压力容器用钢

压力容器用钢

SteelForPressureVessels第一讲

压力容器的用途极广，工作条件也千差万别，因此在设计中正确地选材是一件复杂而又重要的工作。很多压力容器事故的重要原因之一就是选材不当。例如，采用焊接性差的钢材焊制压力容器时，易在焊接接头中产生裂缝；有些镍铬不锈钢的容器，常因钢号或成分选用不当在使用中发生晶间腐蚀、应力腐蚀等形式的破坏；选用铁素体钢制造低温容器时，如钢的转变温度高于其工作温度，则会发生脆性破坏。所以，在设计时正确地选用材料，是确保压力容器长周期安全运行的重要环节之一。前言1.1压力容器用钢的选用1.2压力容器用钢的使用范围1.3常用钢材焊接材料的选用主要内容

对容器设计者来说，充分了解各种钢材的性能及其影响因素，掌握压力容器用钢的分类与一般要求是十分必要的。1.1压力容器用钢的选用1.材料的性能⑴力学性能在一定温度条件和外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和韧性等。①强度

是指材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。常用的强度指标有屈服强度

σs或σ0.2和抗拉强度σb，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD，材料的许用应力都是根据这些数值决定的。②塑性

是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标主要有伸长率δ、断面收缩率φ等。用塑性好的材料制造容器，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。③韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak表示。Ak或ak除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ak对材料的脆性转化十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。另外，表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。④硬度

是衡量材料软硬程度的指标。试验方法不同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、维氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。

材料力学性能的各因素之间是相互联系又相互制约的。有些材料强度虽高，但它的伸长率及冲击韧性却很低。因此，选材时不能只看其单一的性能指标，而应对材料力学性能的诸因素作全面分析。⑵物理性能

在容器设计中，应注意材料的物理性能。例如，在计算温差应力时，就要用到材料的线胀系数α；在设计换热器及计算容器外壳热损失时，还要用到材料的热导率λ等。因此不同的场合，对材料物理性能有不同的要求。常用钢材的物理性能见表1-1。表1-1常用钢材的物理性能⑶耐腐蚀性能化工厂中常处理有腐蚀性的介质，故设计化工容器时，在很多场合下，耐腐蚀性对材料的选择起决定性的作用。材料的耐蚀程度会影响设备使用寿命。因此，考虑材料的耐蚀性是化工容器材料选择中的一个重要问题。材料的腐蚀速度在工程上常用Ka(mm／a)来表示，材料腐蚀速度在1mm／a以下的，可认为能用于化工容器。有关材料的耐蚀性可在材料腐蚀和防腐手册中查得。⑷制造工艺性能材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性及研磨、冲压性能、热处理性能等。对化工容器用钢来说，焊接性能和压力加工性能就显得更为重要。①可焊性是指金属在一定的焊接工艺下能否获得优良焊接接头的性能。通常以金属在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价可焊性的指标。钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成，其中影响最大的是碳，即其含碳量的多少决定其可焊性。其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。所以常把钢中含碳量的多少作为判别钢材可焊性的主要标志。一般含碳量小于0.25％的碳钢和低合金钢都具有良好的可焊性。②冷加工性能材料成型的主要方法是滚卷与冲压。材料中的夹渣、气孔等缺陷易在加工过程中形成裂纹或微裂纹。材料的冷作硬化会降低塑性，且在受热时会出现结晶粗化，降低强度。一般材料的残余变形超过3％时，需经退火处理。2.影响材料性能的因素⑴冶炼方法炼钢过程是把生铁中含有的大量有害杂质元素在氧化反应作用下转变成氧化物进入炉气和炉渣中排除来生产较纯净钢的过程，所以炼钢过程也是氧化过程。根据冶炼方法和使用设备不同，可分平炉钢、转炉钢和电炉钢。按炼钢炉炉衬不同，还可分为酸性钢和碱性钢。根据钢锭型式和脱氧情况，又可分镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。影响材料性能的因素主要有冶炼方法、合金元素、制造工艺、操作温度、介质的腐蚀性等。目前，压力容器主要用碱性平炉钢和碱性电炉钢。由于碱性炉熔炼去磷能力很好，因此厚钢板一般都采用这种方法冶炼，使钢中磷含量降至最低。另外，电炉操作时可以倾倒放渣，不断地调整炉渣量，使易氧化的元素如铬和锰等具有较高的回收率，可以获得硫化物和氧化物夹杂很低的高纯净钢。

