壓力容器材料及環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響-過設(shè)討論課作業(yè)一課件

壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響1壓力容器材料1壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響2環(huán)境對壓力容器用剛性能的影響3壓力容器材料最新進(jìn)展4壓力容器材料1壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響2環(huán)境對壓力容2壓力容器材料除了個別的一些低壓容器用于特殊需要可以采用如混凝土、無堿玻璃纖維等非金屬材料外，絕大多數(shù)容器都用金屬材料，而且多是鋼材，即碳鋼和合金鋼壓力容器材料除了個別的一些低壓容器用于特殊需要可以采用如混凝3壓力容器常用鋼材壓力容器常用鋼材4鋼材分類鋼板最常用材料具有良好的加工工藝性能鋼管接管、換熱管等常用無縫鋼管制造直徑較小的壓力容器可用無縫鋼管作為筒體鍛件高壓容器的平蓋、端部法蘭、中（低）壓設(shè)備法蘭、接管法蘭等常用鋼材分類鋼板最常用材料具有良好的加工工藝性能鋼管接管、換5鋼材類型碳素鋼C（0.02%-2.11%）低合金鋼Q345R

15CrMoR16MnDR……16Mn09MnD20MnMo16MnD09MnNiD高合金鋼鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3.壓力容器專用鋼板鋼材類型碳素鋼C（0.02%-2.11%）低合金鋼Q345R6有色金屬和非金屬有色金屬1.銅和銅合金2.鋁和鋁合金3.鎳和鎳合金4.鈦和鈦合金有色金屬和非金屬有色金屬7非金屬材料

1.涂料2.工程塑料3.不透性石墨4.陶瓷5.搪瓷非金屬材料

1.涂料8環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（2）應(yīng)力腐蝕開裂（3）輻射損傷（1）短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響（2）高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能（3）高溫下材料性能的劣化溫度介質(zhì)加載速率環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（1）短期靜載9溫度影響短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響溫度影響短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響10溫度影響一、短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響低溫變脆現(xiàn)象：當(dāng)溫度低于某一界限時，鋼的沖擊吸收功大幅度下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度通常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或無延性轉(zhuǎn)變溫度。注意：體心立方晶格的金屬如碳素鋼和低合金鋼，都會產(chǎn)生明顯的低溫變脆現(xiàn)象；

面心立方晶格的金屬如銅鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有較高的韌性。溫度影響一、短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響低溫變脆現(xiàn)11溫度影響二、高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能蠕變：金屬在長時間的高溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

結(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。只有當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時才會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。碳素鋼超過300到350度，低合金鋼超過400度，鉻鉬低合金鋼超過450度，高合金鋼超過550度。1.蠕變曲線三個階段：減速蠕變、恒速蠕變和加速蠕變注意：同一材料在給定溫度不同應(yīng)力或給定應(yīng)力不同溫度下的蠕變曲線形狀并不相同。當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時，第二階段的持續(xù)時間長，甚至無第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時，第二階段持續(xù)時間短，甚至完全消失。溫度影響二、高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能蠕變：金屬在長時間12溫度影響蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限：1.高溫長期載荷作用下材料對變形的抗力2.R設(shè)計溫度下經(jīng)10萬小時工作或試驗后產(chǎn)生1%變形時的應(yīng)力平均值tn持久強(qiáng)度：1.給定溫度下使材料經(jīng)過規(guī)定時間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，是材料在高溫長期負(fù)荷作用下抵抗斷裂的能力。2.R設(shè)計溫度下經(jīng)過10萬小時工作試驗后不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力平均值。tD應(yīng)力松弛：構(gòu)件在高溫長期應(yīng)力作用下，總變形不變，應(yīng)力隨時間增加而自發(fā)的逐漸降低現(xiàn)象。溫度影響蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限：tn持久強(qiáng)度：tD應(yīng)力松13溫度影響高溫下材料性能的劣化1.珠光體球化：（1）含義：正常的珠光體組織是片狀滲碳體均勻地分布在鐵素體基體上，當(dāng)溫度較高時，片狀滲碳體會逐漸聚集成球狀（2）結(jié)果：材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久強(qiáng)度下降（3）措施：可采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來的組織2.石墨化：（1）含義：鋼在高溫長期作用下，珠光體內(nèi)滲碳體自行分解出石墨的現(xiàn)象（2）結(jié)果：鋼材發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑形降低，沖擊韌性降低得更多（3）措施：改變材質(zhì)；降低容器的設(shè)計使用壽命；適當(dāng)提高容器的殼體厚度和降低受壓元件應(yīng)力水平等3.回火脆化：（1）Cr-Mo鋼在脆化溫度區(qū)間（300-600度）持續(xù)停留后出現(xiàn)的材料及焊接接頭常溫沖擊功顯著下降或韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高現(xiàn)象。4.氫腐蝕和氫脆溫度影響高溫下材料性能的劣化1.珠光體球化：14溫度影響氫腐蝕和氫脆1.氫腐蝕：（1）高溫高壓下氫與鋼中的碳形成甲烷的化學(xué)反應(yīng)（2）兩個階段：一是氫與鋼材表面的碳化合生成甲烷，引起鋼材表面脫碳，使力學(xué)性能惡化。

