第三章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响.doc

个人收集整理 勿做商业用途第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响Pressure Vessel Materials and Properties Effected by Environment and Time选择合适的材料是压力容器质量保证经济的一个重要环节。设计者要正确选择材料还应对材料的冶炼供货状态，力学性能，使用中的劣化等有全面的了解.3.1压力容器材料 Pressure Vessel Materials3.1.1压力容器常用钢材：Pressure vessel steels（1）钢材形状 shape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 type按化学成分分,可分为碳素钢、低合金钢、高合金钢。a.碳素钢 carbon steel含C量400450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。3.3。2介质 Medium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（T，V）或采用超低C不锈钢（OOCr18N9）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(bodycentered 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。3.3加载速率 Loading rate用应力速率(Pa/s）或应变速率（S1）表示。应变速率在10410-1 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。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s随之增大而塑性和韧性下降，脆性断裂倾向增加.3。4压力容器材料选择 Selection of pressure vessel materials制造压力容器用的材料多种多样，有黑色金属，有色金属,非金属材料及复合材料等。 使用最多的还是钢材。3。4.1压力容器用钢的基本要求:Basic Requirement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 chemical composition含C量0.25 ,C含量高，使强度增加,可焊性变差，加入V,T,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(2）力学性能 mechanical properties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。强度判据：s,b，持久极限（强度）D，蠕变极限n和疲劳极限1塑性判据：延伸率5，断面收缩率韧性判据：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 manufacture process制造中冷加工，要求钢材有良好冷加工成型性能和塑性,延伸率应在1520以上。良好可焊性是一项重要指标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，常用碳当量表示，国际焊接学会推荐公式：=元素符号表示该元素在钢中的百分含量一般认为：0。4可焊性优良,0.6%可焊性差，我国对此尚无规定。3.4.2压力容器钢材的选择 Selection of steel for pressure vessels 选择压力容器材料应综合考虑的下几方面（1）压力容器的使用条件 application conditions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 design temperatureQ235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 design pressure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 medium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(100）的耐热或低温用钢.（2）零件的功能和制造工艺function and manufacture of components功能：筒体，封头承压空间与介质接触选择与介质相容的承压钢板。支座:不承压，不接触介质，除与容器接触垫板外，可选用普通碳素钢，制造工艺：从保证制造质量,方便制造,选材料。沸腾钢(Q235A。F）搪玻璃效果比镇静钢（Q235A）好.（3）材料的使用经验 operation experience 对已有成功使用经验，要清楚其化学成分的控制要求，载荷作用下应力状态；操作规程和最长使用时间。对不成功的，根据失效原因，采取相应的措施。(4)材料价格 material price 相同规格的价格，不锈钢低合金钢碳素钢。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 code and standard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.