压力容器用钢

压力容器用钢 一、钢材的机械性能 材料在外力作用下表现出来的特性叫作材料的机械性能，也称为力学性能。钢材的重要机械性能指标有: 1.强度—物体在外力作用下，抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的特性指标有屈服极限(CT s)和强度极限(ab)，系由拉伸试验获得。 (1)屈服极限材料承受载荷时，当载荷不再增加而仍继续发生塑性变形的现象叫做“屈 服”。开始发生屈服现象’(即开始出现塑性变形)时的应力叫做“屈服极限”或“屈服点”。工程上取试样发生0.2 %残余变形时的应力值作为条件屈服极限，通常称为屈服强度(Uo.z).在拉伸试验中，屈服强度是试样在拉伸过程中标距部分残余伸长达到原标距长度的0.2帕时的负荷除以原横截面积的商，单位为MPa.一般说来，材料是不允许在超过其Idl服点的载荷条件下工作的。 (2)强度极限材料抵抗外力破坏作用的最大能力称为强度极限。钢材的强度极限是试样在拉断前所承受的最大应力即抗拉强度(Sb)，单位为IvIPa, 工程上希望金属材料不仅具有较高的。。，而且具有一定的屈强比(a S(Q b ) o屈强比愈小，结构零件的可靠性愈高。但屈强比太小，则材料的有效利用率太低。因此，一般希望屈强比高一些，碳素钢为0.6左右，低合金高强度钢为0.65~0.75，合金结构钢为。.85左右。 2.塑性—指材料在外力作用一下产生塑性变形而不破坏的能力，用延伸率(6)及断面收缩率(冲)来表示，其数值由拉伸试验获得。 延伸率以试样拉断后的总伸长与原始长度的比值百分率来度量，其数值与试样尺寸有关.为了便于比较，必须采用标准试样，规定试样的原始长度与原始直径的比例关系。8。或6,。表示试样计算长度为其直径的5或10倍时的延伸率(b,。小于Ss)。 断面收缩率以试样拉断后断面积的缩小量与原始截面积之比值的百分率来度量。 塑性良好的材料可以顺利地进行某些成型工艺，如冷冲压、冷弯曲等。其次，良好的塑性可使零件在使用过程中万一超载也不致突然断裂。压力容器的主要零部件都是承压的，无论从制造工艺或安全使用来说，都希望有良好的塑性。 3.硬度—指金属材料抵抗压入物压陷的能力，也可以说是材料对局部塑性变形的抗力。一般说来，材料的硬度越高，耐磨性能越好，硬度与强度之间也有一定的关系。生产中常用测定硬度的方法来估算材料的Jx度，也常用测定焊接热影响区硬度的方法来确定其淬硬的程度.常用的硬度指标为布氏硬度(HB)、洛氏C硬度(HRC)和维氏硬度(HV)，其数值可互相换算。 4.冲击韧性—材料受外加冲击负荷.A6. 断裂时所消耗的能量，即冲击试样所消耗的 功除以试件缺口处断面积的商，单位为M7/ m么. 冲击韧性是材料各项机械性能指标中对材料的化学成份、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，也是衡 量材料脆性转变和断裂特性的重要指标.所以，对压力容器用钢来说，冲击韧性是一项重要的 性能数据。标明含量.钢中的钒、吸、铝、妮、硼、稀 二、国产常用压力容器用钢 压力容器用钢的性能必需与压力容器的使用条件(压力、温度、内装介质的性质等)相适.另外，在容器制造过程中，钢板必须经受冷热加工成型和焊接。因此，钢材除应具有必要应 的机械性能外，还应具有良好的工艺性能.由于不同类型压力容器的使用条件差别很大，因此要求有各种不同性能的钢种。例如，在一般条件下使用的碳钢和低合金高强度钢;在高温条件下便用的合金结构钢;在低温条件下使用的低温钢(-201C以下);与氢、氮、氨混合介质接触，温度超过350?时使用的抗氢氮钢;盛装硫酸、盐酸、磷酸、醋酸、硝酸、尿素等腐蚀性介质的容器，应采用性能与所装介质适应的不锈耐酸钢。 当前，国产压力容器用钢的品种还相当贫乏。现将儿种常用钢种的性能特点及其应用简介如下。 1.碳钢 碳钢是指含碳量小于2.06%的铁碳合金。由于碳钢的价格低廉，工艺性能良好，因而广泛用于制造压力容器。常用的有ASV, A3, A3R, 20g等。 A,F主要用于不承受负荷的内部构件以343MPa ( 35kgUmm2)级，具有良好的 及设计压力、设计温度较低的压力容器.例综合机械性能和工艺性能，尤其中温(450'C 如，A,F制作的大型容器如年产30万t合成氨以下)及低温(-401C以上)机械性能比低 装置中的二段转化炉水夹套，其直径为4120碳钢好，但缺口敏感性比碳钢大;在有缺口 mm,壁厚8 mm，设计压加.098MPa，最存在时，疲劳强度低于AS,易产生裂纹。 高操作温度100 C, 16Mn和16MnR的应用极为广泛，用16AZnR A。钢的使用温度为。^-400 C，许用压制作的大型容器有:年产30万t合成抓装置 力不超过1.6MPa; ASR的使用温度为一20中的二氧化碳吸收塔、第二氨分离器，冶金 -4761C，许用压力不限.AaR在压力容器工业用贮氧球罐，石化工业用丁烯、丁二烯 制造中应用很广，典型产品如直径4270 m m、的球罐等. 壁厚10-19mm ,高49m的二氧化碳再生塔，(2 ) 15MnVI;其屈服强度为392MPa 其设计压力为0.17NIPa，设计壁温149 C . ( 40kgf/mm`)级，使用温度为一20,C - A3R也用于制造球形容器，如直径1230 mm 500 C，综合机械性能良好，但塑性和低 (容积1000m3 )、壁厚241n m、设计压力温冲击韧性较16Mn低，且波动较大，焊接 0.78MPa的城市煤气储罐等.锅炉钢板20g性能良好，用以制造的大型容器有直径2800 的使用范围与A3R相同.mm,壁厚30mm的水洗塔等。目前运行中 2.低合金高强度钢的球罐有相当数量是采用15MnVR制造的， 低合金高强度钢是一种低碳结构钢，其设计压力1.6 ^-2.9MPa，直径4600- 12300 合金含量较少，但强度(尤其是s)都比同mm,壁厚14-40mm，介质有液化石油气、 等含碳量的碳钢高得多，并且一般都具有良氧、氮、氨、液氨等. 好的焊接性能和耐腐蚀性能，具有优良的塑(3)15MnVNR其屈服强度为4护 性，比普通碳素钢有更低的脆性转变温度.MPa ( 45kgf/mmz)级，它在冶金工业的 2 采用低合金高强度钢代替碳钢，在载荷相同氧气球罐上应用较多，其直径为9200mm, 的条件下，结构重量可减轻20^30帕，不仅壁厚36mm，设计压力为2.94MPa。此外， 可以大大降低容器制造成本，而且设备更加曾用于压力1.57MPa、容量loom 3的大型液 安全、耐用.因此，在50至60年代，低合金氨罐车等. 为屈服强度490 高强度钢用于压力容器的研究与使用发展很(4 ) 18MnMoN b1-快.但是，低合金高强度钢对加工工艺，特MPa(50kgf/mmZ)级的低合金高强度钢， 别是焊接工艺的要求较碳钢要严格得多.用于中温压力容器。其综合机械性能和焊接 用于压力容器制造的低合金高强度钢，性能良好.用以制造的典型容器有:年产30 其屈服强度范围为294-- 686MPa(30“70万t合成氨装置中直径 3200 mm ,壁厚150 kgf/mm2)，通常按强度等级分类，例如，(50x3层热套)mm、设计压力15.2MPa, 35, 40, 45, 50, 70kgf/mm;级等等.常设计温度2001C、总重300t的大型氨合成塔， 三、压力容器用钢的基本要求 压力容器用钢板比一般钢板的要求更严，主要体现在，对化学成分的控制较严，抽样检验率较高，力学性能检验中增加了冲击值的要求。 基本要求:较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能，以及与介质的相容性。 (1)化学成分 含C量?0.25% ,C含量高，使强度增加，可焊性变差，加入V，T，Nb可提高强度和韧i 性 S.P有害元素,S—降低塑性和韧性,P—增加脆性(低温脆性) 压力容器用钢，S.P含量<0.02%，0.03% 因为硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能。因此要严格控制S P的含量 (2)力学性能 力学性能主要指:强度、韧性和塑性变形能力 力学性能不仅与钢材的化学成分，组织结构有关且与所处的应力状态和环境有关。 强度判据:s，b，持久极限(强度)D，蠕变极限n和疲劳极限-1 ,,,,, ,塑性判据:延伸率5，断面收缩率ψ 韧性判据:冲击吸收力AKV，韧脆转变温度，断裂性 设计时，力学性能判据可从相关规范标准中查到，实际使用时，除要查看质量证明书外，有时还要对材料进行试验。(拉伸，冲击) (3)制造工艺性能 ,制造中冷加工，要求钢材有良好冷加工成型性能和塑性，延伸率应在15,20%以上。 