压力容器用钢材.ppt

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1、压力容器用钢材1 压力容器用钢材压力容器用钢材 （一）（一）材料的基本性能1.力学性能 (1)机械强度：屈服极限Rel（s）和强度极限Rm（b）蠕变极限（tn）和持久极限（tD）。屈强比（Rel/Rm）压力容器用材的屈强比一般为0.6 0.7。碳素钢的屈强比一般为0.6左右，低合金高强度钢为0.650.75，合金结构钢为0.85 (2)塑性：延伸率 A（）及断面收缩率 Z（）一般碳钢、碳锰钢A16%,其它合金钢A14%。2（3）硬度 布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、和 维氏硬度（HV），其数值可以互相换算。硬度与抗拉强度有如下近似关系：轧制、正火或退火的低碳钢 Rm(b)=0.36HB;

2、轧制、正火或退火的中碳钢 Rm(b)=0.35HB;硬度HB250经热处理的合金钢 Rm(b)=0.34HB;硬度HB250400，经热处理的合金钢 Rm(b)=0.33HB;（4）韧性 冲击功AKV，单位为J。（5）断裂韧性 K1C 临界裂纹张开位移C（COD）（6）温度对材料机械性能的影响3材料的屈服极限、强度极限和弹性模量随温度的升高而降低,如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的。42.耐腐蚀性能 耐腐蚀性能是金属材料抵抗介质腐蚀的能力。压力容器中处理的介质大多数具有腐蚀性的，在设计中必须根据操作介质来选择耐腐蚀材料.如果腐蚀发生在整个金属表面上，则称为金属的全面腐蚀

3、；如果腐蚀均匀地分布在整个金属表面，则称为均匀腐蚀；如果腐蚀只发生在金属表面的局部区域，其余大部分表面不腐蚀，称之为局部腐蚀。(1)均匀腐蚀 均匀腐蚀是在整个金属表面均匀地发生腐蚀，这种腐蚀相对其它形式的腐蚀其危害最小。GB150中C2只考虑均匀腐蚀.C2=KB 其中B设计寿命(年)K腐蚀速率(mm/年)5 压力容器的设计寿命，除特殊要求外，塔、反应器等主要容器一般不应少于15年，一般容器，换热器等不少于8年。不腐蚀 轻微腐蚀 腐蚀 重腐蚀 B mm/年 0.05 0.050.13 0.130.25 0.25 C2 mm 0 1 2 3 压力容器设计中，对均匀腐蚀问题的对应措施是通过给出一定的

4、腐蚀裕量。而局部腐蚀问题相对均匀腐蚀要困难和复杂得多。（2）局部腐蚀：电偶腐蚀 缝隙腐蚀 点腐蚀 6 晶间腐蚀 选择性腐蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳 冲刷腐蚀 对压力容器设计人员来讲，应当尽量将“环境-材料”因素都考虑进来，所有的腐蚀问题都应当在设计中给予考虑。（3）应力腐蚀 应力腐蚀是指金属在持久拉应力和腐蚀性环境联合作用下产生腐蚀裂纹,并使裂纹迅速扩展,从而可能出现的早期性破坏的腐蚀形式。(通常以SCC表示)7 常见腐蚀形态示意图常见腐蚀形态示意图8 几种常见的应力腐蚀环境:a.a.碳钢及低合金钢焊制化工容器对介质NaOH的应力腐蚀 与介质浓度、温度有关。当NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积大

5、于等于5%时，也应根据NaOH溶液的浓度符合该要求。NaOH溶液浓度小于等于1%或NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积小于5%时，不受此限制。当超过以下范围的碳钢、低合金钢材料需焊后进行消除应力热处理。NaOH溶液重量%2351015203040506070温度上限9088857670655448434038。9 b.湿H2S应力腐蚀 介质同时符合下列条件时，即为湿H2S应力腐蚀环境：温度小于等于（60+2P）；P为压力，MPa H2S分压大于等于0.00035MPa即相当于常温在水中H2S溶 解度大于等于；介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；PH9或有氰化物(HCN)存在。C.液氨应力腐

