压力容器选用材料学习资料.doc

铬钼钢是压力容器常用钢之一，它广泛用于炼油、化工及各类加氢装置和重整装置中的临氢设备上，具有优异的抗氢腐蚀性能和良好的高温强度，是高温高压容器壳体和封头的首选材料。是目前世界上广泛使用的热强钢和抗氢钢。由于在低碳钢中加入了Cr、Mo 等合金元素，大大提高了钢的综合性能。如具有良好的高温力学性能、抗高温氧化性能、抗腐蚀性能、良好的韧性、工艺性能和可焊性，故被广泛用于制造石油化工、煤转化、核电、汽轮机缸体、火电等使用条件苛刻、腐蚀介质珞钼钢特性： 1.耐热性金属材料抵抗高温氧化能力，称耐热性或抗氧化性。它要求钢材在中、高温条件下金相组织稳定，否则就可能产生石墨化现象。如碳素钢在425以上，C-0.5Mo 钢在475以上长时间使用时， 钢中的渗碳体会自行分解析出碳原子，产生石墨化，金属材料的脆性急剧增大。此外，耐热钢还要求钢材具有较高的高温持久强度和蠕变极限。而含有热稳定好和强碳化物形成元素Cr、Mo、V 的铬钼钢， 可提高渗碳体的分解温度，阻止石墨化的发生，从而提高钢材高温持久强度极限和蠕变极限。 2 抗氧化性金属材料因吸收氢而导致塑性降低、性能恶化的现象称为氢损伤，也可以称为氢脆。酸洗、电解或腐蚀反应产生的氢，金属凝固后内部残存的氢，以及介质环境中的氢都可能被材料吸收而扩散至内部引起氢脆。氢损伤可以导致多种形式的材料失效，如氢鼓泡、氢致脆性开裂、高温氢腐蚀等。对于石化行业中的临氢容器，选用铬钼钢主要是为了防止高温氢腐蚀。 3.回火脆性这里所谈的回火脆性是指钢材长期在某一温度范围内操作而产生的冲击韧性下降（韧脆转变温度升高）现象。Cr-Mo 钢的回火脆性在370595的温度范围内， 接近这个温度范围的上限时，脆化速度高，接近这个温度下限时，脆化发缓慢。炼油工业中的加氢反应器等临氢压力容器就正好长期操作在这一温度范围内，这一现象引起人们极大的关注。脆化材料和非脆化材料的差别，仅表现在缺口冲击韧性和韧脆转变温度的不同，而拉伸性能无明显的差别。回火脆化的程度一般是靠韧脆转变温度的升高来表现的。回火脆化对上平台冲击功仅有轻微的影响。大量的试验表明， 在压力容器常用的Cr-Mo 钢中， 含Cr 量为2%3%的Cr-Mo 钢回火脆化倾向最严重。在P(磷)、Sb（锑）Sn（锡）As（砷）微量不纯元素含量高的情况下，脆化倾向特别显著，多量的Si 和Mn 对脆化具有促进作用。压力容器用钢材料(2)材料是构成设备的物质基础，决定压力容器安全性的内在因素是结构和材料性能，外在因素是载荷、时间和环境条件。因此选择合适的材料是压力容器质量保证的一个重要环节。为使压力容器在全寿命周期内安全可靠地运行，设计师不但要了解原材料性能，而且要了解制造工艺、使用环境和时间对材料性能的影响规律。一、我国钢材的生产现状近年来，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。我国铁矿资源的探明储量为400多亿吨，仅次于俄罗斯（1100亿吨），巴西（800亿吨），居世界第三位。但是富矿较少而贫矿居多。我国铁矿资源分布普遍，除上海、天津两市外，各省区均有一定的探明储量。从产区看，我国65以上都集中在鞍本、攀西、冀东北京、五台岚县、宁芜庐枞、鄂西和包白七大片。分布较广、相对集中是我国钢铁资源分布的简明概括。主要钢产品有：线材：线材主要用于建筑施工，部分用于生产拉丝。基本建设投资与线材的使用密切相关。1999年全国线材的消费量大约为25002600万吨。今后二、三年内，固定资产投资增长幅度不会提高，大大低于前些年的增长速度，一些城市房地产业尚有大量的商品房未能消化。我国线材产量虽然很大，品种结构也在不断改善，但仍有少量产品难以满足国内需求。如生产优质钢丝绳、钢帘线、高强度预应力钢丝、钢绞线、高级弹簧钢丝等产品的线材，国内产品在品种规格、质量性能等方面与制品加工要求存在较大的差距，需要通过进口满足。但这类线材进口量不大，全年预计在20万吨左右。小型材：小型材主要为螺纹钢、小型角钢等型钢品种。相当大的部分用于施工建设。其市场走势与线材相差不大。预计近几年内小型钢消费量在3100万吨左右，增长幅度不大。国内小型材生产能力较大，随着需求的增长，企业产量也会相应提高，不会出现供应紧张局面。由于国家开发西地区，近几年内基本建设开工项目增长较多，西部地区建筑用钢材需求将有较多增加。薄板：薄钢板是今后若干年内产需增长较快的钢材品种。薄板，特别是冷轨薄板、镀锌板等历来为国内生产不足的产品。有一些薄板，如食品罐头用材、小轿车用板、某些家用电器用板、不锈钢板等，对进口依赖程度较高，每年至少有400万吨属于非进口不可的产品。