压力容器材料及环境对压力容器用钢性能的影响-过设讨论课作业一课件

压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器材料及环境和时间对其性能的影响1压力容器材料1压力容器制造工艺对钢材性能的影响2环境对压力容器用刚性能的影响3压力容器材料最新进展4压力容器材料1压力容器制造工艺对钢材性能的影响2环境对压力容2压力容器材料除了个别的一些低压容器用于特殊需要可以采用如混凝土、无碱玻璃纤维等非金属材料外，绝大多数容器都用金属材料，而且多是钢材，即碳钢和合金钢压力容器材料除了个别的一些低压容器用于特殊需要可以采用如混凝3压力容器常用钢材压力容器常用钢材4钢材分类钢板最常用材料具有良好的加工工艺性能钢管接管、换热管等常用无缝钢管制造直径较小的压力容器可用无缝钢管作为筒体锻件高压容器的平盖、端部法兰、中（低）压设备法兰、接管法兰等常用钢材分类钢板最常用材料具有良好的加工工艺性能钢管接管、换5钢材类型碳素钢C（0.02%-2.11%）低合金钢Q345R

15CrMoR16MnDR……16Mn09MnD20MnMo16MnD09MnNiD高合金钢铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢1.碳素结构钢2.优质碳素结构钢3.压力容器专用钢板钢材类型碳素钢C（0.02%-2.11%）低合金钢Q345R6有色金属和非金属有色金属1.铜和铜合金2.铝和铝合金3.镍和镍合金4.钛和钛合金有色金属和非金属有色金属7非金属材料

1.涂料2.工程塑料3.不透性石墨4.陶瓷5.搪瓷非金属材料

1.涂料8环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（2）应力腐蚀开裂（3）辐射损伤（1）短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响（2）高温、长期静载荷条件下钢材性能（3）高温下材料性能的劣化温度介质加载速率环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（1）短期静载9温度影响短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响温度影响短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响10温度影响一、短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响低温变脆现象：当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度通常被称为韧脆性转变温度或无延性转变温度。注意：体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢，都会产生明显的低温变脆现象；

面心立方晶格的金属如铜铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有较高的韧性。温度影响一、短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响低温变脆现11温度影响二、高温、长期静载荷条件下钢材性能蠕变：金属在长时间的高温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。

结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。只有当温度达到一定程度时才会出现蠕变现象。碳素钢超过300到350度，低合金钢超过400度，铬钼低合金钢超过450度，高合金钢超过550度。1.蠕变曲线三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变注意：同一材料在给定温度不同应力或给定应力不同温度下的蠕变曲线形状并不相同。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；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。温度影响二、高温、长期静载荷条件下钢材性能蠕变：金属在长时间12温度影响蠕变极限与持久强度蠕变极限：1.高温长期载荷作用下材料对变形的抗力2.R设计温度下经10万小时工作或试验后产生1%变形时的应力平均值tn持久强度：1.给定温度下使材料经过规定时间发生断裂的应力值，是材料在高温长期负荷作用下抵抗断裂的能力。2.R设计温度下经过10万小时工作试验后不发生断裂的最大应力平均值。tD应力松弛：构件在高温长期应力作用下，总变形不变，应力随时间增加而自发的逐渐降低现象。温度影响蠕变极限与持久强度蠕变极限：tn持久强度：tD应力松13温度影响高温下材料性能的劣化1.珠光体球化：（1）含义：正常的珠光体组织是片状渗碳体均匀地分布在铁素体基体上，当温度较高时，片状渗碳体会逐渐聚集成球状（2）结果：材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久强度下降（3）措施：可采用热处理的方法使之恢复原来的组织2.石墨化：（1）含义：钢在高温长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象（2）结果：钢材发生脆化，强度和塑形降低，冲击韧性降低得更多（3）措施：改变材质；降低容器的设计使用寿命；适当提高容器的壳体厚度和降低受压元件应力水平等3.回火脆化：（1）Cr-Mo钢在脆化温度区间（300-600度）持续停留后出现的材料及焊接接头常温冲击功显著下降或韧脆转变温度升高现象。4.氢腐蚀和氢脆温度影响高温下材料性能的劣化1.珠光体球化：14温度影响氢腐蚀和氢脆1.氢腐蚀：（1）高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应（2）两个阶段：一是氢与钢材表面的碳化合生成甲烷，引起钢材表面脱碳，使力学性能恶化。

二是氢渗透到钢材内部，与固溶碳或碳化物反应生成甲烷。甲烷不能扩散出去，聚集在晶界上，形成压力很高的气泡，造成钢材内部脱碳和微裂纹。（3）影响因素：温度、氢分压、时间、合金成分、应力等。一般情况下，碳素钢在200度以上的高压氢环境中有可能发生氢腐蚀。2.氢脆：（1）钢因吸收氢而导致韧性下降的现象（2）氢同时有内部和外部两个来源温度影响氢腐蚀和氢脆1.氢腐蚀：15环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（2）应力腐蚀开裂（3）辐射损伤（1）短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响（2）高温、长期静载荷条件下钢材性能（3）高温下材料性能的劣化温度介质加载速率环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（1）短期静载16介质影响介质影响17压力容器材料新进展——纳米材料压力容器材料新进展18高气体阻隔石墨／环氧纳米复合材料一、背景