6、蚀环境 当容器接触的液氨介质同时符合下列各项条件时，即为液氨应力腐蚀环境：介质为液态氨，含水量不高（0.2%）,且有可能受空气(O2或CO2)污染的场合；使用温度高于5。10 对于应力腐蚀环境的容器除进行焊后消除应力热处理，在焊接要求、焊接接头硬度等方面都要提出具体要求。奥氏体不锈钢材料在氯化物溶液、高温水、高浓度NaOH等介质往往产生应力腐蚀。（4）氢腐蚀环境 氢在常温常压下不会对铁碳合金引起氢蚀，当温度在200300发生“氢脆”，金属在高温下与氢反应生成甲烷，甲烷气在晶界空隙内引起裂纹，使材料的塑性降低，引起这种腐蚀有合成氨、合成甲醇、石油加氢等工业生产.设计温度大于等于200与氢气氛相接

7、触的压力容器用钢应按纳尔逊曲线纳尔逊曲线选材，并应留有20以上的温度安全裕度。11 奥氏体不锈钢在氢分压范围的氢气中使用都是满意的，焊后也无必要进行消除应力热处理。（5）晶间腐蚀 可能引起晶间腐蚀环境必须是存在电解质的电化学腐蚀环境，奥氏体不锈钢晶间腐蚀的电解质主要是酸性介质。如：工业醋酸、甲酸、硝酸、草酸、盐酸、硫酸、磷酸等。防晶间腐蚀的措施：1）固熔化处理；将已产生贫铬区的钢加热到ll00左右，使碳化铬溶解，经水淬，迅速通过敏化稳定区，使合金保持含Cr的均一态。2）降低钢中碳含量；碳化铬的产生是贫铬区形成的主要原因，降低碳含量是解决晶间腐蚀的基本方法。不锈钢按碳含量的多少可分为；12 高碳

8、级 C0.08 低碳级 O.03C0.0l；极低碳级CO.Ol 3）添加稳定碳化物的元素（Nb.Ti.V）于钢中加入更易产生碳化物的元素，如钛或铌，钛和铌等元素对碳有更强的亲和力，有更强的碳化物的形成能力在较高温度下，钢中的钛或铌优先与碳结合成TiC或NbC在晶界处析出，防止或减少了Cr23C6的析出即稳定了钢中的碳，防止了贫铬区的产生。钛或铌的加入量与钢中的碳含量有关。钛含量约为碳含量的5倍铌含量约为碳含量的lO倍。4)提高不锈钢中的铬、钼含量 提高不锈钢中铬、钼含量也可提高贫铬区的铬、钼含量，降低晶间腐蚀敏感性，但受铬、钼溶解度的限制，同时铬、钼都是铁素体的形成元素，要使不锈钢保持奥氏体组

9、织应同时提高镍含量。13 腐蚀环境选材误区1）事先不查阅资料；2）忽视结构对腐蚀的影响；3）认为“不锈钢”(SS)是万能的耐蚀材料；4）忽视加工（焊接）对腐蚀的影响；5）不重视大气、水、蒸馏水等的腐蚀。3.材料的物理性能 材料的主要物理性能包括：密度、导热系数、比热c、熔点tm、线膨胀系数等。在不同的使用场合，对材料的物理性能有不同的要求，如用于传热表面的材料要求有较高的导热系数。14 4制造工艺性能 材料的工艺性能，选择不合适，会造成加工困难。压力容器应考虑的制造工艺性能有焊接性、锻造性、切削加工性、热处理性及冲压性等。对压力容器来说重要的是材料的焊接性,容规规定:用于焊接结构压力容器主要受

10、压元件的碳素钢和低合金钢,其含碳量不应大于0.25%.在特殊条件下,如果含碳量超过0.25%的钢材,应限定碳当量不大于0.45%.因为 材料的含碳量越高，热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。国际焊接学会推荐的碳当量计算公式是:15 日本JIS标准推荐的碳当量计算式为:对于调质低合金钢，其强度虽高，韧性相当好，用碳当量评定不太合理，日本根据大约200种低碳、低合金高强度钢的试验数据归纳成经验公式，称为焊接冷裂纹敏感性指数或根部裂纹碳当量（Pcm）%焊接冷裂纹敏感性指数：式中各元素的符号代表钢中含量的百分数.16 当Ceq=0.4%-0.6%时,钢材的淬硬倾向增大,可焊性有

11、限,焊接时需要预热.控制焊接线能量等工艺措施.当Ceq0.6%时,淬硬倾向严重,属于较难焊接的钢材,需要采取较高的预热温度和严格的工艺措施.5.组织与成份 材料的金相组织与化学成份对机械性能、耐腐蚀性能、热处理工艺及制造方法等都会产生一定的影响，所以，在选择材料时，应对其组织及成份与材料性能之间的关系有足够的了解。一般认为:当Ceq450-515 20 515-650 27 奥氏体钢焊缝金属 31 45 (4)高合金钢（GB24511-2009）不锈钢按金相组织可分：铁素体不锈钢；马氏体不锈钢；奥氏体不锈钢；双相不锈钢。铁素体不锈钢，如：S11306(0Cr13)，铁素体不锈钢不会发生相变，不

12、能用热处理强化。这类钢有三种脆性：475脆性；相脆性和晶粒长大脆性。当板厚6mm时，可在室温下缓慢冷却成形，但翻边或深冲压应经100300加热，以防开裂。焊接时有产生冷裂和脆化倾向，过热区晶粒急剧长大，热处理也不能使晶粒细化，常温冲击韧性低。焊前要预热，并采用小的线能量。这类钢用于腐蚀性不强和防污染的设备，其设计压力0.3Mpa.S11306(0Cr13)用于抗水蒸汽、碳酸氢氨等设备。也有作为衬里或复合钢板，例如:炼油厂的某些预加氢设备.0Cr17Ti用于稀硝酸、硝铵等，如吸收塔、换热器等，也用于食品及酿造等设备，其设计压力0.3Mpa.。46 马氏体不锈钢，如：1Cr13，2Cr13等，马氏

13、体不锈钢具有强烈的淬硬倾向和冷裂倾向，在弱腐蚀介质中有良好的耐腐蚀性能，在淡水、海水、蒸汽中也有较好的耐腐蚀性能。奥氏体不锈钢，如：S30408等，奥氏体不锈钢具有优良的工艺性能和抗腐蚀性能，强度硬度很低，无磁性，不能热处理强化，可通过冷作硬化，其应用最广。为防止晶间腐蚀，可加Ti或Nb等稳定化元素；18-8钢在浓度65%、温度80的硝酸中是稳定的；在醋酸（常温）和不含氯离子、浓度小于60%沸磷酸也是稳定的。常用于硝酸生产中的吸收塔、换热器、合成塔内件等，钢中加入Mo、Cu能提高钢在尿素、硫酸等介质中的耐蚀性。47 常用的三个奥氏体不锈钢（GB24511-2009）1.S30408(06Cr1

14、9Ni10)（ASME SA304）;该钢是通用的18-8型铬镍奥氏体不锈钢，也是热强钢。具有良好的耐蚀性能、焊接性能和低温性能，热强性能较好，冷变形能力高。在石油化工中得到广泛应用。用于锅炉管子允许的抗氧化温度为705。2.S32168(06Cr18Ni11Ti)（ASME SA321）该钢含有较多的镍，因此奥氏体组织较为稳定，除具有良好的耐蚀性能外，并具有更好的热强性和持久断裂塑性。在石油化工中应用广泛。3.S31603(022Cr17Ni12Mo2)（ASME SA316L）由于该钢含有23%的钼，对各种无机酸、有机酸、碱、盐类的耐蚀性尤其是耐点蚀性显著提高，在高温下具有良好的蠕变强度。

