1、第三章 压力容器材料以及环境和时间对其性能的影响,MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS,过程设备设计,压力容器设计,正确的应力分析和强度计算,合理的材料选择,时间效应、环境作用,（充分考虑）,教学重点： 压力容器常用钢材。 教学难点： 高合金钢。,3.1 压力容器材料,过程设备设计,过程设备设计,3.1.1 压力容器常用钢材,一、钢材形状,钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件等。压力容器用钢主要是板、管材和锻件,（1）钢板,壳体
2、、封头、板状构件等,下料、卷板、焊接、热处理,较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能,主要用途,加工要求,性能要求,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,（2）钢管,接管、换热管等,无缝钢管,下料、焊接、热处理,较高的强度、塑性和良好的焊接性能,主要用途,主要来源,加工要求,性能要求,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,二、钢材类型,碳素钢,低合金钢,高合金钢,按化学成分分类,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,1. 碳素钢,含碳
3、量小于2.06的铁碳合金。并含少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。,碳素钢,碳素结构钢,压力容器专用钢板,Q235系列钢板；,Q245R（原20R,20g）20G、Q345R,3.1.1 压力容器常用钢材,R-压力容器专用钢板,3.1.1 压力容器常用钢材,优质碳素结构钢,10、20钢钢管； 20、35钢锻件。,G-高压无缝钢管,Q245R的特点和应用场合,强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。,过程设备设计,2. 低合金钢,是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超 过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐 腐蚀性、低温和高温性
4、能等均优于相同含碳量的碳素钢。,特点及优点,采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量， 节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运 输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,Q345R(16MnR)、15CrMoR、Q345DR(16MnDR)、15MnNiDR、09MnNiDR,压力容器常用低合金钢：,16Mn、09MnD；,16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr1MoV。,钢板,钢管,锻件,3.1.1 压力容器常用钢材,D-低温用钢,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,应用介绍
5、,1. Q345R (16MnR),屈服点 为340MPa 级的压力容器专用钢板,我国压力容器行业使用量最大的钢板,具有良好的综合力学性能、制造工艺性能,主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,应用介绍,2. Q345DR(16MnDR)、15MnNiDR、 09MnNiDR,低温压力容器用钢，工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板,Q345DR,可用于-40 的钢种,液氨储罐等设备,（降低碳含量，并加镍和微量钒）,15MnNiDR,提高了低温韧性,-40 级低温球形容器,09MnNiDR,-70 级低温压力容器用钢
6、,用于制造液丙烯（-47.7 ）、液硫化氢（-61 ）等设备,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,应用介绍,3. 15CrMoR,低合金珠光体热强钢,中温抗氢钢板,用于制造壁温不超过560 的压力容器,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,应用介绍,4、20MnMo、 09MnNiD,20MnMo,常制造使用温度为-40470 的重要大中型锻件,良好的热加工和焊接工艺性能,09MnNiD,良好的低温韧性,常制造使用温度为-60-45 的低温容器,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,3
7、、高合金钢,压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是:耐腐蚀、耐高温钢,铬钢,铬镍钢,铬镍钼钢,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,（1）铬钢,但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀,0Cr13,是常用的铁素体不锈钢,有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能,在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,（2）铬镍钢,0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10三种钢均属于奥氏体不锈钢。,但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液
8、中易发生应力腐蚀开裂。,具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温度范围内长期使用。,为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。,0Cr18Ni9,在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳,0Cr18Ni10Ti,00Cr19Ni10,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,（3）铬镍钼钢,耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。,00Cr18Ni5Mo3Si2,奥氏体-铁素体双相不锈钢,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,过程设备设计,复合板,基层：与介质不接触，主要
9、起承载作用， 通常为碳素钢和低合金钢。,复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性， 通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般 为基层厚度的1/101/3。,复合板应用特点,用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。,复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。,3.1.1 压力容器常用钢材,3.1.1 压力容器常用钢材,教学重点： 钢材的焊接。 教学难点： 无。,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,压力容器制造,冷、热加工,焊接,热处理（必要时）,过程设备设计,过程
10、设备设计,3.2.1 塑性变形,材料在载荷作用下的变形,弹性变形:卸载后变形消失,塑性变形或永久变形,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,一、应变硬化,见应力-应变曲线图,卸载后，在短时间内再次加载，应力应变关系按照dd变化，到了d 以后，按照de f 变化。d以前材料是弹性的，以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。可见第2次加载时，比例极限提高，塑性变形和延伸率有所减低。在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象叫做加工硬化或应变硬化冷做硬化经退火，可消失。,加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低,3.2
