压力容器用钢的基本要求

压力容器用钢的基本要求.doc 组 别:3 组 员: 陈鑫 李福安 王曦 安全可靠性是压力容器最重要的质量特性，并且与其自身的选材有着密切的关系。为保障压力容器的安全性，压力容器用钢必须满足的基本要求是:压力容器用钢要具有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。压力容器用钢是否满足要求，可以从以下几个方面进行分析。 化学成分 一、 钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。对于用于制造压力容器的钢材必须控制其各化学成分的含量。 钢中常见化学元素对钢性能的影响: 1、碳(C):钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。 压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%。 2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0,1.2%的硅，强度可提高15,20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1,4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 3、锰(Mn):在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30,0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 4、磷(P):在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 5、硫(S):硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。 6、铬(Cr):在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。 7、镍(Ni):镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。 8、 钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。 9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力; 降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。 10、钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、钨(W):钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。 12、铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。 13、钴(Co):钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。 14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。 15、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。 16、硼(B):钢中加入微量的硼可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。 、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。 17 18、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。 常见压力容器用钢的化学成分要求: 化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。 二、力学性能 材料的力学行为是指由于载荷(如载荷种类、作用方式等)和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下它所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为。钢材的力学行为，取决于材料的力学性能。钢材的力学性能主要是表征 韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选择材料和强度计算的主要依强度、 据。 压力容器的力学性能判据: 压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度σ,屈服点σ,持久极限,蠕bs变极限,疲劳极限σ-1;塑性判据包括断后伸长率δ,断面收缩率;韧性判据包括5 冲击吸收功AKV,韧脆转变温度,断裂韧性。 压力容器用钢的力学性能要求: 压力容器用钢需要在满足韧性的前提下，提高强度、提高塑性储备量。 压力容器用钢要具有良好的塑性，为防止压力容器的断裂失效和塑性失效，确定许用应力时需要综合考虑抗拉强度和屈服强度，许用应力取抗拉强度、屈服强度除以各自的材料设计系数后所得的较小者。钢制压力容器对材料的力学性能要求重视钢材的韧性和钢材的塑性储备量。所以，对于压力容器用钢，一般情况下应避免采用调制热处理等方法不恰当地提高材料的强度，以留有一定的塑性储备量。 韧性是材料在断裂前吸收变性能量的能力，是衡量材料对缺口敏感性的力学性能指标，尤其能反映材料在低温或有冲击功作用是对缺口的敏感性。韧性是材料强度和塑性的综合反映。在载荷的作用下，压力容器中的裂纹常会发生扩展，裂纹扩展到一定临界尺寸时将会发生断裂事故。材料临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性和拉伸应力。钢的韧性好，压力容器所允许的临界尺寸就越大，安全性也越高。因此，为防止发生脆性断裂和裂纹的快速发展，压力容器应选用韧性好的钢材。 夏比V型缺口冲击吸收功AKV，与断裂韧性有较好的数值联系，能较好地反映材料的韧性，世界各国压力容器规范 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 都对AKV提出了要求。如Q345R钢板，要求在0ºC时的横向(指冲击试件的取样方向)AKV不小于34J。钢制压力容器一般采用焊接制造，设计时应当要求焊接接头在低温冲击试验时的冲击功不低于其母材在规定的相应设计值，否则容器的最低使用温度应高于低温冲击试验温度。 常见压力容器用钢的力学性能: 冷弯拉伸试验 冲击试验 试验 V型冲交货状钢板厚度 牌号 击吸收态 /mm 抗拉强度 屈服点 伸长率 温度 b,2a 功σ/MPa σ/MPa δ(%) /ºC 180º bs5A(横KV 向)/J 6,16 400,520 ?245 ?25 20 ?31 d,2a 热轧、,16,36 400,520 ?235 ?25 20 ?31 d,2a 20R 控轧式,36,60 400,520 ?225 ?25 20 ?31 d,2a 正火 ,60,100 390,510 ?205 ?24 20 ?31 d,2a 6,16 510,640 ?345 ?21 20 ?31 d,2a ,16,36 490,620 ?325 ?21 20 ?31 d,3a 热轧、 16MnR 控轧式,36,60 470,600 ?305 ?21 20 ?31 d,3a 正火 ,60,100 460,590 ?285 ?20 20 ?31 d,3a ,100,120 450,580 ?275 ?20 20 ?31 d,3a 6,16 530,665 ?390 ?19 20 ?31 d,3a 热轧、15MnV控轧式,16,36 510,645 ?370 ?19 20 ?31 d,3a R 正火 ,36,60 490,625 ?350 ?19 20 ?31 d,3a 6,16 570,710 ?440 ?18 20 ?34 d,3a 15MnV正火 ,16,36 550,690 ?430 ?18 20 ?34 d,3a NR ,36,60 530,670 ?400 ?18 20 ?34 d,3a 18Mn36,60 590,740 ?440 ?17 20 ?34 d,3a 正火加MoNb回火 ,60,100 570,720 ?410 ?17 20 ?34 d,3a R 13MnN?100 570,720 ?390 ?18 0 ?31 d,3a 正火加iMoNb回火 ,100,120 570,720 ?380 ?18 0 ?31 d,3a R 6,60 450,590 ?295 ?19 20 ?31 d,3a 15CrM正火加 oR 回火 ,60,100 450,590 ?275 ?18 20 ?31 d,3a 三、制造工艺性能 压力容器对钢材的制造工艺性能具有较高的要求。 冷加工的要求 压力容器在制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其断后伸长率δ应在15,20%以上。为检验钢板承受弯曲5 变形能力，可根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为180º的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。 焊接的要求 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。压力容器各零件主要采用焊接连接，良好的可焊性是压力容器用钢的一项极其重要的指标。 钢材的可焊性主要取决于其化学成分，主要是含碳量。含碳量愈低，愈不易产生裂纹,可焊性愈好。其次，合金元素对钢材的可焊性也有不同程度的影响，这种影响通常是用碳当量Ceq来表示。 国际焊接学会所推荐的碳当量公为: MnNiCuCrMoV，，，CC; eq,，，，6155 (式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量) 中国《锅炉压力容器制造许可条件》中为: MnSiNiCrMoVCC eq,，，，，，，624405414 (按上式计算的碳当量不得大于0.45%) 一般认为，Ceq 小于0.4%时，可焊性优良;Ceq 大于0.6%时，可焊性差。中国目前对压力容器用钢尚未规定碳当量要求，但上述计算碳当量的公式对分析 焊接裂缝的敏感性具有一定的参考价值。 四、物理性能 压力容器材料的物理性能也是选材时要考虑的。压力容器使用在不同的场合，对材料的物理性能也有不同的要求。 高温容器要用熔点高的材料，熔点高的材料再结晶软化温度较高;要进行换热的容器要用热导率高的材料，如此可节省材料和能源;带衬里的容器要求衬里材料与基体材料的线膨胀系数比较接近，否则有温度变化时，由于两种材料的膨胀量不一致，会导致衬里开裂。 压力容器用钢要考虑的物理性能参数通常是弹性模量E、重度γ、熔点T、m比热容c、热导率λ、线膨胀系数α等。 几种常用金属材料的物理性能: