《压力容器用材》PPT课件.ppt

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1、河北科技大学装控系河北科技大学装控系3.3 环境对压力容器用钢性能的环境对压力容器用钢性能的影响影响3.3.压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和 时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS1河北科技大学装控系河北科技大学装控系3.3 环境对压力容器用钢性能的影响环境对压力容器用钢性能的影响3.3.

2、1 温度温度3.3.2 介质介质3.3.3 加载速率加载速率2河北科技大学装控系河北科技大学装控系3.3.1 温度温度不同用途的压力容器的工作温度不同。不同用途的压力容器的工作温度不同。钢材在钢材在低温低温中温中温高温高温下，性能不同下，性能不同高温下，钢材性能往往与作用时间有关高温下，钢材性能往往与作用时间有关介绍几种情介绍几种情况的影响况的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响二、高温、长期静载下钢材力学性能二、高温、长期静载下钢材力学性能三、高温下材料性能的劣化三、高温下材料性能的劣化3河北科技大学装控系河北科技大学装控系一、短期静载下温度对钢材

3、力学性能的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响1、高温下、高温下图3-3 温度对低碳钢力学性能的影响在温度较高时，仅仅根据在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。温度下材料的屈服点。4河北科技大学装控系河北科技大学装控系2、低温下、低温下 随着温度降低，碳素钢和低合金钢的随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度强度提高，而提高，而韧性韧性降低。当温度低于降低。当温度低于20时，钢材可采用时，钢材可采用20时的许时的许用应力。用应力。韧脆性转变温度韧脆性转变温度

4、（或脆性转变温度）（或脆性转变温度）当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。转变温度。5河北科技大学装控系河北科技大学装控系图图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线6河北科技大学装控系河北科技大学装控系低温变脆的金属：低温变脆的金属：具有体心立方晶格的金属具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢如碳素钢和低合金钢低温仍有很高韧性的金属：低温仍有很高韧性的金属：面心立方晶格

5、材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。下仍具有高的韧性。7河北科技大学装控系河北科技大学装控系8河北科技大学装控系河北科技大学装控系二、高温、长期静载下钢材性能二、高温、长期静载下钢材性能蠕变现象蠕变现象在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。蠕变发生的三要素：高温、应力、时间。象。蠕变发生的三要素：高温、应力、时间。碳素钢碳素钢4204

6、00-500oC低合金钢低合金钢一定的应力作用一定的应力作用发生蠕变发生蠕变蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。破坏发生。蠕变的危害蠕变的危害9河北科技大学装控系河北科技大学装控系1、蠕变曲线、蠕变曲线蠕变曲线三阶段蠕变曲线三阶段减速蠕变减速蠕变恒速蠕变恒速蠕变加速蠕变加速蠕变图图3-5 蠕变应变与时间的关系蠕变应变与时间的关系一定温度和一定应力条件下一定温度和一定应力条件下10河北科技大学装控系河北科

7、技大学装控系cd为蠕变的第三阶段为蠕变的第三阶段ab为蠕变的第一阶段为蠕变的第一阶段即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段因此也称为蠕变的减速阶段.bc为蠕变的第二阶段为蠕变的第二阶段在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段蠕变的恒速阶段.在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。oa线段线段试样加载后的瞬时应变。试样加载后的瞬时应变。a点以后的线段点以后的线段从从a点开始随时间增长而产生的应变才属

8、点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。11河北科技大学装控系河北科技大学装控系对于同一材料，对于同一材料，改变温度或改变应力改变温度或改变应力，蠕变曲线都会不同：，蠕变曲线都会不同：当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段；甚至无第三阶段；相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失。短，甚至完全消失。12河北科技大学装控系河北科技大学装控系2、蠕变极限与持久强度、蠕变极限

9、与持久强度a、蠕变极限、蠕变极限是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。蠕变极限蠕变极限表示法表示法在给定温度下，使试样产生规定的第在给定温度下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率的应力值二阶段蠕变速率的应力值在给定温度和规定时间内，使试样产生一在给定温度和规定时间内，使试样产生一定量的蠕变总伸长率的应力值（常用）定量的蠕变总伸长率的应力值（常用）b、持久强度、持久强度在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。时构件所能承受的最大应力。13河北科技大学装控系河北科技大学装控系考虑蠕变极限和持久强度

10、的场合：考虑蠕变极限和持久强度的场合：蠕变极限适用于在高温运行中要严格控制变形的零件的设计，如涡轮叶片蠕变极限适用于在高温运行中要严格控制变形的零件的设计，如涡轮叶片高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件下不会下不会蠕变断裂蠕变断裂，往往同时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。，往往同时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为105h，总伸长率为，总伸长率为1%；确定持久强度的时间为；确定持久强度的时间为105h。）。）温度和

