非金属结构材料的耐蚀特性.ppt

第五章 非金属结构材料的耐蚀特性,5.1 高分子材料的腐蚀性和影响因素5.2 耐腐蚀高分子材料5.3 耐腐蚀无机非金属材料5.4 碳-石墨5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,5.1 高分子材料的腐蚀特性和影响因素,渗透：高分子材料处于环境中，腐蚀性介质通过材料 表面渗入内部，同时，材料的可溶成分及腐蚀 产物逆向扩散进入介质。溶胀：相当数量的介质小分子渗入高聚物内部，引起 高分子材料宏观上的体积和重量的增加溶解：如果大分子间无交联键，溶胀可以一直进行下 去，大分子充分溶剂化后会缓慢的向溶剂中扩 散，形成均一的溶液,1、溶胀、溶解与渗透,5.1 高分子材料的腐蚀特性和影响因素,2、化学腐蚀-氧化,聚二烯烃 聚丙烯 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯,5.1 高分子材料的腐蚀特性和影响因素,加聚反应合成的产物的主链“CC”共价键不易水解杂链高聚物易水解，杂原子与碳原子键的极性越大，越易水解高分子材料的水解基团在酸碱介质中的水解活化能越高，越不易水解 耐酸性介质水解的能力：醚键 酰胺键或酰亚胺键 酯键 硅氧键 耐碱性介质水解的能力：酰胺键或酰亚胺键 酯键,2、化学腐蚀-水解,5.1 高分子材料的腐蚀特性和影响因素,在某些条件下，高分子材料在应力和腐蚀性质共同作用下，发生类似金属应力腐蚀破裂的现象，出现裂纹，并不断发展直至脆断。,3、应力腐蚀开裂,应力腐蚀开裂的规律：,大分子链及链段沿应力方向移动：拉应力作用下：材料的质量，机械强度 正应力作用下：材料的质量增加趋势在长期静负荷及交变应力作用下，腐蚀性介质中，蠕变强度、疲劳强度受多向应力作用或存在较大应变的高分子材料，可能发生环境应力开裂,耐环境应力开裂的能力与材料本性和介质本性有关：部分结晶的塑料，晶区有应力集中，在晶区与非 晶区的交界处产生裂纹的倾向性就大 应力集中部位，环境应力开裂的可能性大 分子量小、分布窄的高聚物比大分子量的易发生 开裂在具有中等溶胀能力的醇类、蓖麻油等活性介质 中，材料易发生环境应力开裂,5.1 高分子材料的腐蚀特性和影响因素,影响高分子材料老化的因素：阳光 温度 湿度 其他作用,4、老化（耐侯性）,紫外线,红外线,水分、雨雪,5.2 耐腐蚀的高分子材料,1、硬聚氯乙烯塑料：nCH2CHClCH2CHCln,材料的溶解性和渗透性增加,聚合物裂解交联,氧化产物降解交联（老化）,5.2 耐腐蚀的高分子材料,1、硬聚氯乙烯塑料：nCH2CHClCH2CHCln,常用耐腐蚀部件和设备：,贮槽、塔设备、电除雾器、离心泵、风机、管道、管件及阀门等,研制开发改性的聚氯乙烯：FR-PVC C-PVC 玻璃钢增强PVC,PVC使用实例见P104,5.2 耐腐蚀的高分子材料,2、硬聚氯乙烯设备结构设计特点,根据PVC材料的特性和具体使用条件确定许用应力 和安全系数 以长期拉伸强度作为计算许用应力的依据 焊缝系数0.850.95，一般取0.6 采用单面或双面加强焊提高焊缝强度、保护焊缝；焊缝尽可能错开（多块板材）,5.2 耐腐蚀的高分子材料,2、硬聚氯乙烯设备结构设计特点,顶盖和筒体结构应采取措施加强刚性，防止变形,5.2 耐腐蚀的高分子材料,2、硬聚氯乙烯设备结构设计特点,避免焊缝本体和焊缝边线的母材断面的剧烈变化,5.2 耐腐蚀的高分子材料,2、硬聚氯乙烯设备结构设计特点,考虑到材料的膨胀系数，金属加强构件与塑料设备 之间允许相对自由位移；长管道，加膨胀结 利用PVC的热塑性，管道之间采用热胀承插的结构 连接,PVC的强度的原因，设 备不能承受过大的载荷,5.2 耐腐蚀的高分子材料,3、其他塑料,（1）聚丙烯塑料（PP）具有良好的耐蚀性、耐溶剂性、耐热性（PVC）可以采用热塑性塑料的加工方法、可以焊接 常用于制作化工管道、贮槽、衬里等 石墨改性PP，可做PP换热器 线膨胀系数PP=3 线膨胀系数PVC 杨氏模量PP=1/8 杨氏模量PVC,热膨胀和刚性问题,5.2 耐腐蚀的高分子材料,3、其他塑料,(2)氟塑料：含 F 原子的塑料的总称。