化工设备材料及其选择-习题解答

PAGEPAGE51.蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象。或者金属在高温和应力的作用下逐渐产生塑性变形的现象。2.延伸率：试件受拉力拉断后，总伸长的长度与原始长度之比的百分率。3.弹性模数(E)：材料在弹性范围内，应力和应变成正比，即σ=Eε,比例系数E为弹性模数。4.硬度：金属材料表面上不大的体积内抵抗其他更硬物体压入表面发生变形或破裂的能力。5.冲击功与冲击韧性：冲击功是冲击负荷使试样破断所做的功。冲击韧性是材料在外加动载荷突然袭击时的一种及时和迅速塑性变形的能力。6.泊桑比（μ）：拉伸试验中试件单位横向收缩与单位纵向伸长之比。对于钢材，μ=0.3。7.耐腐蚀性：金属和合金对周围介质侵蚀（发生化学和电化学作用引起的破坏）的抵抗能力。8.抗氧化性：金属和合金抵抗被氧化的能力。9.屈服点：金属材料发生屈服现象的应力，即开始出现塑性变形的应力。它代表材料抵抗产生塑性变形的能力。10.抗拉强度：金属材料在受力过程中，从开始加载到发生断裂所能达到的最大应力值。1.镇静钢：镇静钢在用冶炼时用强脱氧剂Si,Al等完全脱氧脱氧，是脱氧完全的钢。把FeO中的氧还原出来，生成SiO2和Al2O3。钢锭膜上大下小，浇注后钢液从底部向上，向中心顺序地凝固。钢锭上部形成集中缩孔，内部紧密坚实。2.沸腾钢：沸腾钢在冶炼时用弱脱氧剂Mn脱氧，是脱氧不完全的钢。其锭模上小下大，浇注后钢液在锭模中发生自脱氧反应，放出大量CO气体，造成沸腾现象。沸腾钢锭中没有缩孔，凝固收缩后气体分散为很多形状不同的气泡，布满全锭之中，因而内部结构疏松。　3.半镇静钢：介于镇静钢和沸腾钢之间，锭模也是上小下大，钢锭内部结构下半部像沸腾钢，上半部像镇静钢。4.低碳钢：含碳量低于0.25%的碳素钢。5.低合金钢：一般合金元素总含量小于5%的合金钢。6.碳素钢：这种钢的合金元素含量低，而且这些合金元素不是为了改善钢材性能人为加入的。7.铸铁：含碳量大于2%的铁碳合金。8.铁素体：碳溶解在α-Fe中所形成的固溶体叫铁素体。9.奥氏体：碳溶解在γ-Fe中所形成的固溶体叫奥氏体。10.马氏体：钢和铁从高温奥氏体状态急冷下来，得到一种碳原子在α铁中过饱和的固溶体。1.热处理：钢铁在固态下通过加热,保温和不同的冷却方式，以改变其组织、满足所需要的物理,化学与机械性能，这样的加工工艺称为热处理。2.正火：将加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间后的工件从炉中取出置于空气中冷却下来，冷却速度比退火快，因而晶粒细化。3.退火：把工件加热到临界点以上的一定温度，保温一段时间，然后随炉一起冷却下来，得到接近平衡状态组织的热处理方法。4.淬火：将钢加热至淬火温度（临界点以30～50oC）并保温一定时间，然后再淬火剂中冷却以得到马氏体组织的一种热处理工艺。淬火可以增加工件的硬度、强度和耐磨性。5.回火：在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。回火可以降低和消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定，并获得技术上所要求的性能。6.调质：淬火加高温回火的操作。要求零件的强度、韧性、塑性等机械性能都较好时，一般采用调质处理。7.普通碳素钢：这种钢含硫,磷等有害杂质较多，要求S≤0.055%，P≤0.045%。普通碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、材料质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成，例如：Q235—A·F。8.优质碳素钢：含硫,磷等较少（含硫S、磷P均≤0.04%），非金属杂质少，组织均匀，表面质量较好。9.不锈钢和不锈耐酸钢：不锈钢是耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是能抵抗强烈腐蚀性介质的钢。不锈耐酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称。10.锅炉钢：有锅炉钢管和锅炉钢板。锅炉钢管主要用作锅炉及某些换热设备的受热面和蒸汽管路，锅炉钢板则常用于锅炉和其他压力容器的承压壳体。由于锅炉钢常处于中温高压状态，而且还受冲击、疲劳、水和蒸汽的腐蚀作用，以及各种冷热加工，因此，对其性能要求也较高。1.容器钢：化工生产所用容器与设备的操作条件较复杂，制造技术要求比较严格，对压力容器用钢板有比较严格的要求。2.耐热钢：能耐高温的钢，抗氧化性能强且强度大。3.低温用钢：由于普通碳钢在低温下（-20℃以下）会变脆，冲击韧性会显著下降。因此用作低温场合的钢要求具有良好的韧性（包括低温韧性），良好的加工工艺性和可焊性的钢。4.