11、应力对蠕变断裂形式有显著的影响温度和应力对蠕变断裂形式有显著的影响在高应力、较低的温度时，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；在高应力、较低的温度时，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断后伸长率而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断后伸长率较低，缩颈很小，较低，缩颈很小，在晶体内部常发现大量的细小裂纹。在晶体内部常发现大量的细小裂纹。14河北科技大学装控系河北科技大学装控系松弛松弛在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但形总量保持不变，则

12、零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形随着时间的增长，如果变形总量保持不变，总量保持不变，因蠕变因蠕变而逐渐增加的而逐渐增加的塑性变形塑性变形将逐将逐步步代替原来的弹性变形代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐从而使零件内的应力逐渐降低降低，这种现象称为松驰。，这种现象称为松驰。如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。容器泄漏。15河北科技大学装控系河北科技大学装控系三、高温下材料性能的劣化三、高温下材料性能的劣化在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：在高温下长期工作的钢材性能的

13、劣化主要有：蠕变脆化（前面已经讲了）蠕变脆化（前面已经讲了）珠光体球化珠光体球化石墨化石墨化回火脆化回火脆化氢腐蚀和氢脆氢腐蚀和氢脆16河北科技大学装控系河北科技大学装控系a、珠光体球化、珠光体球化危害危害：使使材材料料的的屈屈服服点点、抗抗拉拉强强度度、冲冲击击韧韧性性、蠕蠕变变极限和持久极限下降极限和持久极限下降例如例如，中度球化会使碳素钢常温强度下降，中度球化会使碳素钢常温强度下降10%-15%;10%-15%;严重球化时下严重球化时下20%-30%20%-30%。已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。来的组织。17河北科技大学

14、装控系河北科技大学装控系b、石墨化、石墨化危害危害：使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。产生环境产生环境：石石墨墨现现象象只只出出现现在在一一定定的的高高温温范范围围。对对碳碳素素钢钢和和碳碳锰锰钢钢，当当在在温温度度425oC以以上上长长期期工工作作时时都都有有可可能能发发生生石石墨墨化化。温温度度升升高高，使使石石墨墨化化加加剧剧，但但温温度度过过高高，非非但但不不出出现现石石墨墨化化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。预防预防：要要阻阻止止石石墨墨化化现现象象，可可在在钢钢中中

15、加加入入与与碳碳结结合合能能力力强强的的合合金金元元素素，如如铬铬、鈦鈦、钒钒等等，但但硅硅、铝铝、镍镍等等却却起起促促进进石石墨墨化化的作用。的作用。18河北科技大学装控系河北科技大学装控系c、回火脆化、回火脆化高高温温临临氢氢设设备备常常使使用用的的12Cr1MoV12Cr1MoV等等铬铬钼钼钢钢，长长期期在在325-325-575575o oC C下下使使用用，或或者者从从此此温温度度范范围围缓缓慢慢冷冷却却，脆脆性性转转变变温温度会升高，韧性降低，这种现象称为回火脆化。度会升高，韧性降低，这种现象称为回火脆化。研究表明：研究表明：影影响响钢钢回回火火脆脆化化的的主主要要因因素素为为化化

16、学学成成分分和和热热处处理理条条件件。P、Sb、Sn和和As等等杂杂质质元元素素越越多多，奥奥氏氏体体化化温温度度越越高高，钢对回火脆化钢对回火脆化越敏感越敏感。19河北科技大学装控系河北科技大学装控系d、氢腐蚀和氢脆、氢腐蚀和氢脆氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。20河北科技大学装控系河北科技大学装控系d-1.d-1.氢腐蚀氢腐蚀 是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。氢腐蚀有氢腐蚀有两种形式：

17、两种形式：一是和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表一是和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表面脱碳，面脱碳，使力学性能恶化；使力学性能恶化；二是渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷。二是渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷。裂纹裂纹21河北科技大学装控系河北科技大学装控系一般情况下，碳素钢在一般情况下，碳素钢在200200以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢 中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢 腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢

18、腐蚀。目前，一般按照目前，一般按照NesonNeson曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分 压小于时，允许的使用温度约为钢在氢压小于时，允许的使用温度约为钢在氢 分压小于时的允许使用温度大约为分压小于时的允许使用温度大约为520520。影响氢腐蚀影响氢腐蚀的因素主要有：的因素主要有：温度、温度、氢分压、氢分压、时间、时间、合金成分、合金成分、应力等应力等22河北科技大学装控系河北科技大学装控系在在高高温温、高高氢氢分分压压环环境境下下工工作作的的压压力力容容器器，在在停停车车时时，应应先先降降压压，保保温温消消氢氢（200200以以上上）后后，再