对于压力容器设计者来说，充分了解各种钢材的性能(物理性能、力学性能等)及影响材料性能的各种因素，掌握压力容器用钢的分类与一般要求是十分必要的。1.1压力容器用钢的选用1.压力容器用钢的分类容器用钢分类碳素钢（C≤0.25％）低合金钢低温压力容器用钢不锈钢和调质钢不锈钢和调质钢在选择压力容器用钢时，必须根据容器的工作条件（如壁温、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及是否易燃、易爆、有毒等）选择具有合适力学性能、物理性能和耐腐蚀性能的材料，所选用的材料还必须考虑加工工艺的影响（可焊性等），并考虑其经济合理性及来源等情况。⑴机械性能：足够的强度(σs、σb)、良好的韧性(Akv)和塑性(δ5)、足够的断裂韧性(KⅠc/δc)、低的脆性转变温度和无塑性转变温度(NDT)。

⑵物理性能：耐高温、耐低温和耐腐蚀性。⑶制造工艺性能：良好的塑性(δ5)、可焊性(碳当量Ceq、焊接冷裂纹敏感性指数Pcm、焊接接头硬度)。2.压力容器用钢的一般要求⑴机械性能：足够的强度(σs、σb)、良好的韧性(Akv)和塑性(δ5)、足够的断裂韧性(KⅠc/δc)、低的脆性转变温度和无塑性转变温度(NDT)。

⑵物理性能：耐高温、耐低温和耐腐蚀性。⑶制造工艺性能：良好的塑性(δ5)、可焊性(碳当量Ceq、焊接冷裂纹敏感性指数Pcm、焊接接头硬度)。3.压力容器用钢的一般要求

1．符合现行规范的规定和有关标准的要求

三、压力容器用钢的选择原则

2．经济合理

一般情况下，按以下原则选材是经济合理的：①所需钢板厚度＜

8mm时，在碳素钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳素钢(多层容器用材除外)。②在刚度或结构设计为主的场合应尽量选用碳素钢。在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、Q235C、20R、16MnR等钢。容器用钢应根据容器的设计压力、设计温度、介质特性及容器的构造等因素，按以下原则选用：容器用钢应符合GB150的规定。具体钢号的使用温度上限是表4-1~7中相应[σ]的最高温度，下限见表4-2,4,6,10。③所需不锈钢厚度＞12mm时，应尽量采用衬里、复合或堆焊等结构形式。④不锈钢应尽量不用作设计温度≤500℃的耐热用钢。⑤珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度≤350℃的耐热用钢。在必须使用珠光体耐热钢作耐热或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种、规格。⑥材料的来源充分。

3．充分发挥材料的特长①碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压、低压容器，壁厚不大的中压容器，锻件、承压钢管、非受压元件，以及其它由刚性或结构因素决定壁厚的场合。②低合金高强度钢用于介质腐蚀性不强、壁厚较大（不小于8mm）的受压容器。

4．标准零部件（设备法兰、管法兰、管件、人手孔、液面计等）的钢材符合有关零部件的国家标准、行业标准对钢材的技术要求③珠光体耐热钢用作抗高温氢、硫化氢腐蚀或设计温度在350～650℃的耐热钢。在高温临氢工况下，应根据介质的氢分压(设计压力×氢的体积百分数)和设计温度查纳尔逊曲线查出适于该工况的钢号。纳尔逊曲线见HG20581中图6-1。④不锈钢用于介质腐蚀性(电化学腐蚀、化学腐蚀)较高、防铁离子污染、设计温度＞500℃高温用钢或设计温度＜－100℃的低温用钢。⑤碳含量大于0.03％的不含稳定化合金元素的奥氏体不锈钢需经焊接或400℃以上热加工时，不应使用于可能引起不锈钢晶间腐蚀的环境。⑸价格与来源设备的成本很大一部分决定于材料的价格。因此，在选用材料时，应了解它们的价格。若将碳素钢板Q235-A的价格定为1，其余的板材相对价格大致有如下关系，16MnR为1.4、20R为1.8、铬钢(1Cr13，2Cr13)为5.1、高合金钢0Cr18Ni10为14.1。分析材料的经济性不能仅看其价格，同时要看国家的资源情况。应多用普通易取的材料，少用昂贵稀缺的材料；多用国产材料，少用或不用进口材料。1.