腐蚀速度：评定金属的腐蚀有两种方法。根据重量评定金属的腐蚀的速度。它是通过实验的方法测出金属试件在单位表面积、单位时间腐蚀引起的重量变化。即：（g/m2·h）K：腐蚀速度，g/cm2·h；p0：腐蚀前试件的重量，g；p1：腐蚀后试件的重量，g；F：试件与腐蚀介质接触的面积，m2；t：腐蚀作用的时间，h；根据金属的腐蚀深度评定金属的腐蚀速度。根据重量变化表示腐蚀速度时，没有考虑金属的相对密度，因此当重量损失相同时，相对密度不同的金属其截面的尺寸的减少则不同。为了表示腐蚀前后尺寸的变化，常用金属厚度减少量，即腐蚀深度来表示腐蚀速度。即：（mm/a）式中：Ka：用每年金属厚度的减少量表示的腐蚀速度，mm/a；ρ：金属的相对密度，g/cm3。5.化学腐蚀：金属遇到干燥的气体和非电解质溶液发生化学作用引起的腐蚀。化学腐蚀在金属表面上，腐蚀过程没有电流产生。6.电化学腐蚀：金属与电解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏，其特点是在腐蚀过程中有电流产生。7.氢腐蚀：氢气在高温高压下对普通碳钢及低合金钢产生腐蚀，使材料的机械强度和塑性显著下降，甚至破坏的现象。8.晶间腐蚀：一种局部的,选择性的破坏。9.应力腐蚀：金属在腐蚀性介质和拉应力的共同作用下产生的一种破坏形式。10.阴极保护：把盛有电解质的金属设备和直流电源负极相连，电源正极和一辅助阳极相连。当电路接通后，电源便给金属设备以阴极电流，使金属的电极电位向负向移动，当电位降至阳极起始电位时，金属设备的腐蚀即停止。二.指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量　Ａ组钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-A·F普通碳素甲类钢——F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-A普通碳素甲类钢——A:甲类钢20g优质碳素结构钢0.2%—g:锅炉钢16MnR普通低合金钢0.16%<1.5%R:容器钢20MnMo普通低合金钢0.2%MnMo<1.5%—16MnDR普通低合金钢0.16%Mn:<1.5%D:低温钢14Cr1Mo普通低合金钢0.14%Cr:0.9-1.3%;Mo:<1.5%—0Cr13铬不锈钢<0.08%Cr:13%—1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢0.1%Cr:18%;Ni:9%;Ti:<1.5%—00Cr19Ni10奥氏体不锈钢<0.03%Cr:19%;Ni:10%—B组：钢号种类含碳量%合金元素含量（%）符号意义Q235-B普通碳素乙类钢——F：沸腾钢Q:钢材屈服点Q235-AR普通碳素甲类容器钢——R:容器钢16Mng普通低合金钢0.16%Mn:<1.5%g:锅炉钢18Nbb普通低合金钢0.18%Nb:<1.5%b:半镇静钢18MnMoNbR普通低合金钢0.18%Mn.Mo.Nb:<1.5%—09MnNiDR普通低合金钢0.09%Mn.Ni:<1.5%R:容器钢06MnNb普通低合金钢0.06%Mn.Nb:1时,Se应不小于封头内直径的(0.3)%.对于碳钢和低合金钢制的容器,考虑其刚性需要,其最小壁厚Smin=(3)mm;对于高合金钢制容器,其最小壁厚Smin=(2)mm.对碳钢,16MnR,15MnNbR和正火的15MnVR钢板制容器,液压试验时,液体温度不得低于(5)℃,其他低合金钢制容器(不包括低温容器),液压试验时,液体温度不得低于(15)℃.判断是非题(是者画√;非者画×)厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板,其屈服点是不同的,且60mm厚钢板的σs大于6mm厚钢板的σs.(×)依据弹性失效理论,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs(t)时,即宣告该容器已经”失效”.(√)安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小.(√)当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小.(×)由于材料的强度指标σb和σs(σ0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得,对于二向或三向应力状态,在建立强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力.有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=0.85,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力.