化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇探討

肖苗苗

摘 要：化工機(jī)械已經(jīng)在我國(guó)的化工生產(chǎn)中占據(jù)了重要的地位，化工機(jī)備的性能、工作效率及使用壽命等，都會(huì)對(duì)化工行業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性造成重要影響。而材料的選擇與應(yīng)用作為化工機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，對(duì)化工設(shè)備的性能及使用壽命有著直接的影響，需要引起我們充分的重視。對(duì)此，本文探討化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇，希望能為相關(guān)人員提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：化工機(jī)械設(shè)計(jì);材料;選用

1 化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選擇和應(yīng)用的重要性

化工生產(chǎn)過(guò)程中，化工設(shè)備是影響整個(gè)化工生產(chǎn)的重要因素。選擇的材料合適與否，與化工設(shè)備的實(shí)用性、安全性和穩(wěn)定性息息相關(guān)。在材料的選擇上，不僅需要考慮其本身的各項(xiàng)性能指標(biāo)，還需要結(jié)合化工設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境和化工企業(yè)的生產(chǎn)效益、生產(chǎn)成本等諸多因素。只有以化工設(shè)備設(shè)計(jì)的性能要求和工作環(huán)境為依據(jù)，選用適宜的材質(zhì)，并合理加以運(yùn)用，才能使化工設(shè)備的質(zhì)量符合生產(chǎn)需求。可以說(shuō)，化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇和應(yīng)用，直接影響著化工安全與效益。

2 化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇

2.1 金屬材料的選擇

2.1.1 碳鋼

碳鋼是化工設(shè)備中的常用金屬材料，其力學(xué)性能較為優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于對(duì)環(huán)境腐蝕要求不十分嚴(yán)格的化工設(shè)備中。碳鋼在常溫下對(duì)液氨、濃硫酸以及NaOH溶液都具有良好的使用效果，故常用于介質(zhì)為液氨等設(shè)備。對(duì)于抗腐蝕性能要求較高的化工設(shè)備，可采用噴涂不銹鋼、襯里防腐等措施后再加以使用。與其他金屬材料相比，碳鋼的價(jià)格較低且資源豐富，故取得了廣泛的應(yīng)用。但是，碳素鋼也存在一定的缺陷，其強(qiáng)度及韌性比較低，且中等以上形狀的材料在熱處理工藝中不能被完全淬透，這在一定程度上影響了碳鋼在化工機(jī)械設(shè)計(jì)的使用。

2.1.2 合金鋼

合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一定比例的合金元素而成的一種鋼材。與碳鋼相比，合金鋼的淬透性、韌性及強(qiáng)度得到很大的提升。此外，合金鋼還有很多碳素鋼所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，比如耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等。合金鋼的出現(xiàn)為化工機(jī)械設(shè)計(jì)提供了新的材料選擇。由于合金鋼造價(jià)高于碳素鋼，故應(yīng)優(yōu)選碳素鋼，只有碳素鋼不能滿足設(shè)計(jì)需求時(shí)，再選用合金鋼。

2.1.3 不銹鋼

因?yàn)榛どa(chǎn)的特殊性，所以化工機(jī)械設(shè)備在日常使用過(guò)程中將不可避免地會(huì)接觸到酸、堿、鹽等各類(lèi)活性液體介質(zhì)，此類(lèi)介質(zhì)會(huì)造成化工設(shè)備在使用過(guò)程中遭受腐蝕，從而導(dǎo)致其失效。另外，類(lèi)似液化天然氣、液氨等超低溫介質(zhì)，由于碳素鋼和合金鋼的耐低溫性能較差，故無(wú)法應(yīng)用于低溫工況的設(shè)備。因此，不銹鋼材質(zhì)在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中取得了廣泛的應(yīng)用：不銹鋼不僅具有良好的抗腐蝕性能，還能有效避免鐵離子的污染，而且有非常好的耐低溫性能，正逐漸成為化工機(jī)械設(shè)計(jì)中所普遍采用的一種金屬材料。由于奧氏體不銹鋼的焊接性能更為優(yōu)良，在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。