19、再降降至至常常温温。切切不不可可先先降温后降压。降温后降压。d-2.d-2.氢脆氢脆指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。氢的来源氢的来源内部氢，指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢；内部氢，指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢；外部氢，指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。外部氢，指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。23河北科技大学装控系河北科技大学装控系钢钢材材长长时时间间在在高高温温下下，还还会会发发生生合合金金元元素素在在固固溶溶体体和和碳碳化化物物相相之之间间的的重重新新分分配配，那那些些对对固固溶溶体体起起强强化化作作用用的的合合金金元元素素，如铬、钼、锰等

20、，都会不断脱溶，从而使材料高温强度下降。如铬、钼、锰等，都会不断脱溶，从而使材料高温强度下降。除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。在在设设计计阶阶段段，预预测测材材料料性性能能是是否否会会在在使使用用中中劣劣化化，并并采采取取有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要意义。有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要意义。除以上除以上4种劣化外，还要注意：种劣化外，还要注意：24河北科技大学装控系河北科技大学装控系3.3.2 介质介质一、腐蚀概述一、腐蚀概述1、按腐蚀的机理来分、按腐蚀的机理来分金属腐蚀分类：金属腐蚀分类：电化学腐蚀

21、：形成微电池，有电流电化学腐蚀：形成微电池，有电流化学腐蚀：发生化学反应，无电流化学腐蚀：发生化学反应，无电流晶间腐蚀：危害大晶间腐蚀：危害大 2、按金属腐蚀的形势来分、按金属腐蚀的形势来分全面腐蚀全面腐蚀局部腐蚀局部腐蚀小孔腐蚀小孔腐蚀缝隙腐蚀缝隙腐蚀应力腐蚀：拉应力特定腐蚀介质应力腐蚀：拉应力特定腐蚀介质对于埋地设备，还包括微生物腐蚀和电流干扰腐蚀，详见郑津洋郑津洋等编著的长输管道安全等编著的长输管道安全风险辨识、评价和控制，化学工风险辨识、评价和控制，化学工业出版社，业出版社，2004200425河北科技大学装控系河北科技大学装控系二、应力腐蚀二、应力腐蚀1、应力腐蚀的特征、应力腐蚀的特

22、征三个三个阶段阶段孕育阶段孕育阶段是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；裂纹稳定扩展阶段裂纹稳定扩展阶段在应力和腐蚀介质作用下，在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；裂纹缓慢扩展；裂纹失稳阶段裂纹失稳阶段最终发生的突然断裂。最终发生的突然断裂。断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而成的裂纹有可能使

23、压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏（不出现第三阶段，即发生未爆先漏（Leak Before Break）。）。26河北科技大学装控系河北科技大学装控系应力腐蚀开列的特征：应力腐蚀开列的特征：a拉伸应力拉伸应力b特定合金和介质的组合特定合金和介质的组合c一般为延迟脆性断裂一般为延迟脆性断裂27河北科技大学装控系河北科技大学装控系2、常见的应力腐蚀、常见的应力腐蚀a.碱溶液碱溶液b.湿硫化氢湿硫化氢c.液氨液氨d.硝酸盐溶液硝酸盐溶液有关选材、制造、检验的要求见HG20581“HG20581“钢制化工容器材钢制化工容器材料选用规定料选用规定”28河北科技大学装控系

24、河北科技大学装控系3、应力腐蚀的预防措施、应力腐蚀的预防措施 一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。a.合理选择材料合理选择材料 b.减少或消除残余拉应力减少或消除残余拉应力c.改善介质条件改善介质条件 d.涂层保护涂层保护e.合理设计合理设计29河北科技大学装控系河北科技大学装控系3.3.3 加载速率加载速率加载速率的表示加载速率的表示应力速率（应力速率（Pa/s）或应变速率（）或应变速率（1/s）通常，应变速率在通常，应变速率在10 410-1s-1范围

25、内，金属材料的力学性范围内，金属材料的力学性能没有明显变化。能没有明显变化。当应变速率在当应变速率在10-1s-1以上时，它对钢材力学性能有显著的影响：以上时，它对钢材力学性能有显著的影响：加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这种脆性断裂的发生。种脆性断裂的发生。30河北科技大学装控系河北科技大学装控系加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平的提高，韧性的降低减弱。也就是说，在一定的加载速率的提高，韧性的降低减弱。也就是说，在一定的加载速率范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明显。显。31