15、广泛用于石油化工设备及管道。48 奥氏体-铁素体双相不锈钢，如：S21953(022Cr19Ni5Mo3Si2N)等，奥氏体-铁素体型不锈钢室温下存在双相，使钢的S提高，022Cr19Ni5Mo3Si2N耐应力腐蚀、点腐蚀性能良好，能适用含氯离子环境和炼油、化肥、造纸等设备。高合金钢的合金元素总含量大于10%，其中奥氏体不锈钢在常温和低温下有很高的塑性和韧性，不具磁性。由于这种钢是单相的奥氏体组织，在许多介质中有很高的耐蚀性。其中铬是不锈耐酸钢抗氧化性耐蚀性的基本元素，合金中含碳量的增加将降低耐蚀性能，所以该含碳量0.080.12%左右为高碳级不锈钢，钢号前以“1”表示。含碳量0.03CD）,

16、t为公称厚度 b)环形锻件（LD）,L和t中的小者为公称厚度 c)饼形锻件（tD）,t为公称厚度 d)碗形锻件（HD），t1和t2中的小者为公称厚度 e)长颈法兰锻件（HD）t1和t2中的小者为公称厚度 f)条形锻件（LD）,D为公称厚度 3)锻件级别的确定 锻件的级别由设计单位确定，并应在图样上注明，如16Mn。压力容器用锻件应根据其使用条件及尺寸、重量大小、选用相应的锻件级别，HG20580-1998有如下的规定：591.设计压力小于10.0 Mpa的法兰及几何尺寸类似的锻件应符合级或级以上的要求。2.设计压力小于1.6 Mpa的锻件应符合级或级以上的要求。3.设计压力小于10.0 Mpa

17、的中小型锻件应符合级要求，大型锻件应符合级或级要求。4.使用介质的毒性为极度或高度危害的锻件以及截面尺寸大于300mm的锻件应符合级或级要求。5.非受压元件用中小型锻件应符合JB4385锤上自由锻件通用技术条件的级或级以上的要求。大型锻件应符合JB4385的级或级以上要求。60 NB/T47008 NB/T47010-2010；锻件的级别:,.它们的检验项目是：如:NB/T47008-2010级:硬度（HB）逐件检查级:拉伸和冲击（b、s、5、AKV）同炉批号、同炉热处理的锻件抽检一件级:拉伸和冲击（b、s、5、AKV）同炉批号、同炉热处理的锻件抽检一件 超声检测:逐件检查级:拉伸和冲击（b、

18、s、5、AKV）逐件检查 超声检测:逐件检查61管法兰锻件级别的选用 锻制管法兰的材质、级别及其技术要求应符合NB/T47008-47010的相应要求，其锻件的级别如下。公称压力PN为0.251.0MPa的碳素钢、奥氏体不锈钢锻件采用I级锻件。除以下规定外，公称压力PN为l.66.3MPa的锻件级别不低于级。符合下列情况之一者，应采用级锻件：公称压力PN10.0MPa法兰用锻件；公称压力PN40MPa铬钼钢锻件；公称压力PN1.6MPa且工作温度一20的铁素体锻件；介质毒性为极度或高度危害用的锻件。62 5紧固件 紧固件的使用温度范围应符合GB150表4-10,螺栓的硬度应比螺母稍高（HB30

19、），可通过选用不同钢材或不同热处理而获得。如：螺柱钢号：Q235-A、35；螺母用钢：Q215-A、Q235A 标准：GB700(使用状态,热轧)；使用温度：-19200 适用于：P10.0Mpa容器.密封要求高时,使用温度宜小于 等于200。螺柱钢号：30CrMoA、35CrMoA 螺母用钢：Q215-A、Q235A 标准：GB700(使用状态,热轧)；使用温度：-19300 适用于：适用于P2.5Mpa容器及密封要求高时,使用温度宜小于等于400。63 （1）商品级紧固件：a.碳钢 碳钢螺栓、螺柱和螺钉：在GB3098.1-82紧固件力学性能 螺栓、螺柱和螺钉中的性能等级的标代号由“.”隔

20、开的两部分组成;笫一部分数字(“.”前)表示公称抗拉强度(b)的1/100；笫二部分数字(“.”后)表示公称屈服点(s)或公称屈服强度(0.2)与公称抗拉强度(b)比值（屈强比）的10倍。这两部分的乘积为公称屈服点(s)或公称屈服强度的10倍。例如：8.8级-即公称抗拉强度b=800MPa,公称屈服强度0.2=640 MPa.性能系列为：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9。64 螺母：在GB3098.2-82紧固件力学性能 螺母中性能等级的标记：当公称高度0.8D时，用公称抗拉强度b的1/100来表示性能等级，例如：8级即公称保证应力800 MP