2.1.4 其他金屬材料

鈦材和鈦合金也是在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較多的金屬材料。鈦和鈦合金具有高強(qiáng)度、高耐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，可用于介質(zhì)為氯化鹽、氯化物和強(qiáng)堿等化工設(shè)備。鎳基合金則多用于那些對(duì)抗腐蝕性能要求非常高且工作在高溫條件下的機(jī)械設(shè)備。由于此類(lèi)材料成本較高，故常用于特殊介質(zhì)、特殊環(huán)境及特殊要求的設(shè)備選材。

2.2 非金屬材料的選擇

2.2.1 石墨

石墨是由碳組成。石墨在經(jīng)過(guò)一定的處理后可以形成不透性石墨，具有良好的抗腐蝕性能，可以用于絕大多數(shù)化工生產(chǎn)場(chǎng)合，例如沸點(diǎn)的稀硫酸、氫氟酸、鹽酸等。此外，石墨材料還具有良好的熱傳導(dǎo)性，所以在制作熱交換器時(shí)也使用地較多。但石墨材料的塑性以及抗拉強(qiáng)度都比較差，為了防止以石墨材料為主的化工機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)損壞，一般需要使用其他金屬材料制作設(shè)備外殼，以防止設(shè)備損壞。

2.2.2 搪玻璃

搪玻璃對(duì)各種濃度的無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸、有機(jī)溶劑及弱堿等介質(zhì)均有極強(qiáng)抗腐性，通過(guò)將其與具有良好力學(xué)性能的碳鋼材料結(jié)合使用（以碳鋼為主體材質(zhì)，以搪玻璃為襯層），可得到良好的抗腐蝕性以及力學(xué)性能，是當(dāng)前化工機(jī)械設(shè)計(jì)中研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。但搪玻璃設(shè)備也存在一些缺點(diǎn)，如在遭受機(jī)械沖擊時(shí)極易發(fā)生破碎，在驟冷和驟熱的變化過(guò)程中可能發(fā)生脫瓷等問(wèn)題。

2.2.3 玻璃鋼及塑料材料

玻璃鋼是一種增強(qiáng)型塑料，抗腐蝕性能優(yōu)良，對(duì)水、大氣以及普通濃度的酸、堿、鹽以及多種油類(lèi)和溶劑都具有良好的抵抗能力。在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中，玻璃鋼常用于通風(fēng)管路、涼水塔外殼以及鹽酸貯灌等設(shè)備的選材。但玻璃鋼材料也有自身缺點(diǎn)，如耐高溫性能差，不能用作高溫工作條件下的化工機(jī)械設(shè)備?；ぴO(shè)備中還經(jīng)常使用聚丙烯、硬聚氯乙烯等塑料材質(zhì)，用于制作一些水槽、酸性及堿性的儲(chǔ)槽。

3 化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料選用的注意事項(xiàng)

3.1 經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性相結(jié)合，合理選用機(jī)械材料

化工機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選用，首先要遵循經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性相結(jié)合的原則，為化工機(jī)械的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。材料運(yùn)用的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性的統(tǒng)一，需充分考慮到兩個(gè)方面的內(nèi)容：①應(yīng)用于化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料要將零部件的制造工藝做為參考依據(jù)。機(jī)械加工過(guò)程中所要使用的工藝技術(shù)也有多個(gè)種類(lèi)，如切削工藝、鑄造工藝、焊接工藝、熱處理工藝等，在材料的應(yīng)用過(guò)程中要根據(jù)工藝技術(shù)的不同合理選用;②需要強(qiáng)調(diào)材料應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)性，一些材料的各方面性能優(yōu)異，但是材料成本較高，如果大量使用，會(huì)極大地增加化工機(jī)械設(shè)備的成本，可以在滿足質(zhì)量要求的前提下，在關(guān)鍵部位使用性能高、成本高的材料，而其他部位使用性能好、成本低的材料，以最大程度地降低化工機(jī)械設(shè)備的加工制造成本。