碳素钢钢板的使用范围四、压力容器用钢板的使用范围2.

低合金钢钢板的使用范围3.

低温低合金钢板的使用范围

GB3531-1996《低温压力容器用低合金钢板》原有4个钢号，02年修改单取消09Mn2VDR，现仅有3个钢号，其使用范围如下：钢号钢板标准使用状态厚度(mm)使用温度(℃)钢材保证项目16MnDRGB3531正火6~36＞36~100－40~350－30~350V型低温冲击试验超声波探伤15MnNiDRGB3531正火正火﹢回火6~60－45~10009MnNiDRGB3531正火正火﹢回火6~60－70~3504.

高合金钢钢板的使用范围5.

钢板厚度负偏差①GB3274、GB912、GB3237标准中的钢板，如Q235、0CR13、0Cr18Ni9等，其厚度负偏差按下表选取：②

GB6654、GB3531标准中的钢板，如20R、16MnR、16MnDR等，其厚度负偏差一律为0.25mm。6.

不锈复合钢板的使用范围①

复合钢板的分类及代号②

厚度复层厚度0.5~14mm，通常为2～3mm，也可由供需双方商定；基层最小厚度：复合钢板总厚度大于8mm时，基层最小厚度为6mm。厚度允许偏差③复层、基层材料标准④复合钢板力学性能注：复合钢板的屈服点下限值或抗拉强度下限值可按下式计算：

——复层钢板屈服点下限值或抗拉强度下限值，MPa；

——基层钢板屈服点下限值或抗拉强度下限值，MPa；

——复层钢板的厚度，mm；

——基层钢板的厚度，mm。五、压力容器用钢管的使用范围1.

碳素钢与低合金钢钢管2.

高合金钢钢管3.

钢管的检验项目可见：除GB/T14976、GB13296高合金钢无缝钢管外，GB/T8163钢管只要求进行流体输送用钢管的一般试验，而GB5310、GB6479、GB9948三种钢管，还要求进行冲击试验。因此GB/T8163钢管的检验要求不如后三种严格。4.

钢管的制造质量

除GB/T14976、GB13296不锈无缝钢管外，从制造质量角度来讲：GB/T8163钢管多采用平炉或转炉冶炼，其杂质成分和内部缺陷相对较多。GB9948钢管多采用电炉冶炼。在一些无缝钢管生产大厂，为了保证它在苛刻条件下的使用质量，均超标准加入了炉外精炼工艺，因此其杂质成分和内部缺陷相对较少。GB6479和GB5310标准本身就规定了进行炉外精炼的要求，故其杂质成分和内部缺陷最少，材料质量最高。上述几个钢管标准的制造质量等级从低到高的顺序依次是

GB/T8163＜GB9948＜GB5310＜GB64795.

钢管的选用(GB/T14976、GB13296无缝钢管除外)GB5310标准是专门为高压锅炉用钢管而设置的标准。一般情况下，GB／T8163标准的钢管适用于设计温度小于350℃、压力低于10.0MPa的油品、油气和公用介质。对于油品、油气介质，当其设计温度超过350℃或设计压力大于10.0MPa时，宜选用GB9948或GB6479标准的钢管。对于临氢作业管道或在有应力腐蚀倾向环境中工作的管道，也宜使用GB9948或GB6479标准。因为临氢操作或者有应力腐蚀环境存在时，会因内部缺陷对介质有破坏敏感作用而导致管子使用寿命下降，甚至过早破坏。低温(＜－20℃)使用的碳素钢钢管应采用GB6479标准，因为只有它规定了能满足对材料低温冲击韧性的要求。6.

无缝钢管直径与壁厚偏差(续)(续)六、压力容器用锻件的使用范围1.

压力容器用碳素钢低合金钢锻件（JB4726－2000）(续)2.

低温压力容器用低合金钢锻件（JB4727－2000）3.

压力容器用不锈钢锻件（JB4728－2000）(不推荐