《水工艺设备基础》PPT课件.ppt

水工艺设备基础水工艺设备基础教师：教师： 邵邵 青青课程内容课程内容n前三章前三章基础知识基础知识，包括，包括1、水工艺设备常用材料的分类、性能、水工艺设备常用材料的分类、性能2、材料的腐蚀防护原理、材料的保温、材料的腐蚀防护原理、材料的保温3、水工艺设备理论基础（容器应力理论、机械传、水工艺设备理论基础（容器应力理论、机械传动原理、机械制造工艺、热量交换理论）动原理、机械制造工艺、热量交换理论）n后七章后七章水工艺设备水工艺设备，包括，包括 容器容器(塔塔)设备、搅拌设备、换热设备、分离设设备、搅拌设备、换热设备、分离设备、污泥处置设备和投药设备备、污泥处置设备和投药设备第一章第一章 水工艺设备常用材料水工艺设备常用材料水工艺设备常用材料水工艺设备常用材料金金属属材材料料无无机机非非金金属属材材料料高高分分子子材材料料复复合合材材料料第一节第一节 金属材料金属材料n金属晶体结合的特点：外层电子的共有金属晶体结合的特点：外层电子的共有化（金属键结合）化（金属键结合）n金属键结合的特点使得金属键结合的特点使得金属具有良好的塑性和金属具有良好的塑性和变形能力变形能力n由于外层共有电子在晶体中可以自由运动，因由于外层共有电子在晶体中可以自由运动，因而而金属一般具有良好的导电性和导热性金属一般具有良好的导电性和导热性。

n金属中自由电子易吸收光能并以光发射的形式金属中自由电子易吸收光能并以光发射的形式重新放出，因而重新放出，因而金属对光具有良好的反射性能金属对光具有良好的反射性能第一节第一节 金属材料金属材料n一、金属材料的分类n（一）钢的分类1、按化学成分、按化学成分碳钢碳钢合金钢合金钢低合金钢低合金钢 (合金元素总量合金元素总量10%)低碳钢低碳钢 （C0.6%)2、按质量、按质量普通钢普通钢 (S 0.055%; P 0.045%)优质钢优质钢 (S 0.040%; P 0.040%)高级优质钢高级优质钢(S 0.030%; P 0.035%)3、按用途、按用途结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢 结构钢结构钢：主要用于制造各种工程构件和机器零件，属低碳钢：主要用于制造各种工程构件和机器零件，属低碳钢或中碳钢、合金钢或中碳钢、合金钢 工具钢工具钢 ：主要用于制造各种刀具、量具、模具属于高碳钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具属于高碳钢或高碳合金钢或高碳合金钢 特殊性能钢特殊性能钢：具有特殊物理性能或化学性能的钢，如不：具有特殊物理性能或化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等，属于高合金钢）锈钢、耐热钢、耐磨钢等，属于高合金钢） 钢材料钢材料（二）钢的编号（二）钢的编号n1、普通碳素结构钢、普通碳素结构钢 牌号表示牌号表示：这类钢主要保证机械性能，故用：这类钢主要保证机械性能，故用Q+数字表示，其中数字表示，其中“Q”为为“屈屈”字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值字的汉语拼音字头，数字表示屈服强度值n例如例如： Q275表示屈服强度为表示屈服强度为275MPa的碳素结构钢的碳素结构钢 Q195，Q215，Q255，Q275等牌号等牌号n若牌号后面标注若牌号后面标注A，B，C，D，则表示钢材质量等级不同，其中，则表示钢材质量等级不同，其中A级最低，级最低，D级最高。

若在牌号后标注字母级最高若在牌号后标注字母“F”则为沸腾钢，未加则为沸腾钢，未加标注的为镇静钢标注的为镇静钢 例如例如：Q235AF 表示屈服强度为表示屈服强度为235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢n优质碳素结构钢主要用于制造各种机器零件优质碳素结构钢主要用于制造各种机器零件n这类钢的硫，磷含量都限制这类钢的硫，磷含量都限制在在0.040%以下n 编号方法编号方法：采用两位数字表示钢中平均含碳量为：采用两位数字表示钢中平均含碳量为万分之几万分之几n如如：45钢表示含碳量为钢表示含碳量为0.45%(万分之四十五万分之四十五)左右的优质碳素结构钢；左右的优质碳素结构钢；n如如：08钢表示含碳量为钢表示含碳量为0.08%左右的低碳钢左右的低碳钢n若钢中含锰较高则在钢号后面附以锰的元素符号若钢中含锰较高则在钢号后面附以锰的元素符号Mn，如，如15Mn,45Mn等3、碳素工具钢、碳素工具钢一般为一般为高碳钢高碳钢，含碳量介于含碳量介于0.65 %1.35%硫、硫、磷含量限制严格，属于优质钢当硫，磷含量分别磷含量限制严格，属于优质钢当硫，磷含量分别限制在限制在0.030%以下时则为高级优质工具钢。