3.2 環(huán)保性與節(jié)能性相結(jié)合，減少機(jī)械材料的損耗

當(dāng)今社會(huì)的不斷發(fā)展，離不開(kāi)對(duì)資源的大量索取與開(kāi)發(fā)，許多類(lèi)型的化工材料在資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中已成為了較為稀缺的資源，故化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選用，應(yīng)遵循環(huán)保性與節(jié)能性相結(jié)合的原則，從而有效提高資源利用率。因此，對(duì)于化工機(jī)械設(shè)計(jì)材料的選擇，不僅要考慮成本的輸出，也要考慮對(duì)環(huán)境的保護(hù)，合理使用材料，在最大程度上節(jié)約原材料和成本，減少能源消耗，推動(dòng)化工機(jī)械行業(yè)和環(huán)保建設(shè)共同發(fā)展。

3.3 做好防腐保護(hù)，防止出現(xiàn)裂縫

在進(jìn)行化工機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，良好的防腐保護(hù)，可以防止機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)裂縫，提升機(jī)械設(shè)備整體性能。在進(jìn)行防腐處理時(shí)，首先要從材料的選擇以及加工工藝上考慮。如選擇耐腐蝕性較強(qiáng)的材料，盡量減少形狀復(fù)雜、易于積塵的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，從而達(dá)到減緩腐蝕發(fā)生的目的。具體而言，化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的防腐保護(hù)需重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

①設(shè)備的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單化。避免化工機(jī)械設(shè)備及其零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，同時(shí)避免零部件裝配時(shí)出現(xiàn)縫隙;②涂抹防銹漆?；C(jī)械設(shè)備的表面應(yīng)涂抹質(zhì)量較好的防銹漆，良好的防銹層可以將設(shè)備的表面與水分和空氣隔離開(kāi)來(lái)，防止設(shè)備腐蝕;③確保不存在水汽淤積現(xiàn)象?；C(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免出現(xiàn)凹孔，不要給水汽留下任何淤積的可能;④保證工作的連貫性。絕大多數(shù)的化工機(jī)械設(shè)備在加工制造過(guò)程中需要用到焊接工藝，一定確保焊接的連貫性，避免因焊接不連貫而造成的質(zhì)量缺陷發(fā)生?，F(xiàn)實(shí)中，機(jī)械加工制造過(guò)程中的不連貫之處往往可能成為缺陷點(diǎn)，而這些缺陷點(diǎn)恰恰是腐蝕容易發(fā)生的位置;⑤合理化的防腐處理。由于化工機(jī)械設(shè)備的縫隙處非常容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，所以除了需要在設(shè)計(jì)階段避免裝配縫隙的出現(xiàn)外，在零部件間的主要結(jié)合位置應(yīng)該進(jìn)行一些合理化的防腐處理，以有效防止縫隙處腐蝕問(wèn)題的出現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，化工生產(chǎn)中其設(shè)備是保證整個(gè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。而設(shè)備的質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效益等多方面都有一定的影響。因此，在化工機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)材料的選擇與運(yùn)用要從成本、質(zhì)量、環(huán)境等多方面進(jìn)行綜合考慮，以實(shí)用性強(qiáng)、載荷性強(qiáng)、低消耗、無(wú)害、可回收的機(jī)械材料為主選材料，更好的實(shí)現(xiàn)材料節(jié)約利用、有價(jià)值應(yīng)用，堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展道路，實(shí)現(xiàn)化工機(jī)械行業(yè)的新發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐榮剛，肖金健.論化工機(jī)械設(shè)計(jì)中的材料選擇和應(yīng)用[J].化工管理，2017（24）：204.

[2]惠剛.化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料的選擇探討[J].中小企業(yè)管理與科技（上旬刊），2017（04）：139-140.

[3]王蔚.化工機(jī)械設(shè)計(jì)中材料分析[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2016（22）：159-160.