二是氫滲透到鋼材內(nèi)部，與固溶碳或碳化物反應(yīng)生成甲烷。甲烷不能擴(kuò)散出去，聚集在晶界上，形成壓力很高的氣泡，造成鋼材內(nèi)部脫碳和微裂紋。（3）影響因素：溫度、氫分壓、時間、合金成分、應(yīng)力等。一般情況下，碳素鋼在200度以上的高壓氫環(huán)境中有可能發(fā)生氫腐蝕。2.氫脆：（1）鋼因吸收氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象（2）氫同時有內(nèi)部和外部兩個來源溫度影響氫腐蝕和氫脆1.氫腐蝕：15環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（2）應(yīng)力腐蝕開裂（3）輻射損傷（1）短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響（2）高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能（3）高溫下材料性能的劣化溫度介質(zhì)加載速率環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（1）短期靜載16介質(zhì)影響介質(zhì)影響17壓力容器材料新進(jìn)展——納米材料壓力容器材料新進(jìn)展18高氣體阻隔石墨／環(huán)氧納米復(fù)合材料一、背景

復(fù)合材料壓力容器采用無內(nèi)襯設(shè)計，可以實現(xiàn)減重，有效提高結(jié)構(gòu)效率，但是同時也帶來了氣體滲漏問題。二、采用的方法

在樹脂基體中摻雜納米材料并進(jìn)行取向控制以提高無內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器抗?jié)B漏性能。分散在樹脂基體中的納米材料一方面起到氣體阻隔的作用，使得小分子氣體在基體中的擴(kuò)散運動必須繞過這些納米材料，延長了擴(kuò)散路徑；另一方面，納米材料能夠有效抑制樹脂基體中大分子側(cè)鏈的運動，減少自由體積微孔的產(chǎn)生，使得小分子氣體的擴(kuò)散需要更高的能量。三、相關(guān)進(jìn)展1.國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者先后對環(huán)氧／凹凸棒土納米復(fù)合材料、尼龍(PA6)／蒙脫土納米復(fù)合材料、PET／蒙脫土納米復(fù)合材料等的氣體阻隔性能開展了大量的研究工作。結(jié)果表明，層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料對小分子氣體如Oz、H。O、He、CO2等均具有一定的阻隔性能。但是，在高含量條件下，層狀硅酸鹽納米材料極易團(tuán)聚，從而導(dǎo)致納米材料的隨機(jī)排列，影響了氣體阻隔性能。2.近年來，以碳納米管、納米石墨片和石墨烯為代的新一代納米材料受到了廣泛關(guān)注，成為替代層狀硅酸鹽納米材料制備高氣體阻隔復(fù)合材料的理想材料。研究表明：在聚苯乙烯(PS)膜中填充較低含量的石墨烯，可獲得較好的氧氣氣體阻隔性能，抗?jié)B漏性能顯著優(yōu)于聚合物／黏土復(fù)合材料。高氣體阻隔石墨／環(huán)氧納米復(fù)合材料一、背景19鋼表面納米化及退火處理對其流動加速腐蝕性能的研究

一、背景

含硫介質(zhì)流動加速腐蝕引起設(shè)備失效的問題廣泛存在于催化裂化裝置、加氫裂化裝置等冷卻器及相連的管道中，特別是對管線的彎頭、三通及導(dǎo)徑管和換熱器管束的破壞較為嚴(yán)重。二、解決方法