5 良好可焊性是一项重要指标 3 可焊性主要取决于化学成分，影响最大是含碳量,各种合金之素对可焊性度有不同程度的影响，常用碳当量表示，国际焊接学会推荐公式: Ceg MnNi，CuCr，Mo，V，，=C， Ceg6155 元素符号表示该元素在钢中的百分含量 一般认为:<0.4%可焊性优良，>0.6%可焊性差，我国对此尚无规定。 CegCeg 四、压力容器选材料应综合考虑的因素 (1)压力容器的使用条件 使用条件包括设计温度、设计压力、介质特点、操作特点。 (a)设计温度 Q235系列不适用于0?以下 15CrMoR,12CrlMoV抗氢钢，适于高温，高压临氢的压力容器。 (b)设计压力 压力很高容器，选用高强度钢或超高强度钢，由于钢的韧性随强有力度提高而降低，须注意二者的匹配在满足强度要求前提下，尽量采用塑性韧性好的材料。 (c)介质 选材应考虑与介质的相容性碳素钢用于腐蚀性不强的常压，低压容器，壁厚不大，中压容器。低合金高强度钢用于腐蚀性不强,壁厚较大(38mm)的受压容器。珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀或设计温度为350,650?的压力容器用耐热钢。不锈钢用于腐蚀性较强，或设计温度>500?(<-100?)的耐热或低温用钢。 (2)零件的功能和制造工艺 功能:筒体，封头承压空间与介质接触选择与介质相容的承压钢板。 支座:不承压，不接触介质, 除与容器接触垫板外，可选用普通碳素钢, 制造工艺:从保证制造质量,方便制造,选材料。 沸腾钢(Q235-A.F)搪玻璃效果比镇静钢(Q235-A)好。 (3)材料的使用经验 对已有成功使用经验，要清楚其化学成分的控制要求，载荷作用下应力状态; 操作规程 操作规程下载怎么下载操作规程眼科护理技术滚筒筛操作规程中医护理技术操作规程 和最长使用时间。 对不成功的，根据失效原因，采取相应的措施。 (4)材料价格 相同规格的价格，不锈钢>低合金钢>碳素钢。需较厚不锈钢时，尽量采用复合材料衬里。堆焊或多层结构。 (5)规范标准 4 压力容器用钢有其特殊要求，使用温度的上，下限使用条件均应满足规范标准要求。 对国外材料，应符合国外有关规范标准并应有成功使用经验。 五、影响压力容器钢材性能的环境因素 压力容器除受到包括介质压力在内的各种载荷作用外，其工作环境对材料的性能也有着不可低估的影响，有时这种影响甚至超出了介质的影响。即使材料的成分相同，组织结构相同，韧性指标(如、C)也相同，但如果外部环境不同，则材料的实际性能也有很大的差K1 异。环境的影响因素很多，如:温度的高低波动，载荷的波动，介质的性质，加载的速度等。 这些影响往往不是单独存在，而是同时存在交叉影响，甚至难以区分属哪一类。 (1)温度 有的压力容器长期在高温下工作(热壁加氢反应器)有的压力容器长期在低温下工作(液氧，液氨贮罐)材料在高温或低温下的性能与常温下并不相同 1.短期静载下，温度对钢材力学性能的影响 在高温下，温度对低碳钢力学性能的影响如图 温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一 般还应考虑设计温度下材料的屈服点。温度下降,碳钢，低合金钢强度上升,韧性下降 韧脆性转变温度(脆性转变温度) 5 当温度低于某一界限时，钢的冲击功大幅度下降，从韧性状态变为脆性状态的温度 2.高温，长期静载下钢材性能 高温下材料的强度等性能除随温度的升高而改变外，还和时间有关. 蠕变现象:在高温和恒定载荷作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象称蠕变(Creep)现象。 蠕变温度:碳素钢超过420? 低合金钢400~500? 危害:使材料产生蠕变脆化，应力松驰，蠕变变形和蠕变断裂。 a.蠕变曲线 温度和应力一定时，金属材料的应变与时间的关系可用蠕变曲线图来表示。 典型的蠕变曲线可分为三个阶段。 减速蠕变(ab):蠕变的不稳定阶段，蠕变的随时间增长而逐渐降低。 恒速蠕变(bc) 加速蠕变(cd):材料以接近恒定的蠕变速度进行变形。 在这阶段蠕变速率不断增加，直至断裂 同一材料在不同应力，不同温度下蠕变曲线形状并不相同。应力小,温度低，第二阶段时间会很长，反之则很短，甚至没有 b.