【解】（1）确定参数：pw=2MPa;pc=1.1pw=2.2MPa（装有安全阀）;Di=DN=2000mm(钢板卷制);Sn=22mm;Se=Sn-C=20mmφ=0.85（题中给定）;C=2mm（题中给定）.最大工作应力：某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=1.0,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa.【解】（1）确定参数：Di=10m;Sn=22mm;φ=1.0;C=2mm;[σ]t=147MPa.Se=Sn-C=20mm.（2）最大工作压力：球形容器.某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为1.6MPa,釜体材料选用0Cr18Ni9Ti。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。【解】（1）确定参数：Di=1600mm;tw=5~105℃;pw=1.6MPa;pc=1.1pw=1.76MPa（装有安全阀）φ=0.85（双面焊对接接头,局部探伤）C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）材质：0Cr18Ni9Ti[σ]t=112.9MPa（按教材附录9表16-2，内插法取值）[σ]=137MPa（2）计算厚度：C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）,C=C1+C2=0.8mm.名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=14.8+0.8=15.6mm.圆整后，Sn=16mm.水压试验校核有效壁厚Se=Sn-C=16-0.8=15.2mm试验压力计算应力应力校核∴水压试验强度足够有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=2.5MPa,工作温度为-3.5℃，材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。【解】（1）确定参数：Di=1600mm;Sn=16mm;tw=-3.5℃;pc=2.5MPa.φ=0.85（双面焊对接接头,局部探伤）16MnR：常温下的许用应力[]=170MPa设计温度下的许用应力[]t=170MPa常温度下的屈服点s=345MPa有效壁厚：Se=Sn－C=16－3=13mm（2）强度校核最大允许工作压力[Pw]∵Pc＞[Pw]∴该贮罐强度不足设计容器筒体和封头厚度。已知内径Di=1400mm,计算压力pc=1.8MPa,设计温度为40℃,材质为15MnVR,介质无大腐蚀性.双面焊对接接头,100%探伤。封头按半球形、标准椭圆形和标准碟形三种形式算出其所需厚度,最后根据各有关因素进行分析,确定一最佳 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。【解】（1）确定参数：Di=1400mm;pc=1.8MPa;t=40℃;φ=1.0（双面焊对接接头,100%探伤）；C2=1mm.（介质无大腐蚀性）15MnVR：假设钢板厚度:6~16mm，则：[σ]t=177MPa，[σ]=177MPa，s=390MPa（2）筒体壁厚设计：C1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《压力容器用钢板》）C=C1+C2=1.25mm.名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=7.16+1.25=8.41mm.圆整后，Sn=9mm.筒体水压试验校核有效壁厚Se=Sn-C=9-1.25=7.75mm试验压力计算应力应力校核∴筒体水压试验强度足够（4）封头厚度设计半球形封头：C1=0.25mm（按教材表4-9取值，GB6654-94《压力容器用钢板》）C=C1+C2=1.25mm.名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=3.57+1.25=4.82mm.圆整后，Sn=5mm.标准椭圆封头：名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=7.1+1.25=8.35mm.圆整后，Sn=9mm.标准碟形封头：名义壁厚：Sn=S+C+圆整，S+C=9.4+1.25=10.65mm.圆整后，Sn=11mm.从计算结果看，最佳方案是选用标准椭圆封头。假定外压长圆筒和短圆筒的材质绝对理想，制造的精度绝对保证，则在任何大的外压下也不会发生弹性失稳。