21、a 性能等级系列为4、5、6、8、10、12；当公称高度0.5D，且0.8D时（即扁螺母），用“0”及一个数字标记；其中数字表示用淬硬芯棒测出的保证应力的1/100，而“0”表示这种螺母组合件的实际承载能力比数字表示的承载能力低，例如：0.4级 即公称保证应力400 MPa，实际保证应力380 MPa。平垫圈：平垫圈的性能等级标记代号由数字和字母组成，数字部分表示最低的维氏硬度值，字母表示硬度，性能等级系列为：100HV、140HV、200HV、300HV。例如，140HV即维氏硬度140。65 不锈钢：不锈钢螺栓、螺柱、螺钉和螺母在GB3098.6-82紧固件力学性能 螺栓、螺钉、螺柱和螺母

22、中的性能等级的标记由材料组别和性能等级两部分组成：笫一部分由字母和数字组成在“-”前表示材料组别。类别 组别 参考材料牌号 奥氏体不锈钢 A1(1Cr18Ni9)A2 S30408；S30403 A4 S31668；S31603S31603马氏体不锈钢 C1(1Cr13)C3(1Cr17Ni2)C4(2Cr13)铁素体不锈钢 F1(1Cr17)66 笫二部分数字在“-”之后表示产品的性能等级，其数字为公称抗拉强度（b）的1/10.性能系列为：A1-50、A2-50；A4-50、A1-70、A2-70、A4-70、A1-80、A2-80、A4-80、C1-50、C1-70、C3-80、C4-50

23、、C4-70、F1-45、F1-60。例如：A2-50与A2-70虽然可以是同样的材料，但通过冷作硬化可使b改变。不锈钢平垫圈性能等级的标记代号由字母和数字组成，字母表示材料类别，数字部分表示最低的维氏硬度值。性能等级系列为：A140、A200、A350。例如：A140即奥氏体不锈钢，维氏硬度140。67 （2）商品级紧固件在管法兰中的使用限制条件 a.商品级六角螺栓的限制使用条件：PN1.6 MPa；剧烈循环场合；半金属或金属垫片场合；易燃、易爆毒性危害程度较大。b.商品级双头螺柱及螺母的限制使用条件：PN4.0 MPa；剧烈循环场合；半金属或金属垫片场合；高温、剧烈循环场合或PN16.0

24、MPa的高压条件 下,应选用全螺纹螺柱.68 6.焊接材料 钢制压力容器的溶化焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、等离子弧焊、气体保护焊和电渣焊。焊接方法在条件允许的条件下首先选用自动焊。手工焊焊条是由焊条芯和药皮两部分组成。焊条芯起导电和填充焊缝金属的作用，它的化学成分和非金属夹杂物的多少将直接影响焊缝质量。药皮则用于保证焊接顺利进行.焊条有酸性焊条、碱性焊条（低氢焊条）对焊接二类、三类容器不宜用酸性焊条，应选用低氢碱性焊条。对焊后需热处理的容器还要求焊条含钒量不得大于0.05%。焊材选用：根据母材的化学化学成份、力学性能、焊接性能结合压力容器的结构特点和使用条件进行综合考虑以确定选用焊接材料，必要时，要通过试验确定。69 相同钢号相焊的焊缝金属，应符合下列要求：1）碳素钢、碳锰低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且不应超过母材标准规定的抗拉强度的上限。2）铬钼低合金钢的焊缝金属应保证化学成分和力学性能，且需控制抗拉强度上限。3）低温用低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，特别应保证夏比（V型）低温冲击韧性。4）高合金钢的焊缝金属应保证力学性能和耐腐蚀性能。5）不锈钢复合钢板基层的焊缝金属应保证力学性能，且需控制抗拉强度上限；复层的焊缝金属应保证耐腐蚀性能，当有力学性能要求时还应保证力学性能。70