蠕变极限，持久强度 在高温下长期服役的压力容器的材料性能指标采用蠕变极限和持久强度。 5蠕变极限是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力，其定义为10小时后材料应变限制 -7在1%以内，其应变速率为=10时的应力。 , 6 蠕变极限以考虑变形为主。 持久强度也是反映材料高温性能的重要指标，主要考虑材料在高温长期作用下的破坏抗力。 在给定温度下，一定时间后产生蠕变断裂的应力称为该时间内的持久强度。 c.松弛 在高温和应力作用下，随着时间的增长，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步取代原来的弹性变形从而使零件内的应力逐渐降低，这种现像称松驰。如高压螺栓。 3.温下材料性能的劣化 deterioration 常温下，钢状的金相组织和力学性能一般都相对稳定，不随时间而变化。 但在高温下，金相组织和力学性能发生变化，材料性能劣化除蠕变脆化外 a.珠光体球化 pearlite spheroidising 压力容器的碳素钢和低合金钢，常温下组织为铁素体+珠光体，其片状珠光体在温度较高时，逐渐转变成球状，再积聚成球团，使材料的屈服点抗拉强度，冲击韧性，蠕变极限，持久极限下降，这种现象称为珠光体球化。 修复:加热，保温，再冷却 b.石墨化 graphite 钢材在高温，应力长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象。 危害:相当于金属内形成空穴，使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击韧性下降很多。 防止:在钢中加入与碳化合能力强的合金元素如Cr，T，V等。 i c.回火脆性 tempering brittlement 12CrlMoV等铬钼钢，长期在325-575?下使用，或者在此温度范围缓慢冷却，使韧脆转变温度升高，冲击韧性下降的现象称回火脆性。 防止:严格控制微量杂质元素的含量(P，Sb，Sn，Si--)使设备升、降温速度尽量缓慢。 d.氢腐蚀和氢脆 hydrogen corrosion and embrittlement ?氢腐蚀:高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，也称氢蚀。 生成的甲烷不能扩散出去，聚集在晶界上形成压力很高的气泡，气泡扩大和相互连接从 而在晶界上形成裂纹。 条件:碳素钢在200?以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。 i防止:加入Cr，V，T，W等能形成稳定碳化物，从而提高抗氢腐蚀的能力。 ?氢脆 钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。 机理:高温高压下，氢以原子形式渗入到钢中被钢的基体所溶解吸收，当容器冷却后，氢的溶解度降低，形成分子氢的集聚，造成氢脆。 防止:停车时，应先降压，保温消氢(200?以上)，再降至常温，不可先降温后降压。 e.其它 中子辐照:核反应堆，中子辐照影响，使材料冲击韧性下降，韧脆转变温度上升。 高温下合金元素不断脱溶(Cr，Mo，Mn)使材料高温强度下降 7 高温:高于蠕变起始温度 蠕变温度:Tc>(0.25,0.35)Tm Tm:金属材料的熔点 Tc:碳钢>350? 0,450? 低合金钢>40 耐热合金钢>600? 高温反应炉炉管，表面温度达1000?压力3.5Mpa，材料劣化现象有: ?晶界氧化:热应力大，易使表面氧化膜破裂，促进晶界氧化 ?渗碳:耐热钢长期在高温下使用，铬的氧化膜逐步长大，由于膨胀系数与基体合金差 别大，随着温度波动，产生裂纹，基体中贫络，氧化膜再生固难，从而加速渗c。 (2)介质 介质可能引起材料腐蚀，组织性能的改变。 1.腐蚀概述 Corrosion 按腐蚀机理，可分为两大类 a.电化学腐蚀 金属在电解质中，由于各部位电位不同，形成微电池，在电子交换过程中产生电流，作 为负级的金属被逐渐溶解的一种腐蚀。 如碳素钢在水或潮湿环境中的腐蚀。 b.化学腐蚀 金属在介质中直接发生化学反应的腐蚀 按腐蚀的形成，也可分为两大类 a.