壓力容器用鋼

壓力容器用鋼

SteelForPressureVessels第一講

壓力容器的用途極廣，工作條件也千差萬(wàn)別，因此在設(shè)計(jì)中正確地選材是一件復(fù)雜而又重要的工作。很多壓力容器事故的重要原因之一就是選材不當(dāng)。例如，采用焊接性差的鋼材焊制壓力容器時(shí)，易在焊接接頭中產(chǎn)生裂縫；有些鎳鉻不銹鋼的容器，常因鋼號(hào)或成分選用不當(dāng)在使用中發(fā)生晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等形式的破壞；選用鐵素體鋼制造低溫容器時(shí)，如鋼的轉(zhuǎn)變溫度高于其工作溫度，則會(huì)發(fā)生脆性破壞。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)正確地選用材料，是確保壓力容器長(zhǎng)周期安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一。前言1.1壓力容器用鋼的選用1.2壓力容器用鋼的使用范圍1.3常用鋼材焊接材料的選用主要內(nèi)容

對(duì)容器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，充分了解各種鋼材的性能及其影響因素，掌握壓力容器用鋼的分類與一般要求是十分必要的。1.1壓力容器用鋼的選用1.材料的性能⑴力學(xué)性能在一定溫度條件和外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的力學(xué)性能。壓力容器用材料的常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)主要包括強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等。①?gòu)?qiáng)度

是指材料在外力作用下對(duì)變形或斷裂的抗力。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度

σs或σ0.2和抗拉強(qiáng)度σb，高溫下工作時(shí)，還要考慮蠕變極限σn和持久強(qiáng)度σD，材料的許用應(yīng)力都是根據(jù)這些數(shù)值決定的。②塑性

是指金屬材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。塑性指標(biāo)主要有伸長(zhǎng)率δ、斷面收縮率φ等。用塑性好的材料制造容器，可以緩和局部應(yīng)力的不良影響，有利于壓力加工，不易產(chǎn)生脆性斷裂，對(duì)缺口、傷痕不敏感，并且在發(fā)生爆炸時(shí)不易產(chǎn)生碎片。③韌性是指金屬材料抵抗沖擊負(fù)荷的能力。韌性常用沖擊功Ak和沖擊韌性值ak表示。Ak或ak除反映材料的抗沖擊性能外，還對(duì)材料的缺陷很敏感，能靈敏地反映出材料品質(zhì)、宏觀缺陷和顯微組織方面的微小變化。而且Ak對(duì)材料的脆性轉(zhuǎn)化十分敏感，低溫沖擊試驗(yàn)?zāi)軝z驗(yàn)鋼的冷脆性。另外，表示材料韌性的一個(gè)新的指標(biāo)是斷裂韌性，它是反映材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抵抗能力。④硬度

是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。試驗(yàn)方法不同，測(cè)得的硬度值和含義也不完全一樣。最常用的是靜負(fù)荷壓入法硬度試驗(yàn)，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、維氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗堅(jiān)硬物體壓入的能力。而肖氏硬度(HS)則屬于回跳法硬度試驗(yàn)，其值代表金屬?gòu)椥宰冃喂Φ拇笮?。因此，硬度不是一個(gè)單純的物理量，而是反映材料的彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等的一種綜合性能指標(biāo)。

材料力學(xué)性能的各因素之間是相互聯(lián)系又相互制約的。有些材料強(qiáng)度雖高，但它的伸長(zhǎng)率及沖擊韌性卻很低。因此，選材時(shí)不能只看其單一的性能指標(biāo)，而應(yīng)對(duì)材料力學(xué)性能的諸因素作全面分析。⑵物理性能

