压力容器设计用材料.ppt
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1、 压力容器设计基础知识 材料篇-物尽其用 1 4.1材料基础 4.2压力容器用钢板 4.3压力容器用锻件 4.4常用国外材料及比较 4.5设计工作中的“材料先行”和注意事项2 压力容器常用材料-物尽其用 决定产品的经济性 压力容器材料重要的技术问题:压力容器材料重要的技术问题:-成分、性能、韧性 -供货状态 -耐腐蚀性能 -附加要求 -无损检测要求 -厚度:厚度:需要给予高度关注34.1材料基础知识4.1.1金相组织名词解释奥氏体:奥氏体:碳和合金元素在(-Fe)面心立方结晶铁中的固溶体,非磁性、性质较软、延展性好,一般以相表示铁素体铁素体:碳和合金元素在(-Fe)体心立方结晶铁中的固溶体,应
2、度和强度低、韧性和延展性较好,用相来表示从奥氏体直接析出的铁素体,而用相来表示从液体中直接析出的铁素体渗碳体:渗碳体:铁碳化合物Fe3C,硬而脆珠光体:珠光体:铁素体和渗碳体的混合共析体。性质介于铁素体和渗碳体之间 4马氏体:马氏体:钢经淬火或淬火后在经200oC左右回火得到的不稳定组织,是碳和合金元素在铁中的固溶体,具有很大的内应力,硬而脆相:相:存在于高Cr钢和Cr-Ni奥氏体钢中的组织(Fe、Cr合金间化合物),极硬而又极脆,故会降低材料的延性和韧性。而且在析出相的周围区域产生贫Cr,引起晶间腐蚀。相一般在600900oC长时间保温或预先的加工硬化后产生,如添加铁素体形成元素,含氮量的增
3、加,含碳量的降低均能促使相的形成。已经形成的相可在930980oC加热后急冷消失(转变成铁素体)54.1.2铁碳合金状态图 含碳量0.022.06%之间的碳铁合金称为钢 6图中实用意义PSK线(A1线):钢在冷却时,由奥氏体在恒温下进行共析反应形成珠光体的温度线GS线(A3线):钢在缓慢冷却时,由奥氏体开始析出铁素体的温度线,或缓慢加热时铁素体转变为奥氏体的终了线ES线(Acm线):钢在缓慢冷却时,奥氏体开始析出渗碳体的温度线。或缓慢加热时渗碳体转变为奥氏体的终了线S点(共析点):对应该点的钢含碳量为0.8%。称共析钢,室温下的组织是珠光体S点左边是亚共析钢,右边是过共析钢,E点是钢和铸铁的分
4、界点、对应的含碳量时2.06%含碳量小于或低于0.25%的钢称为低碳钢3.1.3碳钢和低合金钢的热处理完全退火(重结晶退火):完全退火(重结晶退火):把钢加热到临界点(Ac1或Ac3)以上3050oC,保温后缓冷,得到珠光体组织,主要用于亚共析钢和热轧型材,目的是细化晶粒、消除应力和改善钢的性能。7消除应力退火:消除应力退火:把钢缓慢加热至500650oC,经保温,随炉缓冷至300200oC以下出炉,目的是消除铸件、焊接件、锻件、热轧件和冷拉件等的内应力。正火:正火:把钢加热到Ac3(或Acm)以上3050oC,保温后在空气中(或风冷、喷雾)冷却,得到珠光体组织。目的是提高碳钢和低合金钢机械性
5、能,细化晶粒,改善组织。淬火:淬火:把钢加热到Ac3或(Acm)以上3050oC,保温后快速冷却(油、水),得到马氏体组织使钢强化回火:回火:钢淬火后为了消除应力即获得所需要的组织和性能,把已淬火的钢重新加热到Ac1以下的某一温度,保温后进行冷却。按回火温度不同可分为低温、中温、高温回火8调质:调质:通常将淬火加高温回火的热处理工艺称为调质。可获得回火索氏体,得到强度与韧性匹配良好的综合力学性能4.1.4腐蚀:腐蚀:晶间腐蚀晶间腐蚀 室温下碳只能小量地溶解于奥氏体固溶体中.温度升高时,碳在固溶体中的溶解度增大,再将钢由高温缓慢冷却,在敏化温度范(4008500C)时,奥氏体中饱和的碳和铬化合生
6、成Cr23C6沿晶界沉淀析出,由于铬的扩散速度较慢,这样生成Cr23C6所需的铬必然要从晶界附近获取,造成晶界附近区域铬含量降低而产生晶间腐蚀晶间腐蚀试验方法晶间腐蚀试验方法 按GB4334.143343.5不锈钢晶间腐蚀试验方法规定,主要有10%草酸法、硫酸-硫酸铁法、65%硝酸法(Huey法)、硝酸-氢氟酸法、硫酸-硫酸铜法五种 根据经验核需要来确定方法,一般采用硫酸-硫酸铜法,尿素合成设备用65%硝酸法,含Mo不锈钢用硝酸-氢氟酸法 9敏化敏化 奥氏体不锈钢在4008500C时缓慢冷却,在晶界上有 Cr23 C6析出,造成晶界附近贫铬引起晶间腐蚀,这一温度范围是敏化区氢腐蚀氢腐蚀 氢在高