国际市场价格的走高，自然会带动这些产品价格的相应上扬。今后市场份额中，薄板需求会有明显增加。预计今后几年内，各类薄板的需求量将逐步上升到3000万吨水平以上。其中出口量增长较快。值当注意的是，近两年国内陆续有一批薄板项目竣工投产，国内产能增加较多。预计几年内薄板产量超过2500万吨，不足部分通过进口解决，不会出现全面性紧张局面。中厚钢板：中厚钢板主要用于机械行业，是机械、造船、容器、锅炉、军工等部门的重要材料。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。硅钢片：今后几年内国内钢材市场上热轧硅钢片将供大于求，价格上涨的可能性不大，而冷轧硅钢片将转热，价格会小幅上扬。据预测，若干年仙全国硅钢片消费量在180万吨左右，国内产量在170万吨左右，供需存在一定的缺口，大部分是冷轧硅钢片。焊管：目前我国拥有的焊管机近2000台，居世界首位。1999年实际产量450万吨左右。预计2000年焊管需求生产能力大大超过实际需要，特别是中小规格的焊管产能更是过剩。因此，中小规格的普通焊管近几年内都为供大于求。为了促进市场价格的回升，焊管必须实行持续限产，同时大量关停一些污染严重，质量低劣的小企业生产。钢铁工业作为我国国民经济的基础产业，得到了迅速发展。在经历了以数量扩张为主的发展时期后，钢铁工业已进入了加速结构调整、全面提高竞争力为主的阶段。希望我们能加快步伐，让我们的钢铁行业更加繁荣二、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，Ti，Nb可提高强度和韧性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。-1sn和疲劳极限sD，蠕变极限sb，持久极限（强度）ss，s强度判据：5，断面收缩率d塑性判据：延伸率韧性判据：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5应在1520%以上。 良好可焊性是一项重要指标d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Ceg表示，国际焊接学会推荐公式： 6155+V+Mo+CuCr+MnNi一般认为：Ceg+元素符号表示该元素在钢中的百分含量 Ceg=C0.6%可焊性差，我国对此尚无规定。三、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350650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（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。四、压力容器常用钢材（1）钢材形状从钢厂生产出的钢材包括：钢板、钢管、钢棒、钢丝、锻件、铸件等；压力容器使用的钢材主要是：板材，管材和锻件。a.钢板钢板卷焊制圆筒，冲压可制成封头。应具有性能：较高的强度及良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。b.钢管用于接管，换热管等；要求：较高的强度和塑性，良好焊接性能。c.锻件用作：高压容器的平、盖端部法兰，接管法兰。（2）钢材类型按化学成分分，可分为碳素钢、低合金钢、高合金钢。a.碳素钢含C量2.06%的铁碳含金，压力容器常用碳素钢有两类：一类：Q235系列、10，20钢管，20，35锻件一类：（专用钢板）20RR：表示压力容器专用钢板，主要对20钢的S.P等有害元素控制更加严格，表面质量要求更高。常用于常压，中低压压力容器。b.低合金钢合金元素较少（总量一般不超过3%）其强度、韧性，耐腐蚀性，尤其是屈服点比相同含C量的普通碳素钢要高，高温性能也较优。如16MnR中低压，多层高压，有缺陷时，易产生裂纹16MnDR，15MnNiDR，O9MnNiDR-40，-40，-7015CrMoR中温抗氢钢板，壁温(0.250.35)Tm Tm：金属材料的熔点 Tc：碳钢350 低合金钢400450第8/11页 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。防止：在奥氏体不锈钢中加入稳定化之素（Ti，V）或采用超低C不锈钢（OOCr18Ni9） 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 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。 2.