具有耐蚀、耐热、自润滑性,聚四氟乙烯（PTFE，F-4）聚三氟氯乙烯（PCTFE，F 3）聚全氟乙丙烯（FEP，F 46）,5.2 耐腐蚀的高分子材料,3、其他塑料,聚四氟乙烯（PTFE，F-4）,CF2-CF2n,高化学惰性耐蚀性耐热性耐老化性,机械强度、刚性低线膨胀系数大导热性差熔点高，成型加工困难难粘结或焊接,用做摩擦件和密封件，用在高温或强腐蚀场合,5.2 耐腐蚀的高分子材料,（2）氟塑料,聚三氟氯乙烯（PCTFE，F 3）聚全氟乙丙烯（FEP，F 46）,CF2-CFn,Cl,-CF2-CF2-x-CF-CF2-y-n,FEP 熔点 PTFE熔点;加工成型性优于PTFE,加工成型性优于聚四氟乙烯,5.2 耐腐蚀的高分子材料,（3）氯化聚醚塑料,结晶 大分子结构中存在醚键 具有较高的耐蚀性。热塑性塑料加工成型 用做涂层和衬里,（4）聚苯硫醚塑料PPS,耐热机械性能高热塑性塑料加工成型用做耐蚀和耐热的阀门、泵、密封环主要用于防腐涂层,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,5.3.1 陶瓷,（一）陶瓷的耐蚀性的影响因素：,材料的化学成分 矿物学组成 孔隙 结构类型 高温下材料性质的变异 腐蚀介质的性质,SiO2,Al2O3耐酸,CaO,MgO 耐碱,陶瓷的化学组分为各类硅酸盐,5.3.1 陶瓷,硅酸盐在酸中的腐蚀速度（除HF和高温H3PO4外）：,与酸的种类无关，主要取决于酸的电离度和粘度 电离度、粘度，腐蚀作用SiC及Si3N4 也会被HF和H3PO4腐蚀,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,5.3.1 陶瓷,（二）陶瓷材料的特性指标：,孔隙率和吸水率 不渗透性 耐热冲击性能 耐酸度,孔隙率：材料中的孔隙体积与材料总体积 之比（%）区别：真孔率；显孔率吸水率：材料在吸水前后的质量之差与原 来的质量之比,耐热冲击性：反映材料承受温度剧变能力的指标。抗热冲击系数B：,一般通过实验直接测定,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,5.3.1 陶瓷（三）化工陶瓷的应用,接触强腐蚀介质的：塔器；贮槽；泵；风机；悬塞；管道；管件,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,5.3.1 陶瓷（四）陶瓷设备结构设计特点,容器的壳体：圆筒形或球形，器壁厚度：,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,5.3.1 陶瓷（四）陶瓷设备结构设计特点,设备的底：可设计成蝶形、半球形、平底,平底的厚度；内外转角的半径,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,5.3.1 陶瓷（四）陶瓷设备结构设计特点,设备的顶盖：一般采用蝶形、椭圆形、半球形 设备的支座：尽可能设计成裙式支座，四周开设 透气孔 滤板：设计成拱形 连接结构：承插结构、活套法兰连接（内压设备）输送热介质的管道：设置补偿装置 教材 P111,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,（五）其他硅酸盐材料-玻璃,石英玻璃 主要用于制作实验室仪器、高纯物料提纯设备 高硅氧玻璃：是石英玻璃的替代品:95%SiO2 硼硅酸盐玻璃:79%SiO2+124%B2O3 实验室玻璃仪器、蒸馏塔、吸收塔、泵、换热器、管道、法兰、阀门等,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,（五）其他硅酸盐材料-花岗石,(7075%SiO2+15%Al2O3+10%(K2O、Na2O),用于修筑：盐酸、硝酸的处理槽、贮槽、吸收塔、电解池制造碘、溴的装置砌做耐酸的地坪、沟槽和基底等,产地不同的花岗岩，性能差异较大,5.3 