在容器設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意材料的物理性能。例如，在計(jì)算溫差應(yīng)力時(shí)，就要用到材料的線脹系數(shù)α；在設(shè)計(jì)換熱器及計(jì)算容器外殼熱損失時(shí)，還要用到材料的熱導(dǎo)率λ等。因此不同的場(chǎng)合，對(duì)材料物理性能有不同的要求。常用鋼材的物理性能見(jiàn)表1-1。表1-1常用鋼材的物理性能⑶耐腐蝕性能化工廠中常處理有腐蝕性的介質(zhì)，故設(shè)計(jì)化工容器時(shí)，在很多場(chǎng)合下，耐腐蝕性對(duì)材料的選擇起決定性的作用。材料的耐蝕程度會(huì)影響設(shè)備使用壽命。因此，考慮材料的耐蝕性是化工容器材料選擇中的一個(gè)重要問(wèn)題。材料的腐蝕速度在工程上常用Ka(mm／a)來(lái)表示，材料腐蝕速度在1mm／a以下的，可認(rèn)為能用于化工容器。有關(guān)材料的耐蝕性可在材料腐蝕和防腐手冊(cè)中查得。⑷制造工藝性能材料的制造工藝性能包括可鍛性、可焊性、切削加工性及研磨、沖壓性能、熱處理性能等。對(duì)化工容器用鋼來(lái)說(shuō)，焊接性能和壓力加工性能就顯得更為重要。①可焊性是指金屬在一定的焊接工藝下能否獲得優(yōu)良焊接接頭的性能。通常以金屬在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊接接頭區(qū)力學(xué)性能的變化作為評(píng)價(jià)可焊性的指標(biāo)。鋼材焊接性能的好壞主要取決于它的化學(xué)組成，其中影響最大的是碳，即其含碳量的多少?zèng)Q定其可焊性。其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影響程度一般都比碳小得多。所以常把鋼中含碳量的多少作為判別鋼材可焊性的主要標(biāo)志。一般含碳量小于0.25％的碳鋼和低合金鋼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滾卷與沖壓。材料中的夾渣、氣孔等缺陷易在加工過(guò)程中形成裂紋或微裂紋。材料的冷作硬化會(huì)降低塑性，且在受熱時(shí)會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶粗化，降低強(qiáng)度。一般材料的殘余變形超過(guò)3％時(shí)，需經(jīng)退火處理。2.影響材料性能的因素⑴冶煉方法煉鋼過(guò)程是把生鐵中含有的大量有害雜質(zhì)元素在氧化反應(yīng)作用下轉(zhuǎn)變成氧化物進(jìn)入爐氣和爐渣中排除來(lái)生產(chǎn)較純凈鋼的過(guò)程，所以煉鋼過(guò)程也是氧化過(guò)程。根據(jù)冶煉方法和使用設(shè)備不同，可分平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼。按煉鋼爐爐襯不同，還可分為酸性鋼和堿性鋼。根據(jù)鋼錠型式和脫氧情況，又可分鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼。影響材料性能的因素主要有冶煉方法、合金元素、制造工藝、操作溫度、介質(zhì)的腐蝕性等。目前，壓力容器主要用堿性平爐鋼和堿性電爐鋼。由于堿性爐熔煉去磷能力很好，因此厚鋼板一般都采用這種方法冶煉，使鋼中磷含量降至最低。另外，電爐操作時(shí)可以傾倒放渣，不斷地調(diào)整爐渣量，使易氧化的元素如鉻和錳等具有較高的回收率，可以獲得硫化物和氧化物夾雜很低的高純凈鋼。

對(duì)于壓力容器設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，充分了解各種鋼材的性能(物理性能、力學(xué)性能等)及影響材料性能的各種因素，掌握壓力容器用鋼的分類與一般要求是十分必要的。1.1壓力容器用鋼的選用1.壓力容器用鋼的分類容器用鋼分類碳素鋼（C≤0.25％）低合金鋼低溫壓力容器用鋼不銹鋼和調(diào)質(zhì)鋼不銹鋼和調(diào)質(zhì)鋼在選擇壓力容器用鋼時(shí)，必須根據(jù)容器的工作條件（如壁溫、壓力、介質(zhì)腐蝕性、介質(zhì)對(duì)材料的脆化作用及是否易燃、易爆、有毒等）選擇具有合適力學(xué)性能、物理性能和耐腐蝕性能的材料，所選用的材料還必須考慮加工工藝的影響（可焊性等），并考慮其經(jīng)濟(jì)合理性及來(lái)源等情況。⑴機(jī)械性能：足夠的強(qiáng)度(σs、σb)、良好的韌性(Akv)和塑性(δ5)、足夠的斷裂韌性(KⅠc/δc)、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度和無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)。

⑵物理性能：耐高溫、耐低溫和耐腐蝕性。⑶制造工藝性能：良好的塑性(δ5)、可焊性(碳當(dāng)量Ceq、焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm、焊接接頭硬度)。2.壓力容器用鋼的一般要求⑴機(jī)械性能：足夠的強(qiáng)度(σs、σb)、良好的韌性(Akv)和塑性(δ5)、足夠的斷裂韌性(KⅠc/δc)、低的脆性轉(zhuǎn)變溫度和無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度(NDT)。

⑵物理性能：耐高溫、耐低溫和耐腐蝕性。⑶制造工藝性能：良好的塑性(δ5)、可焊性(碳當(dāng)量Ceq、焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm、焊接接頭硬度)。3.壓力容器用鋼的一般要求