应力腐蚀 Stress Corrosion第9/11页 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，H2S采用抗H2S的钢，如12Cr2MoAlV减少或消除残余应力，焊后消除应力热处理。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）加载速率用应力速率（Pa/s）或应变速率（S-1）表示。应变速率在10-410-1 S-1的范围材料力学性能无明显变化，应变速率在10-4 S-1以上，有显著影响。s随之增大而塑性和韧性下降，脆性断裂倾向增加。s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，使第10/11页 结 语应力分析是压力容器选材和确定结构尺寸的基础，但应力分析本身并不能提高其安全性。 决定压力容器安全性的内在因素是结构和材料性能，外在因素是载荷、时间和环境条件。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。影响材料性能的因素很多，合理选材更依赖于定性分析和经验积累，往往是压力容器设计的难点。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，从而使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。压力容器常用材料的基本知识1、压力容器用钢板选用时应考虑： 设计压力； 设计温度； 介质特性； 容器类别。2、从材料力学性能来说，升温等效于升压，降温将导致钢材的脆性增加。3、对同一种材料来说，随温度和板厚的增加，其许用应力则降低。因而当容器壳体的名义厚度处于钢板许用应力变化的临界值时，应考虑此问题。如处于16mm的Q235-B、Q235-C和16mm、36mm的Q345R都会发生许用应力跳档现象。4、钢材的强度和塑性指标可通过拉伸试验和冷弯试验（室温下进行）获得。5、 板材供货时薄板以热轧状态供货，厚板以正火状态供货（因强度和韧性下降）。6、压力容器用钢板当达到一定的厚度时，应在正火状态下使用，即使用正火板，如用于壳体厚度30mm的Q345R钢板必须要求正火状态下供货和使用。需注意：正火仅对板材而言，而非整体设备。（热轧板呈铁红色，正火板呈铁青色）。7、压力容器用钢与锅炉用钢类同，首先要保证足够的强度，还要有足够的塑性，质地均匀等。因此，必须选用杂质(S、P)和有害气体含量较低的碳素钢和低合金钢，均为镇静钢。且为保证受压元件材料的焊接性能,一般须控制材料的含碳量0.25%。材料的含碳量升高，则其冲击韧性下降，脆性转变温度升高，在焊接时容易产生裂纹。8、低合金钢的机械性能、耐腐蚀性、耐热性、耐磨性等均比碳素钢有所提高，其中最常用的是：Q345R。它不仅S、P含量控制较严，更重要的是要求保证足够的冲击韧性，在材料验收方面也比较严格。因此其使用压力不受限制，使用温度上限为475，下限为-20。板厚为3200mm。是应用很广的材料。9、Q345R(GB713-2008，代替原16MnR)的使用说明：、Q345R的适用范围是：使用压力不限、使用温度为-20475。、 Q345R用作压力容器壳体的板厚30mm时，则容器需焊后作退火热处理，热处理的温度为600650；若焊前预热至100，则板厚可提高至34mm。 、Q345R钢板一般是以热轧状态供货；当板厚30mm时，为保证塑性和韧性，一般采用正火板，且逐张钢板应超声波检测，级合格。、Q345R用作法兰、平盖、管板等厚度50mm时，应在正火状态下使用。 、Q345R属C-Mn钢，是屈服强度为350MPa级的普通低合金高强度钢，具有良好的低温冲击韧性。手工焊时，若为压力容器则一般采用碱性焊条（如J507），自动焊时，一般选用H08MnA或H10Mn2焊丝和HJ431焊剂。 、Q345R钢板的最小厚度是3mm，钢板厚度负偏差为0.3mm。10、Q235-B适用于： P1.6MPa、0350、壳体n20，非高度危害介质。11、Q235-C适用于： P2.5MPa、0400、壳体n30。12、奥氏体不锈钢可用于：使用压力不限、使用温度为-196700。使用的介质条件为： 介质腐蚀性较强； 防铁离子污染； T500的耐热钢或T-100的低温用钢。13、奥氏体不锈钢既是耐酸钢，又是耐热钢。从耐腐蚀性能来说，需降低含碳量；从耐高温性能来说，需适当提高含碳量。14、为防止奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀，一般采用降低不锈钢的含碳量，可采用00Cr或0Cr,而不采用1Cr。