耐腐蚀的无机非金属材料,（五）其他硅酸盐材料铸石,(50%SiO2+15%Al2O3+35%(碱金属和铁氧化物),使用范围与花岗岩类似，衬砌施工比花岗岩方便,铸石具有极高的耐磨性,是用玄武岩、辉绿岩及某些工业渣进行配料熔化、铸造成型的人工石材,无定形碳和石墨的成品统称为碳素材料,5.4 碳-石墨,碳素材料是一种重要的工程材料耐磨、耐蚀的特点；应用：冶金、机电、化工、原子能和航空等,5.4 碳-石墨,（一）碳-石墨制品的制造,填塞孔隙合成树脂、水玻璃、低熔点金属,无烟煤、焦炭、石油焦,浇铸石墨,压制石墨,5.4 碳-石墨,（二）碳-石墨的性能与应用,碳-石墨制品大多为无 定型碳和石墨晶体之间 的介晶体碳 碳-石墨制品的性质随 石墨化的程度不同，性 能差异较大 除强氧化性酸外，具有 很高的化学稳定性,5.4 碳-石墨,（二）碳-石墨的性能与应用,高导热性和低热膨胀系数 石墨具有优良的自润滑特性 导电性 除强氧化性酸外，具有很高 的化学稳定性,5.4 碳-石墨,（二）碳-石墨的性能与应用,浸渍石墨的机械强度显著提 高，导热性和热膨 系数变 化不大压制和浇注石墨导热性下降，热膨胀系数提高,5.4 碳-石墨,（二）碳-石墨的性能与应用,不透性石墨：盐酸、氯碱、次氯酸钠、磷酸、醋酸 以及农药的生产中,热交换器（列管式、喷淋式、块孔式、板室式）吸收塔 盐酸合成炉 离心泵 管子、管件 旋塞等 密封环和滑动轴承,5.4 碳-石墨,（三）新型碳素材料,（1）膨胀石墨(柔性石墨、可挠性石墨）：,优良的热稳定性 高导热率（各向异性）耐蚀 可压缩性 回弹性,特别适用于陶瓷、玻璃 设备或接管法兰面的密封 广泛用做阀门、泵、压 力容器、热交换器的密封,5.4 碳-石墨,（三）新型碳素材料,（2）碳纤维及其复合材料,弥补了普通C素材料的弱点（脆性），具有很高 的比强度、比刚度；C纤维导热性低，用做感应炉或电阻炉的热屏蔽 材料；石墨化纤维导热率较高，可做为发热元件（真空、惰性气体中：2500）；,5.4 碳-石墨,（三）新型碳素材料,（2）碳纤维及其复合材料,石墨纱经四氟乙烯浸渍，作为输送腐蚀介质的化 工泵的填料密封，密封性好，使用寿命长 碳纤维复合材料：碳纤维/树脂、碳纤维/金属、碳纤维/碳 高比强度、高比钢度、耐蚀 碳纤维/树脂应用最多,5.4 碳-石墨,（三）新型碳素材料,（3）热解碳,是一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳 CH4、C3H8、C2H2、液化石油气在灼热基体 表面热分解制得 晶体结构既不属于石墨也不属于无定型C 制品具有很大的各向异性,5.4 碳-石墨,（三）新型碳素材料,（3）热解碳,制品择优取向度的程度与沉积温度、碳氢化合物浓度等有关 3000：石墨晶体；20002200：各向异性大，制品密度高；15001700：趋于各向同性，制品密度小；1400:制品结构接近石墨，热解石墨,主要在特殊领域应用,5.4 碳-石墨,（四）不透性石墨设备结构特点,结构大多采用平板、块、管、条等进行粘结组合 多层板胶结时，胶结缝要错开（60）；接管与筒体的连接通常也用胶结的方法；有时采用螺纹（螺纹牙）与胶粘剂并用的连接结构 采用锥形胶粘结构 设备或管道彼此见采用凸缘活套法兰、顶盖采用 平面法兰,石墨材料不能焊接、易机械加工,石墨与金属材料组合设备，要考虑热膨胀系数的影响,浮头式列管换热器的热补偿结构,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,玻璃钢：玻璃纤维（或玻璃纤维布）与热固性树脂组成的树脂基复合材料称为玻璃纤维热固性增强塑料，俗称玻璃钢。,具有高强度、耐腐蚀、成型加工性好等特点。