（X）18MnMoNbR钢板的屈服点比Q235-AR钢板的屈服点高108%，因此，用18MnMoNbR钢板制造的外压容器，要比用Q235-AR钢板制造的同一设计条件下的外压容器节省许多钢材。（X）P129设计某一钢制外压短圆筒时，发现采用20g钢板算得的临界压力比设计要求低10%，后改用屈服点比20g高35%的16MnR钢板，即可满足设计要求。（X）几何形状和尺寸完全相同的三个不同材料制造的外压圆筒，其临界失稳压力大小依次为：Pcr不锈钢>Pcr铝>Pcr铜。（X）外压容器采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，则容器的总重量就愈轻。（X）受外压的长圆筒，侧向失稳时波形数n=（2）；短圆筒侧向失稳时波形数为n>（2）的整数。直径与壁厚分别为D，S的薄壁圆筒壳，承受均匀侧向外压p作用时，其环向应力σθ=（PD/2S），经向应力σm（PD/4S），它们均是（压）应力，且与圆筒的长度L（无）关。外压容器的焊接接头系数均取为Φ=（1）；设计外压圆筒现行的稳定安全系数为m=（3）。外压圆筒的加强圈，其作用是将（长）圆筒转化成为（短）圆筒，以提高临界失稳压力，减薄筒体壁厚。加强圈的惯性矩应计及（加强圈）和（加强圈和圆筒有效段组合截面）。外压圆筒上设置加强圈后，对靠近加强圈的两侧部分长度的筒体也起到加强作用，该部分长度的范围为（加强圈中心线两侧各为0.55的壳体）。1、图5-21中A，B，C点表示三个受外压的钢制圆筒，材质为碳素钢，σs=216MPa，E=206GPa。试回答：（1）A，B，C三个圆筒各属于哪一类圆筒？它们失稳时的波形数n等于（或大于）几？（2）如果将圆筒改为铝合金制造（σs=108MPa，E=68.7GPa），它的许用外压力有何变化？变化的幅度大概是多少？（用比值[P]铝/[P]铜=？表示）·B·C。CCC·AL/DoDo/SeBA图5-21【解】（1）A—长圆筒，L/D0值较大，临界压力Pcr仅与Se/D0有关，而与L/D0无关，失稳时的波形数n=2。B—短圆筒，临界压力Pcr不仅与Se/D0有关，而且与L/D0有关，失稳时的波形数为n＞2的整数。C—临界圆筒（长、短圆筒拐点处），长度等于临界长度，发生失稳时的波形数为n≥2。（2）在圆筒几何尺寸一定情况下，[P]只与E有关。所以，改用铝合金后：[P]铝/[P]铜=Pcr铝/Pcr铜=E铝/E钢=68.7/206=0.333许用外压力下降了66.7%。2、有一台聚乙烯聚合釜，其外径为D0=1580mm，高L=7060mm（切线间长度），有效厚度Se=11mm，材质为0Cr18Ni9Ti，试确定釜体的最大允许外压力。（设计温度为200℃）【解】查表得Et=1.84×105MPa∵∴该聚合釜属于短圆筒其临界压力取m=3，[P]=Pcr/m=0.42/3=0.14MPa∴聚合釜的最大允许外压力为0.14MPa4、试设计一台氨合成塔内筒的厚度，已知内筒外径为D0=410mm，筒长L=4000mm，材质为0Cr18Ni9Ti，内筒壁温最高可达450℃，合成塔内系统的总压力降为0.5MPa。【解】已知D0=410mm,L=4000mm,Et=1.64×105MPa,计算外压Pc=0.5MPa（1）假设塔内筒名义厚度Sn=8mm，取壁厚附加量C=2mmSe=Sn-C=8-2=6mmL/D0=9.76D0/Se=68.3（2）求A值查图5-5得A=0.0026（3）求B值查图5-12得B=88MPaPc=0.5MPa,Pc＜＜[P]，说明假设的Sn=8mm偏大。（1）重新假设Sn=6mmSe=Sn-C=6-2=4mmL/D0=9.76D0/Se=102.5（2）求A值查图5-5得A=0.0014（3）求B值查图5-12得B=78MPaPc=0.5MPa,Pc＜[P]，且较接近，故取Sn=6mm合适该内筒采用Sn=6mm的0Cr18Ni9Ti制作，能够满足稳定性要求。有一台液氮罐，直径为Di=800mm，切线间长度L=1500mm，有效厚度Se=2mm，材质为0Cr18Ni9Ti，由于其密闭性能要求较高，故须进行真空试漏，试验条件为绝对压力10-3mmHg，问不设置加强圈能否被抽瘪？如果需要加强圈，则需要几个？【解】确定计算外压力：∵真空度=大气压-绝压=760-10-3=759.99mmHg∴查表得：Et=1.95×105MPa取壁厚附加量C=2mm，有效厚度Se=2mm，则名义厚度Sn=Se+C=2+2=4mmD0=Di+2Sn=800+8=808mmL/D0=1.86D0/Se=404（2）求A值查图5-5得A=0.000085（3）求B值查图5-12A点落在曲线左侧，计算B值：∵Pc>[P]∴不设置加强圈会被抽瘪（4）设置加强圈所需加强圈最大间距加强圈个数：取整，n=3需设三个加强圈（5）验算设三个加强圈，则：Le=L/4=1500/4=375mmLe/D0=0.464D0/Se=404查图5-5得A=0.00035，查图5-12，得B=45MPa因为Pc＜[P]，且十分接近，故至少需设三个加强圈。