11、 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,热加工或热变形:,凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形,在再结晶温度以下进行的塑性变形,冷加工或冷变形:,热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。,特点,特点,冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。,二、冷加工和热加工,从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,3.2.1 塑性变形,过程设备设计,钢板冲压成各种封头后，由于塑性
12、变形，厚度会发生变化。 例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。 在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2.1 塑性变形,过程设备设计,三、各向异性,非金属夹杂物,热加工,纤维组织,呈纤维状,金属再结晶,带状组织,金属材料力学性能产生方向性,a、平行纤维组织方向的强度 塑性和韧性提高，b、垂直方向的塑性和韧性降低c、变形越大，性能差异越明显,因势利导：纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。 压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的 最大正应力与纤维方向重合，最大切应力方向与纤 维方向垂直。,第二项合金,3.2 压力容器制造
13、工艺对钢材性能的影响,3.2.1 塑性变形,过程设备设计,四、应变时效,冷加工应用举例：,筒节冷卷,封头冷旋压,应变时效,经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2.1 塑性变形,过程设备设计,发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。,应变时效危害,降低应变时效的措施,一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合
14、物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2.1 塑性变形,过程设备设计,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,3.3.2 介质,3.3.3 加载速率,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,教学重点： 温度对钢材性能的影响。 教学难点： 高温下钢材的性能和性能劣化。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,3.3.1 温度,不同用途的压力容器的工作温度不同。,钢材在,低温,中温,高温,下，性能不同,高温下，钢材性能往往与作用时间有关,介绍几种情况的影响,一、短期静载下温度对
15、钢材力学性能的影响,二、高温、长期静载下钢材力学性能,三、高温下材料性能的劣化,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响,1、高温下,图3-3 温度对低碳钢力学性能的影响,温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,2、低温下,随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于20时，钢材可采用20时的许用应力。,韧脆性转变温度（或脆性转变温度）,当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状
16、态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,概念,3.3.1 温度,图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,3.3.1 温度,过程设备设计,低温变脆的金属：,具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢,低温仍有很高韧性的金属：,面心立方晶格材料如铜、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高的韧性。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,二、高温、长期静载下钢材性能,蠕变现象：,在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变
17、形，这种现象被称为蠕变现象。,碳素钢,420,400-500oC,低合金钢,一定的应力作用,发生蠕变,蠕变的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。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。,蠕变的危害,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,1. 蠕变曲线,蠕变曲线三阶段,1. 减速蠕变,2. 恒速蠕变,3. 加速蠕变,图3-5 蠕变应变与时间的关系,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,一定压力和一定温度下,温度,过程设备设计,cd为蠕变的第三阶段,ab为蠕变的第一阶段,即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此
18、也称为蠕变的减速阶段.,bc为蠕变的第二阶段,在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段.,在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。,oa线段试样加载后的瞬时应变。,a点以后的线段从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,对于同一材料，给定温度改变应力或给定应力改变温度时，蠕变曲线形状不同。,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。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,
19、3.3.1 温度,过程设备设计,2. 蠕变极限与持久强度,a、蠕变极限高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力,蠕变极限表示法Rnt,在给定温度下，使试样产生规定的第 二阶段蠕变速率的应力值,在给定温度和规定时间内，使试样产生 一定量的蠕变总伸长率的应力值（常用）,b、持久强度在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂RDt 时构件所能承受的最大应力。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,考虑蠕变极限和持久强度的场合：,蠕变极限适用于在高温运行中要严格控制变形的零件的设计，如涡轮叶片,高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件下不会蠕变断裂，往往同
20、时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为105h，总伸长率为1%；确定持久强度的时间为105h。）,在高应力、较低的温度时，断裂前有大量的塑性变形，断 裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆 性，断裂后伸长率较低，缩颈很小， 在晶体内部常发现 大量的细小裂纹。,温度和应力对蠕变断裂形式有显著的影响,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,松弛,在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持