（含碳量低，晶间不会发生贫Cr现象）15、奥氏体不锈钢在高温条件下使用时（525），钢中含碳量应不小于0.04%，（即采用1Cr或0Cr,而不采用00Cr）。因为使用温度高于525时，钢中含碳量太低，强度和抗氧化性会显著下降，因此超低碳不锈钢和双相不锈钢都不可用作耐热钢。16、奥氏体不锈钢的焊接接头一般均采用射线进行检测，而不采用超声波检测。17、奥氏体不锈钢制压力容器一般不需进行焊后消除应力的热处理。18、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。在许多介质中有很高的耐蚀性，其中铬是抗氧化性和耐蚀性的基本元素。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0.03C0.08%为低碳级不锈钢，钢号前以“O”表示。含碳量0.03%为超低碳级不锈钢，钢号前以“00”表示。19、在不锈钢焊接过程中，其焊缝热影响区产生晶间腐蚀的倾向很大，因此不锈 钢件焊接时，要求各连接件同时达到熔点。这对等厚板容易保证，而当两连接件相差较多时，就要注意将厚板削薄。不锈钢的导热系数是碳钢的1/31/4，而线膨胀系数却是碳钢的1.5倍。因此，在焊接时必须注意，否则会引起很大的残余应力和变形。20、奥氏体不锈钢在427870范围内缓慢冷却时，在晶界上有高铬的碳化物Cr23C6析出，造成碳化物邻近部分贫铬，引起晶间腐蚀倾向，这一温度范围称为敏化范围。21、可能引起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、铬酸、乳酸、硝酸（常温稀硝酸除外）、草酸、磷酸、盐酸、硫酸、亚硫酸、尿素反应介质等。对于以防止铁离子污染为目的的奥氏体不锈钢设备，则不需要进行晶间腐蚀倾向性试验。防止措施：固溶化处理；降低钢中的含碳量；添加稳定碳化物的元素。第2/4页 22、应力腐蚀：是指金属在应力（拉应力）和腐蚀介质的共同作用下（并有一定的温度条件）所引起的脆性开裂。可产生应力腐蚀破坏的环境组合主要有： 碳钢及低合金钢：碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等； 奥氏体不锈钢：氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等；含钼奥氏体不锈钢：碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜的水溶液等； 黄铜：氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等；防止措施：焊后消除应力热处理。23、氢在常温常压下不会对铁碳合金引起氢腐蚀。当温度在200300时会发生“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。因此，使用温度220，可不考虑氢腐蚀，而设计温度200与氢气相接触的压力容器用钢应按纳尔逊曲线选材，并应留有20以上的温度安全裕度，满足于曲线的碳素钢和低合金钢在氢气中使用须焊后消除应力热处理。当压力很高（30MPa）时，也可直接采用中温抗氢钢，如15CrMoR、14Cr1MoR等。奥氏体不锈钢在氢气中使用是满意的，焊后无需进行消除应力热处理。24、所需不锈钢钢板厚度12mm时，尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式。25、低温（设计温度T-20）情况下，塑性金属材料会产生脆性破坏，目前各国标准规范均以夏比V型缺口冲击试验来检验材料对脆性破坏的敏感性。26、脆性转变温度指：具有体心立方结构的金属都有冷脆性。随着温度的降低，冲击韧性会有明显的降低，钢材由韧性状态转变为脆性状态。这一转变温度称为脆性转变温度，单位为。而面心立方金属，如奥氏体不锈钢，则无脆性转变温度。一般压力容器用钢的脆性转变温度大约在-20以下。27、碳素钢和低合金钢的冲击功应20J。工程中一般规定夏比V型缺口冲击吸收功降至20J所对应的温度作为该材料的脆性转变温度。28、低温用钢的性能主要指标是低温韧性，包括低温冲击韧性和脆性转变温度。29、低温用钢的低温冲击韧性越高，即脆性转变温度越低，则其低温韧性越好。30、压力容器的破坏通常是由于内压产生的机械应力达到容器材料的强度极限而发生的。但是，当温度降低到某一范围后，容器壁内的应力在没有达到屈服限，甚至低于许用应力的情况下也会发生破坏。相同的材料，相同规格的容器温度愈低，容器的爆破压力也愈低。这种现