以下时则为高级优质工具钢n编号方法编号方法：以：以“T”（碳的汉语拼音字头）开头，后（碳的汉语拼音字头）开头，后面数字表示含碳量的面数字表示含碳量的千分之几千分之几n如如：T8表示平均含碳量为的碳素工具钢表示平均含碳量为的碳素工具钢n T13表示平均含碳量为的碳素工具钢表示平均含碳量为的碳素工具钢n若为高级优质碳素工具钢，则在编号最后加以若为高级优质碳素工具钢，则在编号最后加以“A”，如，如T8A，T13An编号方法编号方法：“两位数字两位数字（钢中平均含碳量的（钢中平均含碳量的万分之几万分之几）元素符号元素符号（钢中所含的合金元素）（钢中所含的合金元素）数字数字（该合金（该合金元素平均含量的元素平均含量的百分之几）百分之几）” 如果合金平均含量低于如果合金平均含量低于1.5%，则不标明含量；，则不标明含量； 如果合金平均含量大于如果合金平均含量大于1.5%，2.5%，3.5%.，则相应的以则相应的以2、3、4.表示n例例1：12CrNi3钢，其平均含碳量为钢，其平均含碳量为0.12%，平均含，平均含铬量小于铬量小于1.5%，平均含镍量为，平均含镍量为3n例例2：30CrMnSi钢，其平均含碳量为钢，其平均含碳量为0.3%，铬、锰、，铬、锰、硅三种合金元素的含量均小于硅三种合金元素的含量均小于1.5%。

n若为高级优质合金结构钢，则在钢号的最后加若为高级优质合金结构钢，则在钢号的最后加“A”字n编号与合金结构钢相似，仅含碳量的表示方法编号与合金结构钢相似，仅含碳量的表示方法有所不同有所不同n当合金工具钢的含碳量大于或等于当合金工具钢的含碳量大于或等于1.00 %时，时，其含碳量不予标出；含碳量小于其含碳量不予标出；含碳量小于1.00 %时，时，以千分之几表示以千分之几表示n如：如：9SiCr钢，其平均含碳量为钢，其平均含碳量为0.9 %，硅和，硅和铬的平均含量小于铬的平均含量小于1.5%二、金属材料的基本性能二、金属材料的基本性能金属材料基本性能金属材料基本性能化学性能化学性能物理性能物理性能机械性能机械性能加工性能加工性能（一）化学性能（一）化学性能含碳量提高，钢的强度、硬度不断提高，塑性、韧性下含碳量提高，钢的强度、硬度不断提高，塑性、韧性下降，对焊接不利降，对焊接不利FeS存在，存在， FeS与与Fe形成低熔点的共晶体（熔点为形成低熔点的共晶体（熔点为989)，产生，产生热脆热脆现象磷能全部溶于铁素体中，使钢的强度及硬度增加，但磷能全部溶于铁素体中，使钢的强度及硬度增加，但会导致塑性和冲击韧性的显著降低，特别在低温时使会导致塑性和冲击韧性的显著降低，特别在低温时使钢材显著变脆，产生钢材显著变脆，产生冷脆冷脆现象。