在金屬材料表面制備一層具有納米晶體結(jié)構(gòu)的表面層，并配以合理的熱處理，可以提高金屬材料的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能及抗腐蝕性能。三、相關(guān)進(jìn)展1.相關(guān)學(xué)者用磁控濺射和超聲噴丸技術(shù)分別對低碳鋼、309不銹鋼、1Cr18Ni9Ti及Fe-20Cr合金進(jìn)行表面納米化，研究了納米化后材料抗氯離子腐蝕性能及鈍化膜的特性，并首次提用AFM方法研究了點蝕的發(fā)生與擴(kuò)展過程。2.部分發(fā)現(xiàn)：在1Cr18Ni9Ti不銹鋼表面高能噴丸獲得厚度18納米的納米改性層，明顯改善了其在3.5%氯化鈉溶液中的動電位極化特性。納米化后316L不銹鋼的耐蝕能力下降，點蝕速率增加，但經(jīng)表面退火處理后下降的抗點蝕性能重新恢復(fù)且隨退火溫度的升高和時間的延長，材料的抗點蝕性能恢復(fù)的更好。鋼表面納米化及退火處理對其流動加速腐蝕性能的研究

一、背景20ThankYou!ThankYou!21壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響22壓力容器材料1壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響2環(huán)境對壓力容器用剛性能的影響3壓力容器材料最新進(jìn)展4壓力容器材料1壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響2環(huán)境對壓力容23壓力容器材料除了個別的一些低壓容器用于特殊需要可以采用如混凝土、無堿玻璃纖維等非金屬材料外，絕大多數(shù)容器都用金屬材料，而且多是鋼材，即碳鋼和合金鋼壓力容器材料除了個別的一些低壓容器用于特殊需要可以采用如混凝24壓力容器常用鋼材壓力容器常用鋼材25鋼材分類鋼板最常用材料具有良好的加工工藝性能鋼管接管、換熱管等常用無縫鋼管制造直徑較小的壓力容器可用無縫鋼管作為筒體鍛件高壓容器的平蓋、端部法蘭、中（低）壓設(shè)備法蘭、接管法蘭等常用鋼材分類鋼板最常用材料具有良好的加工工藝性能鋼管接管、換26鋼材類型碳素鋼C（0.02%-2.11%）低合金鋼Q345R

15CrMoR16MnDR……16Mn09MnD20MnMo16MnD09MnNiD高合金鋼鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3.壓力容器專用鋼板鋼材類型碳素鋼C（0.02%-2.11%）低合金鋼Q345R27有色金屬和非金屬有色金屬1.銅和銅合金2.鋁和鋁合金3.鎳和鎳合金4.鈦和鈦合金有色金屬和非金屬有色金屬28非金屬材料

1.涂料2.工程塑料3.不透性石墨4.陶瓷5.搪瓷非金屬材料

1.涂料29環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（2）應(yīng)力腐蝕開裂（3）輻射損傷（1）短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響（2）高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能（3）高溫下材料性能的劣化溫度介質(zhì)加載速率環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（1）短期靜載30溫度影響短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響溫度影響短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響31溫度影響一、短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響低溫變脆現(xiàn)象：當(dāng)溫度低于某一界限時，鋼的沖擊吸收功大幅度下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度通常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或無延性轉(zhuǎn)變溫度。注意：體心立方晶格的金屬如碳素鋼和低合金鋼，都會產(chǎn)生明顯的低溫變脆現(xiàn)象；

面心立方晶格的金屬如銅鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有較高的韌性。溫度影響一、短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響低溫變脆現(xiàn)32溫度影響二、高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能蠕變：金屬在長時間的高溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。