7、温高压下活性强,氢分子与钢材表面的碳化合引起脱碳,使机械性能下降,渗透到钢材内部和游离的碳化合生成甲烷,产生裂纹,氢原子渗透到钢中和碳反应生成甲烷,产生裂纹应力腐蚀应力腐蚀 金属在拉应力和腐蚀的共同作用下(温度条件)引起的破裂,拉应力大腐蚀严重,无征兆脆性破裂,具有灾难性后果几种产生应力腐蚀的介质:几种产生应力腐蚀的介质:1)碳钢:碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸 2)奥氏体不锈钢:氯离子、氯化物+蒸汽、硫化氢、碱液 3)含Mo不锈钢:碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜水溶液解决应力腐蚀的重要方法之一:消除应力热处理解决应力腐蚀的重要方法之一:消除应力热处理 104.1.5不锈钢的热处
8、理固溶处理:固溶处理:为了恢复18-8不锈钢的抗晶间腐蚀能力,加热到10501150oC保温,使沉积在晶界上的碳化物重新溶解到奥使体组织中去,然后快速冷却,使碳化物未能析出,从而将高温时单项奥氏体组织保持下来,提高抗腐蚀能力注意:注意:经过固溶处理的钢仍然需要防止在450 850oC敏化温度下加热和使用,否则会使碳化物重新析出,产生晶间腐蚀稳定化处理:稳定化处理:对含有Nb、Ti的18-8不锈钢在经过固溶处理后在850900oC(860880)下,充分保温(16小时)使钢中的碳被固定在碳化铌和碳化钛中,然后空冷这样在敏化温度下不会形成碳化铬,不会产生晶间腐蚀注意:不含有Nb、Ti稳定剂的18-
9、8不锈钢不需要进行稳定化处理114.1.6压力容器用材料中需要关注的问题压力容器用材料中需要关注的问题脆性转变温度:脆性转变温度:所有具有立方和密排六方晶格的金属,随着温度的降低,冲击值下降,断面上界晶状断面增加,在某温度时冲击值显著下降而呈现脆性,该温度既是脆性转变温度。影响钢材脆性转变温度的因素主要有:1)加入的合金元素:)加入的合金元素:如Mn、Ni可将低脆性转变温度,C可提升脆性转变温度2)晶粒度:)晶粒度:细晶粒度比组晶粒独有较高的冲击韧性即较低的脆性转变温度3)缺陷:)缺陷:存在的缺陷可将低冲击韧性即提高脆性转变温度4)厚度:)厚度:厚钢板和大型锻件中不同部位的冲击韧性也不相同,脆
10、形转变温度也不相同 12石墨化石墨化 渗碳体在高温长期作用下自行分解的现象:Fe3C=3Fe+C(石墨)。分解时沿晶界析出,所有析出的石墨称球状和团絮状,在晶界中呈链状分布。通常在低碳钢和含0.5Mo的低合金钢中发生。兰脆兰脆 钢材冲击试验温度升高到200400oC时,冲击功开始下降,随着含碳量增加,冲击功开始下降的温度升高,但都在500600oC降到最低点,随着温度上升冲击功又重新增加,这种冲击功值下降的现象称为兰脆,碳素钢的蓝脆温度在325350oC。不锈钢复合板的使用不锈钢复合板的使用 GB150-1989 第2.2.10款规定:复层为奥氏体形的钢板,使用温度下限同基层钢板,上限为400
11、oC。对不锈钢的强制要求:对不锈钢的强制要求:GB150第4.1.6条规定奥氏体不锈钢使用温度高于525oC 时,钢含碳量应不小于0.04%。13低碳和超低碳不锈钢低碳和超低碳不锈钢 不锈钢可按含碳量进行分类,以常用的18-18不锈钢为例1Cr18Ni9(C0.15%)、0Cr18Ni9(C0.08%)、00Cr19Ni11(C0.03%),常将含碳0.08%的不锈钢称为低碳不锈钢,含碳量0.03%的不锈钢称为超低碳不锈钢尿素级不锈钢尿素级不锈钢 尿素及其中间产物氨基甲酸胺具有极强的腐蚀性,对尿素技术有丰富经验的荷兰斯大米卡帮公司提出尿素用不锈钢的主要技术要求有3个:1)晶间腐蚀:316L(0
12、0Cr17Ni14Mo2)改良型,美国休伊试验3.3m/48h 2)选择性腐蚀:平行与轧制方向的母材200m 垂直与轧制方向的母材70m 焊缝金属70m 3)铁素体含量:0.6%试验方法、取样方法、测定方法均按该公司标准规定 另外,对316L材料提出附加要求,C0.030、Cr17.0、Ni13.0、Mo2.2符合以上要求的不锈钢材料是尿素级不锈钢 14不锈钢的表面处理不锈钢的表面处理 不锈钢表面质量的好坏对耐腐蚀性有很大影响,熔渣、污物、氧化皮、擦伤和划痕都有可能产生浓差电池,成为局部腐蚀的中心酸洗:酸洗:针对氧化皮的厚度采取不同的酸洗方法,酸洗液的配方很多,主要是HCl和HNO3,也可用酸