21、不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种现象称为松驰。如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,三、高温下材料性能的劣化,在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：,蠕变脆化（前面已经讲了）,珠光体球化,石墨化,高温回火脆化,氢腐蚀和氢脆,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,a. 珠光体球化,危害：使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降例如：Q345钢的24526蒸汽管道在9.8MPa、510oC条件下，运行约
22、八万小时后，珠光体严重球化，碳化物积聚在晶界上，使其力学性能明显下降。补救：已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。如将上述管道加热至920oC，停留lh，然后打开炉门冷却，力学性能则有所提高。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,b. 石墨化,危害：使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。产生环境：石墨化现象只出现在高温下。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体预防：要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的
23、合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,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，称为石墨化,过程设备设计,c. 回火脆化,铬钼钢，长期在300-600oC下使用，或者从此温度范围缓慢冷却，脆性转变温度会升高，冲击韧性降低，这种现象称为回火脆化。研究表明：影响Cr-Mo钢回火脆化的主要因素为化学成分和热处理条件。P、Sb、Sn、As等微量杂质元素的含量越多，奥氏体化温度越高， 2.25Cr-1Mo 钢对回火脆化越敏感。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,d. 氢腐蚀
24、和氢脆,氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,d-1. 氢腐蚀,高温、高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。,氢腐蚀有两种形式,1. 和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表 面脱碳， 使力学性能恶化；,2. 渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷，聚集在晶界上，形成压力很高的气泡，造成内部脱碳或微裂纹。,裂纹,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,一般情况下，碳素钢在200以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的
25、元素含量，可提高钢抗氢腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。目前，一般按照Neson曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分压小于3.45MPa时，允许的使用温度约为250; 1.25Cr-0.5Mo钢在氢分压小于6.9MPa时的允许使用温度大约为520。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时，应先降压，保温消氢（200以上）后，再降至常温。切不可先降温后降压。为什么不能先降温再降压？,d-2.氢脆,指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。,内部氢钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢外部氢指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。,氢的来
26、源,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,钢材长时间在高温下，还会发生合金元素在固溶体和碳化 物相之间的重新分配，那些对固溶体起强化作用的合金元 素，如铬、钼、锰等，都会不断脱溶，从而使材料高温 强度下降。除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。在设计阶段，预测材料性能是否会在使用中劣化，并采 取有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要 意义。,除以上4种劣化外，还要注意：,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,过程设备设计,3.3.2 介质,一、腐蚀概述,1. 按腐蚀的机理来分,金属腐蚀分类：,电化学腐蚀,化学腐蚀,2. 按金属腐
27、蚀的形式来分,全面腐蚀,局部腐蚀,晶间腐蚀,小孔腐蚀,缝隙腐蚀,应力腐蚀,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,二、应力腐蚀,1、应力腐蚀的特征,三个阶段,孕育阶段,是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；,裂纹稳定扩展阶段,在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；,裂纹失稳阶段,最终发生的突然断裂。,断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。,值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏（Leak Before Break）。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影
28、响,3.3.2 介质,过程设备设计,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.2 介质,过程设备设计,2. 常见的应力腐蚀,a. 碱溶液,b. 湿硫化氢,c. 液氨,d. 硝酸盐溶液,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.2 介质,过程设备设计,3. 应力腐蚀的预防措施,一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。,a. 合理选择材料,b. 减少或消除残余拉应力,c. 改善介质条件,d. 涂层保护,e. 合理设计,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.2 介质,过程设备设计,3.3.3 加载速率,加载速率的表示应力速率（Pa/s）
29、或应变速率（1/s）,通常，应变速率在10 410-1s-1范围内，金属材料的力学性 能没有明显变化。,当应变速率在10-1s-1以上时，它对钢材力学性能有显著的影 响。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这种脆性断裂的发生。,加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。,通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平的提高，韧性的降低减弱。也就是说，在一定的加载速率范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明显。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.3 加载速率,