全面腐蚀 与腐蚀介质直接接触的全部或大部分金属表面发生比较均匀的大面积腐蚀。 危害:厚度变薄，强度不足，发生膨胀以至爆破。 防止:选用耐腐蚀材料，衬里或堆焊。 b.局部腐蚀 集中在金属表面局部区域的腐蚀 常见形式有; ?晶间腐蚀 intergranular corrosion 腐蚀沿晶粒边界和邻近区域产生和发展，而晶粒本身腐蚀很轻微。 危害很大，不易被察觉。 腐蚀环境，电解质溶液，过热水，蒸汽，高温水和熔融金属等。 ii防止:在奥氏体不锈钢中加入稳定化之素(T，V)或采用超低C不锈钢(OOCr18N9) ?小孔腐蚀(孔蚀，点蚀) pitting 在金属表面产生针状，点状，小孔状局部腐蚀。产生:卤素离子，氯化物，溴化物静滞 的液体中。 防止:提高流速，增加Mo降低介质中CI.I含量 8 ?缝隙腐蚀 crevice corrosion 缝隙中积存静止介质或沉淀物引起的腐蚀。 避免:避免或减少缝隙形成。 介质的流动死角(区)使液体排净,胀焊并用，减少管子与管板间缝隙。 Stress Corrosion 2.应力腐蚀 在拉伸应力和特定腐蚀介质的共同作用下，导致材料开裂或早期破坏 断裂前往往无明显塑性变形，危险性很大 特点?拉应力大于临界值 ?特定合金和介质的组合 如:氯化物溶液中，面心立方晶体(face-centered cubic)的奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀，而体心立方晶体(body-centered cubic)的铁素体不锈钢不容易发生。 常见的应力腐蚀 防止:合理选择材料，HS采用抗HS的钢，如12Cr2MoAlV减少或消除残余应力，焊后22 消除应力热处理。改善介质条件，减少有害离子成分，添加缓性剂(吸附在金属表面上)涂层保护。 合理设计结构，避免缝隙。 (3)加载速率 -1用应力速率(Pa/s)或应变速率(S)表示。 -4-1-1-4-1应变速率在10,10 S的范围材料力学性能无明显变化，应变速率在10 S以上，有显著影响。 原因:加载速度较高，材料无充分时间产生滑移变形，使材料继续处于一种弹性状态，使s随之增大而塑性和韧性下降，脆性断裂倾向增加。 , 六、我国钢铁生产概况 钢铁是我国国民经济建设中的三大原材料之一(钢铁、木材、水泥)。原材料是影响国家基本建设规模、工业发展速度的重要因素，钢铁又是三大原材料中最重要的一项。经过五十几年的建设，我国的钢铁工业取得了巨大的成就，有力地支援了国民经济各部门的发展。进入新世纪以来，我国粗钢产量和钢材消费量的增长速度大大高于全球平均水平，占世界份额大幅提高。工业和信息化部部长李毅中12日在大连召开的全国钢铁工业座谈会上表示,由于钢铁产能释放过快,预计今年我国钢产量将达6.2亿至6.3亿吨,再创历史新高。 李毅中说,今年以来,钢铁产能释放过快。前5个月产钢2.69亿吨,同比增长23.8%。6月份以来,虽然日均单产有所下降,但预计全年钢产量会在去年创纪录的5.68亿吨基础上增加10%左右,再创历史新高。 李毅中说,过快的产能释放,超过了需求的增长,加大了国内市场压力。在国家出台房地产市场调控政策后,钢材消费需求也出现下降. 近年来，随着我国发展阶段和经济结构的变化，钢材消费结构发生了很大变化，与之相适应，我国钢铁产品生产结构也有明显改变。板带材比重呈持续增加趋势，长材比重则持续下降。尤其是近五年来，由于钢铁新建项目以板带材为主，板带材产量一直保持较高增长速度，板带比明显提高。据有关部门对机械行业、造船工业、轻工行业、石化行业的工业部门的调查，这些行业今后几年内会有较快增长，以及加入世界贸易组织后，相关产品出口也会增加。因此，中厚钢板也是需求增加较多的品种之一。今后数年内，全国中后板需求量在2000 9 万吨以内，但是，我国中厚板的增产能力较大，目前仍、处于限产状态，总体市场仍然供大于求，价格即使上扬，幅度也不会很大。 小 结 材料是构成设备的物质基础，学习过程设备设计必须掌握材料知识。合理选材是压力容器设计的基本任务之一。通过对压力容器材料及环境和时间对其性能的影响的学习，我们了解材料性能，制造工艺、使用环境和时间对材料性能的影响规律。所以在实际使用时我们要加强学习，多收集相关资料及经验，掌握压力容器选材知识，从而保证压力容器在全寿命周期内安全可靠地运行，为以后的压力容器设计打下宝贵基础。 10