1．符合現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求

三、壓力容器用鋼的選擇原則

2．經(jīng)濟(jì)合理

一般情況下，按以下原則選材是經(jīng)濟(jì)合理的：①所需鋼板厚度＜

8mm時(shí)，在碳素鋼與低合金高強(qiáng)度鋼之間，應(yīng)盡量采用碳素鋼(多層容器用材除外)。②在剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主的場(chǎng)合應(yīng)盡量選用碳素鋼。在強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)等使用限制，依次選用Q235B、Q235C、20R、16MnR等鋼。容器用鋼應(yīng)根據(jù)容器的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)特性及容器的構(gòu)造等因素，按以下原則選用：容器用鋼應(yīng)符合GB150的規(guī)定。具體鋼號(hào)的使用溫度上限是表4-1~7中相應(yīng)[σ]的最高溫度，下限見(jiàn)表4-2,4,6,10。③所需不銹鋼厚度＞12mm時(shí)，應(yīng)盡量采用襯里、復(fù)合或堆焊等結(jié)構(gòu)形式。④不銹鋼應(yīng)盡量不用作設(shè)計(jì)溫度≤500℃的耐熱用鋼。⑤珠光體耐熱鋼應(yīng)盡量不用作設(shè)計(jì)溫度≤350℃的耐熱用鋼。在必須使用珠光體耐熱鋼作耐熱或抗氫用途時(shí)，應(yīng)盡量減少、合并鋼材的品種、規(guī)格。⑥材料的來(lái)源充分。

3．充分發(fā)揮材料的特長(zhǎng)①碳素鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)的常壓、低壓容器，壁厚不大的中壓容器，鍛件、承壓鋼管、非受壓元件，以及其它由剛性或結(jié)構(gòu)因素決定壁厚的場(chǎng)合。②低合金高強(qiáng)度鋼用于介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)、壁厚較大（不小于8mm）的受壓容器。

4．標(biāo)準(zhǔn)零部件（設(shè)備法蘭、管法蘭、管件、人手孔、液面計(jì)等）的鋼材符合有關(guān)零部件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼材的技術(shù)要求③珠光體耐熱鋼用作抗高溫氫、硫化氫腐蝕或設(shè)計(jì)溫度在350～650℃的耐熱鋼。在高溫臨氫工況下，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的氫分壓(設(shè)計(jì)壓力×氫的體積百分?jǐn)?shù))和設(shè)計(jì)溫度查納爾遜曲線查出適于該工況的鋼號(hào)。納爾遜曲線見(jiàn)HG20581中圖6-1。④不銹鋼用于介質(zhì)腐蝕性(電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕)較高、防鐵離子污染、設(shè)計(jì)溫度＞500℃高溫用鋼或設(shè)計(jì)溫度＜－100℃的低溫用鋼。⑤碳含量大于0.03％的不含穩(wěn)定化合金元素的奧氏體不銹鋼需經(jīng)焊接或400℃以上熱加工時(shí)，不應(yīng)使用于可能引起不銹鋼晶間腐蝕的環(huán)境。⑸價(jià)格與來(lái)源設(shè)備的成本很大一部分決定于材料的價(jià)格。因此，在選用材料時(shí)，應(yīng)了解它們的價(jià)格。若將碳素鋼板Q235-A的價(jià)格定為1，其余的板材相對(duì)價(jià)格大致有如下關(guān)系，16MnR為1.4、20R為1.8、鉻鋼(1Cr13，2Cr13)為5.1、高合金鋼0Cr18Ni10為14.1。分析材料的經(jīng)濟(jì)性不能僅看其價(jià)格，同時(shí)要看國(guó)家的資源情況。應(yīng)多用普通易取的材料，少用昂貴稀缺的材料；多用國(guó)產(chǎn)材料，少用或不用進(jìn)口材料。1.

碳素鋼鋼板的使用范圍四、壓力容器用鋼板的使用范圍2.

低合金鋼鋼板的使用范圍3.

低溫低合金鋼板的使用范圍

GB3531-1996《低溫壓力容器用低合金鋼板》原有4個(gè)鋼號(hào)，02年修改單取消09Mn2VDR，現(xiàn)僅有3個(gè)鋼號(hào)，其使用范圍如下：鋼號(hào)鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度(mm)使用溫度(℃)鋼材保證項(xiàng)目16MnDRGB3531正火6~36＞36~100－40~350－30~350V型低溫沖擊試驗(yàn)超聲波探傷15MnNiDRGB3531正火正火﹢回火6~60－45~10009MnNiDRGB3531正火正火﹢回火6~60－70~3504.