13、洗膏,酸洗应保持一定时间,酸洗后用水洗净钝化:钝化:经过酸洗的表面,用钝化液进行钝化处理,使其表面形成均匀的氧化膜,钝化后用水冲洗干净,要求高的表面应进行兰点检查注意注意:钝化处理的表面,在氧化性介质中(如硝酸)有很高的耐腐蚀性,而在非氧化性介质中(如硫酸)则不耐腐蚀 154.2钢板4.2.1碳素结构钢板 碳素结构钢板的化学成分、力学性能和使用范围见表1、2、3 表1 化学成分(1)厚度大于60mm的钢板,含Mn上限为1.00%,为增加钢板性能,可增加为量合金元素钢号钢板标准化学成分(%)CSiMnPSQ235-BGB/T912-1989GB/T3274-19880.200.120.300.7
14、00.0450.045Q235-C0.180.120.300.800.0400.04020R(1)GB6654-2003(报批)0.200.150.300.500.900.0300.02016 表2 力学性能 (1)表中数值是标准冲击试样的冲击吸收功平均值指标(2)根据需方要求,可进行-20oC冲击试验,AKV24J钢号钢板状态板厚(mm)Rm(MPa)ReL(MPa)A%AKV(1)(J)Q235-B热轧4.51637550023525纵向,20oC 27164022524Q235-C热轧4.51637550023525纵向,0oC 2716402252420R热轧、控轧或正火6164005
15、2024525纵向,0oC(2)27163623525366022525601003905102052417 表3 使用范围4.2.2低合金高强度钢板压力容器常用的低合金高强度钢板化学成分和力学性能见表4、5 表4 化学成分钢号设计压力MPa使用温度oC壳体厚度mm介质Q235-B1.6035020不适用于毒性程度为高度或极度危害的介质Q235-C2.5040030不限制20R35-20475100不限制钢号钢板标准化学成分CSiMnPSNiMoNb其它16MnRGB66540.200.200.551.201.600.030.020.30可添加其它元素15MnNbR0.180.200.551.
16、201.600.0250.0150.300.0100.05018MnMoNbR0.220.150.501.201.600.0250.0150.300.450.650.0250.05013MnNiMoNbR0.150.150.501.201.600.0250.0150.601.000.200.400.0050.20Cr0.200.4007MnCrMoVRGB191890.090.150.401.201.600.0250.0100.400.100.30V0.020.06Cr0.200.3018表5 力学性能钢号钢板状态板厚mmRm(MPa)ReL(MPa)A%Akv(J)16MnR热轧、控轧或正火
17、61651064034521横向,0oC(3)3116364906203252136604706003052160100460590285201001504505802752015MnNbR正火101653065037020横向,-20oC 3416365306503602036605206403502018MnMoNbR正火加回火(1)306059074044017横向,0oC 34601005707204101513MnNiMoNbR正火加回火(1)10057072039018横向,0oC(4)411001205707203801807MnCrMoVR调质(2)16606107304901
18、7横向,-20oC 4719(1)回火温度不得低于620oC(2)回火温度不得低于600oC(3)根据需要,可进行-20oC冲击试验 Akv27J(4)根据需要,可进行-20oC冲击试验 Akv34J4.2.3低温钢板 16MnDR是-40oC级低温压力容器大量使用的钢号,07MnNiMoVDR是低温高强度钢,用于制造大型低温球形容器,09MnNiDR是-70oC级低温压力容器用钢,大量使用与乙烯、煤化工和大化肥等设备。15MnNiDR是-45oC级低温压力容器用钢。表6是化学成分,表7是力学性能 表6 化学成分 钢号钢板标准化学成分CSiMnPSNiAi其它16MnDRGB35310.200
19、.150.501.201.600.0250.0150.015可添加微量元素15MnNiDR0.180.150.501.201.600.0250.0150.200.600.015V0.0609MnNiDR0.120.150.501.201.600.0200.0150.200.800.015Nb0.0407MnNiMoVDRGB191890.090.150.401.201.600.0200.0100.200.50Cr0.30V0.020.06Mo0.100.3020 表7 力学性能钢号钢板状态板厚mmRm(MPa)ReL(MPa)A%Akv(J)16MnDR正火61649062031521横向,-