现象Mn是炼钢时作为脱氧剂和合金元素加入钢中的与是炼钢时作为脱氧剂和合金元素加入钢中的与硫形成高熔点（硫形成高熔点（1600 ）硫化锰，减轻硫的有害）硫化锰，减轻硫的有害作用，提高钢的强度和硬度作用，提高钢的强度和硬度能使钢的强度、硬度和弹性提高，而塑性、韧性降低能使钢的强度、硬度和弹性提高，而塑性、韧性降低作为合金元素，可以提高钢的耐热、耐蚀性作为合金元素，可以提高钢的耐热、耐蚀性二）物理性能（二）物理性能密度密度熔点熔点热膨胀系数热膨胀系数导热性导热性导电性导电性弹性模量弹性模量n线膨胀系数线膨胀系数：材料在温度变化：材料在温度变化1时单位长度的伸缩变化值时单位长度的伸缩变化值n弹性模量弹性模量：材料在弹性极限内应力与应变的比值材料在弹性极限内应力与应变的比值n导热系数导热系数：当温度梯度（温差与器壁厚度的比值）为：当温度梯度（温差与器壁厚度的比值）为1k/m，每小时通过每平方米传热面积传过的热量，单位，每小时通过每平方米传热面积传过的热量，单位W/(mK)导热系数越大，材料的导热性能越好导热系数越大，材料的导热性能越好n换热器应选用导热系数大的材料，而作为设备保温用的材料，换热器应选用导热系数大的材料，而作为设备保温用的材料，应选用具有较小导热系数的材料。

应选用具有较小导热系数的材料三）机械性能三）机械性能弹性和塑性弹性和塑性强度强度韧性韧性抗拉强度抗拉强度蠕变强度蠕变强度疲劳强度疲劳强度屈服强度屈服强度硬度硬度持久强度持久强度冲击韧性冲击韧性断裂韧性断裂韧性无塑性转变温度无塑性转变温度 弹性弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后又能恢复其原来形状：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后又能恢复其原来形状的性能 塑性塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 用塑性良好的材料制造压力容器，可以承受局部高应力，并允许发生小用塑性良好的材料制造压力容器，可以承受局部高应力，并允许发生小量的局部塑性变形，同时又不使整个容器丧失承载能力量的局部塑性变形，同时又不使整个容器丧失承载能力 2材料的强度材料的强度 强度强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力 （1）抗拉强度）抗拉强度：金属材料试样在拉断前所能承受的最大应力（：金属材料试样在拉断前所能承受的最大应力（MPa） （2）屈服极限）屈服极限：金属材料开始产生屈服现象时的应力（：金属材料开始产生屈服现象时的应力（MPa）。

*抗拉强度和屈服极限是压力容器设计中非常重要的强度指标抗拉强度和屈服极限是压力容器设计中非常重要的强度指标 （3）持久强度）持久强度：材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时：材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内引起断裂时的应力（间内引起断裂时的应力（MPa）高温元件设计选材的重要依据高温元件设计选材的重要依据 如：如： 160MPa，表示材料在，表示材料在550下，经下，经 h后发生断裂的应力后发生断裂的应力值为值为160 MPa 蠕变变形：蠕变变形：金属材料在金属材料在高温高温和和应力应力的共同作用下，会产的共同作用下，会产生缓慢的不可回复的变形称为蠕变变形，出现蠕变生缓慢的不可回复的变形称为蠕变变形，出现蠕变现象的温度，称为蠕变温度现象的温度，称为蠕变温度 （4）蠕变强度：）蠕变强度：在给定的温度下，在规定的时间内，使在给定的温度下，在规定的时间内，使试样产生的蠕变变形量不超过规定值（如试样产生的蠕变变形量不超过规定值（如1）时的最）时的最大应力（大应力（MPa） 如：如： 100MPa，表示材料在，表示材料在500下，下， h后变形量为后变形量为1的应力值为的应力值为100 MPa。

疲劳破坏：疲劳破坏：零件或构件在工作过程中受到方向、大小反复变化的交变应零件或构件在工作过程中受到方向、大小反复变化的交变应力的长期作用下，会在应力远小于该材料的屈服强度情况下，突然力的长期作用下，会在应力远小于该材料的屈服强度情况下，突然发生脆性断裂的现象发生脆性断裂的现象5）疲劳强度）疲劳强度：材料在经受：材料在经受N次应力循环而不断裂时的最大应力，以次应力循环而不断裂时的最大应力，以（纯弯曲疲劳）和（扭转疲劳）表示（单位：（纯弯曲疲劳）和（扭转疲劳）表示（单位：MPa） N为为 次发生破坏的为次发生破坏的为低循环疲劳破坏低循环疲劳破坏，多发生在容器构件，多发生在容器构件上；上； N超过超过 次发生破坏的为次发生破坏的为高循环疲劳破坏高。