复合材料压力容器采用无内衬设计，可以实现减重，有效提高结构效率，但是同时也带来了气体渗漏问题。二、采用的方法

在树脂基体中掺杂纳米材料并进行取向控制以提高无内衬复合材料压力容器抗渗漏性能。分散在树脂基体中的纳米材料一方面起到气体阻隔的作用，使得小分子气体在基体中的扩散运动必须绕过这些纳米材料，延长了扩散路径；另一方面，纳米材料能够有效抑制树脂基体中大分子侧链的运动，减少自由体积微孔的产生，使得小分子气体的扩散需要更高的能量。三、相关进展1.国内外相关学者先后对环氧／凹凸棒土纳米复合材料、尼龙(PA6)／蒙脱土纳米复合材料、PET／蒙脱土纳米复合材料等的气体阻隔性能开展了大量的研究工作。结果表明，层状硅酸盐纳米复合材料对小分子气体如Oz、H。O、He、CO2等均具有一定的阻隔性能。但是，在高含量条件下，层状硅酸盐纳米材料极易团聚，从而导致纳米材料的随机排列，影响了气体阻隔性能。2.近年来，以碳纳米管、纳米石墨片和石墨烯为代的新一代纳米材料受到了广泛关注，成为替代层状硅酸盐纳米材料制备高气体阻隔复合材料的理想材料。研究表明：在聚苯乙烯(PS)膜中填充较低含量的石墨烯，可获得较好的氧气气体阻隔性能，抗渗漏性能显著优于聚合物／黏土复合材料。高气体阻隔石墨／环氧纳米复合材料一、背景19钢表面纳米化及退火处理对其流动加速腐蚀性能的研究

一、背景

含硫介质流动加速腐蚀引起设备失效的问题广泛存在于催化裂化装置、加氢裂化装置等冷却器及相连的管道中，特别是对管线的弯头、三通及导径管和换热器管束的破坏较为严重。二、解决方法

在金属材料表面制备一层具有纳米晶体结构的表面层，并配以合理的热处理，可以提高金属材料的力学性能、物理化学性能及抗腐蚀性能。三、相关进展1.相关学者用磁控溅射和超声喷丸技术分别对低碳钢、309不锈钢、1Cr18Ni9Ti及Fe-20Cr合金进行表面纳米化，研究了纳米化后材料抗氯离子腐蚀性能及钝化膜的特性，并首次提用AFM方法研究了点蚀的发生与扩展过程。2.部分发现：在1Cr18Ni9Ti不锈钢表面高能喷丸获得厚度18纳米的纳米改性层，明显改善了其在3.5%氯化钠溶液中的动电位极化特性。纳米化后316L不锈钢的耐蚀能力下降，点蚀速率增加，但经表面退火处理后下降的抗点蚀性能重新恢复且随退火温度的升高和时间的延长，材料的抗点蚀性能恢复的更好。钢表面纳米化及退火处理对其流动加速腐蚀性能的研究

一、背景20ThankYou!ThankYou!21压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器材料及环境和时间对其性能的影响22压力容器材料1压力容器制造工艺对钢材性能的影响2环境对压力容器用刚性能的影响3压力容器材料最新进展4压力容器材料1压力容器制造工艺对钢材性能的影响2环境对压力容23压力容器材料除了个别的一些低压容器用于特殊需要可以采用如混凝土、无碱玻璃纤维等非金属材料外，绝大多数容器都用金属材料，而且多是钢材，即碳钢和合金钢压力容器材料除了个别的一些低压容器用于特殊需要可以采用如混凝24压力容器常用钢材压力容器常用钢材25钢材分类钢板最常用材料具有良好的加工工艺性能钢管接管、换热管等常用无缝钢管制造直径较小的压力容器可用无缝钢管作为筒体锻件高压容器的平盖、端部法兰、中（低）压设备法兰、接管法兰等常用钢材分类钢板最常用材料具有良好的加工工艺性能钢管接管、换26钢材类型碳素钢C（0.02%-2.11%）低合金钢Q345R

15CrMoR16MnDR……16Mn09MnD20MnMo16MnD09MnNiD高合金钢铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢1.碳素结构钢2.优质碳素结构钢3.压力容器专用钢板钢材类型碳素钢C（0.02%-2.11%）低合金钢Q345R27有色金属和非金属有色金属1.铜和铜合金2.铝和铝合金3.镍和镍合金4.钛和钛合金有色金属和非金属有色金属28非金属材料