20、40oC 2716364706002953660450580275横向,-30oC276010045058025515MnNiDR正火61649063032520横向,-45oC 271636470610305366046060029009MnNiDR正火或正火加回火61644057030023横向,-70oC 271636430560280366043056026007MnNiMoVDR调质166061073049017横向,-40oC 47214.2.4中温抗氢钢板 工作温度高于400oC时,碳素结构钢的高温持久强度和蠕变强度较低,因而许用应力也较低,加入Cr、Mo合金元素可提高钢材高温持
21、久强度和蠕变强度,因此,在400600oC的压力容器产品通常采用Cr-Mo钢材料,在炼油和石油化工装置中由于含有氢介质,在一定的压力和温度下会产生氢腐蚀,采用含有Cr-Mo合金元素的材料可提高抗氢腐蚀能力。国产常用中温抗氢钢化学成分如表8、力学性能如表9。表8 化学成分 钢号钢板标准化学成分CSiMnPSCrMo15CrMoRGB66540.120.180.150.400.400.700.0300.0200.801.200.450.6014Cr1MoR0.170.500.800.400.650.0250.0151.151.500.450.6512Cr2Mo1R0.150.500.300.600
22、.0250.0152.002.500.901.1022 表9 力学性能 (1)回火温度不得低于620oC(2)回火温度不得低于680oC钢号钢板状态板厚mmRm(MPa)ReL(MPa)A%Akv(J)15CrMoR正火加回火(1)66045059029519横向,20oC,31601002751814Cr1MoR正火加回火(1)612052067031019横向,20oC,3412Cr2Mo1R正火加回火(2)612052067031019横向,20oC,34234.2.5不锈钢板 一般泛指的“不锈钢”是不锈钢、耐热钢、耐酸钢的统称,若严格的区分,则不锈钢是在空气中抗腐蚀的钢、耐酸钢是在某些
23、化学介质中抗腐蚀的钢而耐热钢是在高温下抗氧化抗蠕变和抗破断并抗一定介质腐蚀的钢。所以耐热钢、耐酸钢具有耐腐蚀性而不锈钢不定具有耐热和耐酸性,但有的不锈钢则同时具有耐腐蚀、耐热、耐酸性能,如:1Cr18Ni9Ti既是典型的一种。不锈钢的分类 按成分:Cr13型、Cr18-Ni9型 按金相组织:马氏体:1Cr13、2Cr13、3Cr13 铁素体:0Cr13、Cr17、Cr25 奥氏体:1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr17Ni12Mo2 0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体加铁素体(双相钢):00Cr18Ni5Mo3Si2 GB150对双相钢的规定:延伸率不小于23%24压力容器常用不
24、锈钢化学成分见表10、力学性能见表11表10 化学成分 GB/T3280-1992 GB/T4237-1992钢号化学成分CSiMnPSCrNiMo其它0Cr130.081.001.000.0350.03011.5013.500.600Cr18Ni90.071.002.000.0350.03017.0019.008.0011.000Cr18Ni10Ti0.081.002.000.0350.03017.0019.009.0012.00Ti5C0Cr17Ni12Mo216.0018.0010.0014.002.003.000Cr18Ni12Mo2Ti16.0019.0011.0014.001.80
25、2.50Ti5C0.7000Cr17Ni14Mo2Ti0.031.002.000.0350.03016.0018.0012.0015.002.003.0000Cr18Ni5Mo3Si21.302.001.002.000.0300.03018.0019。504.505.502.503.00N0.1025表11 力学性能 GB/T3280-1992 GB/T4237-1992 (1)仅当需方要求时,才进行测定(2)GB150规定值钢号钢板状态Rm(MPa)Rr0.2(1)(MPa)A%0Cr13退火410205200Cr18Ni9固溶520205400Cr18Ni10Ti520400Cr17Ni1
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