,性能与玻璃纤维及树脂的种类、组成相的比例、组成相之间的结合强度有关,玻璃钢制品,环氧基,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(一)化工玻璃钢常用树脂的耐蚀特性（1）环氧树脂,凡分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂。,（1）环氧树脂,粘接性能优异环氧固化物具有优良的化学稳定性 固化收缩率小（一般2）：酚醛树脂为810；不饱和聚酯树脂为4 6；有机硅树脂为48)环氧固化物的马丁耐热度105130 常温下流动性好,（2）酚醛树脂,防腐工程用热固性酚醛树脂,热塑性酚醛树脂,（2）酚醛树脂,较高的化学稳定性在非氧化性酸中，耐蚀性环氧树脂和聚酯树脂，不耐碱腐蚀马丁耐热度为120，最高为 150（不受力）具有较大的收缩率和气孔率环氧-酚醛树脂使材料的耐酸、碱，耐热以及收缩率、粘结性等性能得到综合提高,（3）呋喃树脂,分子中含有呋喃环的高聚物称为呋喃树脂,具有良好的耐酸、耐碱性能 可在酸碱交替的环境中使用 不耐氧化性酸和其他氧化性介质的腐蚀 耐溶剂性和耐热性较好 塑性差易脆裂 与金属的粘结能力差,（4）聚酯树脂,聚酯：多元醇与多元酸形成的缩聚物的总称,不耐氧化性介质、易老化 在碱和热酸的作用下，发生水解成型工艺性能良好制品致密性好,制造玻璃钢主要用不饱和聚酯,(二)玻璃钢的耐蚀特性（1）玻璃钢的强度和使用温度,力学性能的最大特点：比强度高 相对密度是碳钢的1/31/4，比强度是碳钢的23倍 玻璃钢的导热系数仅为钢的1/1002/1000 不适合做传热设备热膨胀系数较树脂大为减小 固化成型后尺寸比较稳定，不会因温度变化发生较 大的形变,(二)玻璃钢的耐蚀特性（2）玻璃钢的耐化学腐蚀特性,玻璃钢的耐蚀性主要取决于树脂 腐蚀过程是腐蚀介质或溶剂的渗透引起树脂溶胀、溶解、水解、或受热氧化降解及热分解作用而导致的树脂结构的破坏,（3）玻璃钢的耐老化性能酚醛树脂老化最严重；防腐用的玻璃钢在自然环境中可使用5-7年老化对机械强度影响较小，弹性模量缓慢降低,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点（1）层间结构：,内层:耐腐蚀层 厚度：0.51.5mm；树脂：90%过渡层:中间防渗层 厚度：22.5mm；胶量：5070%增强层:承载设备负荷，厚度 依设计强度；玻纤维：70%外层：提高防老化性能，外表美观 厚度12mm；含胶量：8090%,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点,（2）玻璃钢的刚性比较差，弹性模量只有普通碳钢的1/51/10，因此，必须注意有良好的钢性设计,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点,（3）矩形贮槽在装满介质时，其侧壁的挠度不允许超过跨度的0.5%，挠度超过跨度的0.5%，必须在槽外部设加强圈,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点,（4）玻璃钢管道的连接一般采用平口对接，承 插式连接；斜接口,（5）可拆连接时，用活套法兰；整体法兰颈增强部分厚度的圆角曲率半径至少 为法兰厚度的1/2,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点,（6）人孔和接管孔应注意加强，或采用圆锥形接管。加强筋加强的接管连接，与加强筋顶点相连的 筒体壁厚应增加,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点,5.5 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,(三)玻璃钢设备的结构设计特点,（7）平底贮槽底部转角处曲率半径不得小于40mm，底部适当增厚；液体注入管的设计应使液体缓慢流入；最好保持150200mm的液层,