸试件的单位横向收缩与单位纵向伸长之比。,各种钢材近乎为,=0.3,。,3. 硬度的概念,金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。,硬度高材料强度也高，耐磨性较好；, 综合性能指标。,布氏硬度试验示意图,4,缺口敏感性,在带有一定应力集中的,缺口,条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。,韧性范畴静载荷下抵抗裂纹扩展的性能,。,冲击韧性？,是动载荷作用下抵抗裂纹扩展的能力。,（三）化学性能,金属材料所处介质中的化学稳定性，即是否会与介质发生化学或电化学反应，产生腐蚀。,主要考虑的化学性能：,1.,耐腐蚀性,对介质侵蚀的抵抗能力；,2.,抗氧化性,在热加工的高温条件下抵抗氧化性介质氧化的能力。氧化性介质如水蒸气、CO2 、SO2等。,热加工如热卷，锻造，焊接，热处理，热冲压，铸造等等。,（四）金属材料的工艺性能,可焊性能,母材及焊剂熔融状态的流动性、凝固收缩率、热塑性等；,铸造性能,流动性、凝固收缩率等；,可锻性能,抗热裂性、抗氧化性、热塑性等；,切削加工性能,热处理性能,加工性能？,金属材料的分类及牌号,（一）、分类,1、金属的分类,铸造生铁,金属,黑色金属,有色金属,生铁,钢,炼钢生铁,合金生铁,铜及其合金,轻金属及其合金,其它有色及其合金,纯铜（紫铜）,铜锌合金（黄铜）,铜锡合金（锡青铜）,无锡合金（铝青铜等）,铝及铝合金,钛及钛合金,镁及镁合金,铅、锡及其合金,锌及其合金,镍、钴及其合金,钢材的品种和规格,1）钢板）钢管,无缝钢管,表示法：,如 f21910,其中 219-钢管的外径,mm；,10-钢管名义壁厚,mm。,有缝钢管,由板卷焊接而成。用于水管，蒸汽管等。,如 1吋,1/4吋,3/4吋等.,3）型钢,圆钢,方钢,扁钢,等边角钢,不等边角钢,工字钢,槽钢,4）铸钢和锻钢,钢水铸造成型-铸钢。,如：ZG200-400,式中200-屈服点,400-抗拉强度。,精密铸造！,钢坯锻压成型,-锻钢,5）有色金属材料,铝及其合金,特性：1）密度小，体轻；,2）导电、导热性好。不产生火花；,3）塑性高，强度低；,4）易冷加工，可焊，可铸；,5）耐低温；,6）一定的耐腐蚀性；,7）不污染食物。,1）纯铝：高纯铝L01，L02（浓硝酸设备）；,工业纯铝L1，L2，L4（换热器，塔，储罐，深 冷设备等）。,2）铸造铝ZL（泵，阀门，离心机等）。,3）防锈铝LF（深冷设备，分离塔等）。,2.常用铝材：,铜及其合金,1.纯铜（紫铜）,特性：1）塑性好，导电性好，导热好；,2）低温下保持较高塑性和冲击韧性；,3）耐低浓度酸。,用场：深冷装置；密封垫片。,常用材料：T2，T3，T4，TUP（用磷脱氧的无氧纯铜）。,2.黄铜,铜与锌的合金。,特性：铸造性能好；较高的力学性能；易切削加工；可焊接；耐蚀性较好；有应力腐蚀开裂倾向。,化工常用材料：H80,H68,H62等。,铜含量%,代号,3.青铜,常用材料：锡青铜（铜锡合金）铸造青铜用场较多。,特点：良好的耐腐蚀性，耐磨性。,用场：泵壳，轴承，涡轮，阀门等。,钛及其合金,特点：1）密度不大而强度高；,2）耐腐蚀性能近乎或超过不锈钢；,3）耐热。,用场：航空工业，化学工业。,无机非金属材料,有机非金属材料,工程塑料,涂料,不透性石墨等,化工设备的腐蚀及防腐,（一）、金属的腐蚀,1.定义：,金属与周围介质发生化学或电化学作用而引起的破坏现象。,2.类型,（腐蚀过程有无电流产生）,1）化学腐蚀（如氢腐蚀）,2）电化学腐蚀（如晶间腐蚀，应力腐蚀）,（二）、常见腐蚀类型,氢气在较低温度和压力(200，5.0,MPa,)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”。,1. 氢腐蚀,（二）、常见腐蚀类型,2. 晶间腐蚀,图 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀,发生在晶界，晶粒之间结合力下降，与元素Cr的含量有关。,奥氏体不锈钢晶粒阴极,晶粒边界析出的碳化铬,贫铬区阳极,晶粒边界,(二)、常见腐蚀类型,3. 应力腐蚀,图1-2 应力腐蚀的裂纹扩展,金属在腐蚀介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。腐蚀与拉应力起互相促进的作用。,腐蚀性介质,金属本身,原始裂纹,裂纹尖端,保护膜,裂纹将扩展的区域,应力方向,(三)、金属腐蚀的破坏形式,1. 均匀腐蚀,2. 非均匀腐蚀,区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀,（四）、金属设备的防腐措施,1.衬覆保护层,1）金属保护层电镀，喷镀，衬里等。,2）非金属保护层,非金属衬里瓷砖，石墨板，水玻璃胶泥；,防腐涂料防腐漆，环氧树脂等。,2.电化学保护,1）阳极保护被保护设备接直流电源阳极，生成“钝化膜”。,2）阴极保护,牺牲阳极保护。,3.添加缓蚀剂,腐蚀性介质中加入少量缓蚀剂，降低或停止腐蚀作用。,注意！,1）不影响产品（介质）质量；,2）符合性；,3）种类和用量要经试验确定。,压力容器质量保证体系,项目：,一、教材中涉及压力容器事故的相关案例；二、锅炉压力容器爆炸事故案例剖析视频资料（观看视频）,需解决的问题：,压力容器的质量保证体系,提出分析问题：,1、分析事故原因？,2、你认为应从哪些方面保证压力容器的质量、规避风险、防范事故？,3、你如何看待身边的压力容器使用情况？其安全防范如何？,4、我国压力容器的质量体系包括哪些内容？从哪些方面规避风险？,5、你认为此质量保证体系是否完善？运行中存在什么风险？,视频,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,情境一 认识化工设备。化工设备除了要满足安全可靠性之外，还需满足经济方面。 直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m，且容积大于等于0.025m3。 介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。释义：压力容器涉及的易燃介质包括易燃气体和易燃液体。 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。容规和强制性标准都具有强制性。标准一般只针对某种产品、某种工艺。法规不仅可针对某种产品，还可覆盖某一行业/领域。規范制定了强制性要求、特殊禁用規定以及非强制性指南。是包括多种制造方法、多种材料容器的建造规则。是为贯彻97/23/EC承压设备指令(PED)而制订的协调标准。力学性能有无差异，如何说明（可作简单的几项力学性能）。表1-2 压力容器用碳素钢镇静钢板的适用范围表。低温脆性评定指标是防止材料低温脆断的重要依据，低温用钢主要性能指标。常温拉应力下20号钢的拉抻试验,