結(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。只有當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時才會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。碳素鋼超過300到350度，低合金鋼超過400度，鉻鉬低合金鋼超過450度，高合金鋼超過550度。1.蠕變曲線三個階段：減速蠕變、恒速蠕變和加速蠕變注意：同一材料在給定溫度不同應(yīng)力或給定應(yīng)力不同溫度下的蠕變曲線形狀并不相同。當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時，第二階段的持續(xù)時間長，甚至無第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時，第二階段持續(xù)時間短，甚至完全消失。溫度影響二、高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能蠕變：金屬在長時間33溫度影響蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限：1.高溫長期載荷作用下材料對變形的抗力2.R設(shè)計溫度下經(jīng)10萬小時工作或試驗后產(chǎn)生1%變形時的應(yīng)力平均值tn持久強(qiáng)度：1.給定溫度下使材料經(jīng)過規(guī)定時間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，是材料在高溫長期負(fù)荷作用下抵抗斷裂的能力。2.R設(shè)計溫度下經(jīng)過10萬小時工作試驗后不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力平均值。tD應(yīng)力松弛：構(gòu)件在高溫長期應(yīng)力作用下，總變形不變，應(yīng)力隨時間增加而自發(fā)的逐漸降低現(xiàn)象。溫度影響蠕變極限與持久強(qiáng)度蠕變極限：tn持久強(qiáng)度：tD應(yīng)力松34溫度影響高溫下材料性能的劣化1.珠光體球化：（1）含義：正常的珠光體組織是片狀滲碳體均勻地分布在鐵素體基體上，當(dāng)溫度較高時，片狀滲碳體會逐漸聚集成球狀（2）結(jié)果：材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久強(qiáng)度下降（3）措施：可采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來的組織2.石墨化：（1）含義：鋼在高溫長期作用下，珠光體內(nèi)滲碳體自行分解出石墨的現(xiàn)象（2）結(jié)果：鋼材發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑形降低，沖擊韌性降低得更多（3）措施：改變材質(zhì)；降低容器的設(shè)計使用壽命；適當(dāng)提高容器的殼體厚度和降低受壓元件應(yīng)力水平等3.回火脆化：（1）Cr-Mo鋼在脆化溫度區(qū)間（300-600度）持續(xù)停留后出現(xiàn)的材料及焊接接頭常溫沖擊功顯著下降或韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高現(xiàn)象。4.氫腐蝕和氫脆溫度影響高溫下材料性能的劣化1.珠光體球化：35溫度影響氫腐蝕和氫脆1.氫腐蝕：（1）高溫高壓下氫與鋼中的碳形成甲烷的化學(xué)反應(yīng)（2）兩個階段：一是氫與鋼材表面的碳化合生成甲烷，引起鋼材表面脫碳，使力學(xué)性能惡化。

二是氫滲透到鋼材內(nèi)部，與固溶碳或碳化物反應(yīng)生成甲烷。甲烷不能擴(kuò)散出去，聚集在晶界上，形成壓力很高的氣泡，造成鋼材內(nèi)部脫碳和微裂紋。（3）影響因素：溫度、氫分壓、時間、合金成分、應(yīng)力等。一般情況下，碳素鋼在200度以上的高壓氫環(huán)境中有可能發(fā)生氫腐蝕。2.氫脆：（1）鋼因吸收氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象（2）氫同時有內(nèi)部和外部兩個來源溫度影響氫腐蝕和氫脆1.氫腐蝕：36環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（2）應(yīng)力腐蝕開裂（3）輻射損傷（1）短期靜載條件下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響（2）高溫、長期靜載荷條件下鋼材性能（3）高溫下材料性能的劣化溫度介質(zhì)加載速率環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響（1）腐蝕（1）短期靜載37介質(zhì)影響介質(zhì)影響38壓力容器材料新進(jìn)展——納米材料壓力容器材料新進(jìn)展39高氣體阻隔石墨／環(huán)氧納米復(fù)合材料一、背景

復(fù)合材料壓力容器采用無內(nèi)襯設(shè)計，可以實現(xiàn)減重，有效提高結(jié)構(gòu)效率，但是同時也帶來了氣體滲漏問題。二、采用的方法

在樹脂基體中摻雜納米材料并進(jìn)行取向控制以提高無內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器抗?jié)B漏性能。分散在樹脂基體中的納米材料一方面起到氣體阻隔的作用，使得小分子氣體在基體中的擴(kuò)散運動必須繞過這些納米材料，延長了擴(kuò)散路徑；另一方面，納米材料能夠有效抑制樹脂基體中大分子側(cè)鏈的運動，減少自由體積微孔的產(chǎn)生，使得小分子氣體的擴(kuò)散需要更高的能量。三、相關(guān)進(jìn)展1.國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者先后對環(huán)氧／凹凸棒土納米復(fù)合材料、尼龍(PA6)／蒙脫土納米復(fù)合材料、PET／蒙脫土納米復(fù)合材料等的氣體阻隔性能開展了大量的研究工作。結(jié)果表明，層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料對小分子氣體如Oz、H。O、He、