1.涂料2.工程塑料3.不透性石墨4.陶瓷5.搪瓷非金属材料

1.涂料29环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（2）应力腐蚀开裂（3）辐射损伤（1）短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响（2）高温、长期静载荷条件下钢材性能（3）高温下材料性能的劣化温度介质加载速率环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（1）短期静载30温度影响短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响温度影响短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响31温度影响一、短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响低温变脆现象：当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度通常被称为韧脆性转变温度或无延性转变温度。注意：体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢，都会产生明显的低温变脆现象；

面心立方晶格的金属如铜铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有较高的韧性。温度影响一、短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响低温变脆现32温度影响二、高温、长期静载荷条件下钢材性能蠕变：金属在长时间的高温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。

结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。只有当温度达到一定程度时才会出现蠕变现象。碳素钢超过300到350度，低合金钢超过400度，铬钼低合金钢超过450度，高合金钢超过550度。1.蠕变曲线三个阶段：减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变注意：同一材料在给定温度不同应力或给定应力不同温度下的蠕变曲线形状并不相同。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；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。温度影响二、高温、长期静载荷条件下钢材性能蠕变：金属在长时间33温度影响蠕变极限与持久强度蠕变极限：1.高温长期载荷作用下材料对变形的抗力2.R设计温度下经10万小时工作或试验后产生1%变形时的应力平均值tn持久强度：1.给定温度下使材料经过规定时间发生断裂的应力值，是材料在高温长期负荷作用下抵抗断裂的能力。2.R设计温度下经过10万小时工作试验后不发生断裂的最大应力平均值。tD应力松弛：构件在高温长期应力作用下，总变形不变，应力随时间增加而自发的逐渐降低现象。温度影响蠕变极限与持久强度蠕变极限：tn持久强度：tD应力松34温度影响高温下材料性能的劣化1.珠光体球化：（1）含义：正常的珠光体组织是片状渗碳体均匀地分布在铁素体基体上，当温度较高时，片状渗碳体会逐渐聚集成球状（2）结果：材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久强度下降（3）措施：可采用热处理的方法使之恢复原来的组织2.石墨化：（1）含义：钢在高温长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象（2）结果：钢材发生脆化，强度和塑形降低，冲击韧性降低得更多（3）措施：改变材质；降低容器的设计使用寿命；适当提高容器的壳体厚度和降低受压元件应力水平等3.回火脆化：（1）Cr-Mo钢在脆化温度区间（300-600度）持续停留后出现的材料及焊接接头常温冲击功显著下降或韧脆转变温度升高现象。4.氢腐蚀和氢脆温度影响高温下材料性能的劣化1.珠光体球化：35温度影响氢腐蚀和氢脆1.氢腐蚀：（1）高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应（2）两个阶段：一是氢与钢材表面的碳化合生成甲烷，引起钢材表面脱碳，使力学性能恶化。

二是氢渗透到钢材内部，与固溶碳或碳化物反应生成甲烷。甲烷不能扩散出去，聚集在晶界上，形成压力很高的气泡，造成钢材内部脱碳和微裂纹。（3）影响因素：温度、氢分压、时间、合金成分、应力等。一般情况下，碳素钢在200度以上的高压氢环境中有可能发生氢腐蚀。2.氢脆：（1）钢因吸收氢而导致韧性下降的现象（2）氢同时有内部和外部两个来源温度影响氢腐蚀和氢脆1.氢腐蚀：36环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（2）应力腐蚀开裂（3）辐射损伤（1）短期静载条件下温度对钢材力学性能的影响（2）高温、长期静载荷条件下钢材性能（3）高温下材料性能的劣化温度介质加载速率环境对压力容器用钢性能的影响（1）腐蚀（1）短期静载37介质影响介质影响38压力容器材料新进展——纳米材料压力容器材料新进展39高气体阻隔石墨／环氧纳米复合材料一、背景

复合材料压力容器采用无内衬设计，可以实现减重，有效提高结构效率，但是同时也带来了气体渗漏问题。二、采用的方法

在树脂基体中掺杂纳米材料并进行取向控制以提高无内衬复合材料压力容器抗渗漏性能。分散在树脂基体中的纳米材料一方面起到气体阻隔的作用，使得小分子气体在基体中的扩散运动必须绕过这些纳米材料，延长了扩散路径；另一方面，纳米材料能够有效抑制树脂基体中大分子侧链的运动，减少自由体积微孔的产生，使得小分子气体的扩散需要更高的能量。三、相关进展1.国内外相关学者先后对环氧／凹凸棒土纳米复合材料、尼龙(PA6)／蒙脱土纳米复合材料、PET／蒙脱土纳米复合材料等的气体阻隔性能开展了大量的研究工作。结果表明，层状硅酸盐纳米复合材料对小分子气体如Oz、H。O、He、