高合金鋼鋼板的使用范圍5.

鋼板厚度負(fù)偏差①GB3274、GB912、GB3237標(biāo)準(zhǔn)中的鋼板，如Q235、0CR13、0Cr18Ni9等，其厚度負(fù)偏差按下表選?。孩?/p>

GB6654、GB3531標(biāo)準(zhǔn)中的鋼板，如20R、16MnR、16MnDR等，其厚度負(fù)偏差一律為0.25mm。6.

不銹復(fù)合鋼板的使用范圍①

復(fù)合鋼板的分類及代號(hào)②

厚度復(fù)層厚度0.5~14mm，通常為2～3mm，也可由供需雙方商定；基層最小厚度：復(fù)合鋼板總厚度大于8mm時(shí)，基層最小厚度為6mm。厚度允許偏差③復(fù)層、基層材料標(biāo)準(zhǔn)④復(fù)合鋼板力學(xué)性能注：復(fù)合鋼板的屈服點(diǎn)下限值或抗拉強(qiáng)度下限值可按下式計(jì)算：

——復(fù)層鋼板屈服點(diǎn)下限值或抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；

——基層鋼板屈服點(diǎn)下限值或抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；

——復(fù)層鋼板的厚度，mm；

——基層鋼板的厚度，mm。五、壓力容器用鋼管的使用范圍1.

碳素鋼與低合金鋼鋼管2.

高合金鋼鋼管3.

鋼管的檢驗(yàn)項(xiàng)目可見(jiàn)：除GB/T14976、GB13296高合金鋼無(wú)縫鋼管外，GB/T8163鋼管只要求進(jìn)行流體輸送用鋼管的一般試驗(yàn)，而GB5310、GB6479、GB9948三種鋼管，還要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。因此GB/T8163鋼管的檢驗(yàn)要求不如后三種嚴(yán)格。4.

鋼管的制造質(zhì)量

除GB/T14976、GB13296不銹無(wú)縫鋼管外，從制造質(zhì)量角度來(lái)講：GB/T8163鋼管多采用平爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，其雜質(zhì)成分和內(nèi)部缺陷相對(duì)較多。GB9948鋼管多采用電爐冶煉。在一些無(wú)縫鋼管生產(chǎn)大廠，為了保證它在苛刻條件下的使用質(zhì)量，均超標(biāo)準(zhǔn)加入了爐外精煉工藝，因此其雜質(zhì)成分和內(nèi)部缺陷相對(duì)較少。GB6479和GB5310標(biāo)準(zhǔn)本身就規(guī)定了進(jìn)行爐外精煉的要求，故其雜質(zhì)成分和內(nèi)部缺陷最少，材料質(zhì)量最高。上述幾個(gè)鋼管標(biāo)準(zhǔn)的制造質(zhì)量等級(jí)從低到高的順序依次是

GB/T8163＜GB9948＜GB5310＜GB64795.

鋼管的選用(GB/T14976、GB13296無(wú)縫鋼管除外)GB5310標(biāo)準(zhǔn)是專門為高壓鍋爐用鋼管而設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，GB／T8163標(biāo)準(zhǔn)的鋼管適用于設(shè)計(jì)溫度小于350℃、壓力低于10.0MPa的油品、油氣和公用介質(zhì)。對(duì)于油品、油氣介質(zhì)，當(dāng)其設(shè)計(jì)溫度超過(guò)350℃或設(shè)計(jì)壓力大于10.0MPa時(shí)，宜選用GB9948或GB6479標(biāo)準(zhǔn)的鋼管。對(duì)于臨氫作業(yè)管道或在有應(yīng)力腐蝕傾向環(huán)境中工作的管道，也宜使用GB9948或GB6479標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榕R氫操作或者有應(yīng)力腐蝕環(huán)境存在時(shí)，會(huì)因內(nèi)部缺陷對(duì)介質(zhì)有破壞敏感作用而導(dǎo)致管子使用壽命下降，甚至過(guò)早破壞。低溫(＜－20℃)使用的碳素鋼鋼管應(yīng)采用GB6479標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橹挥兴?guī)定了能滿足對(duì)材料低溫沖擊韌性的要求。6.

無(wú)縫鋼管直徑與壁厚偏差(續(xù))(續(xù))六、壓力容器用鍛件的使用范圍1.

壓力容器用碳素鋼低合金鋼鍛件（JB4726－2000）(續(xù))2.

低溫壓力容器用低合金鋼鍛件（JB4727－2000）3.

壓力容器用不銹鋼鍛件（JB4728－2000）(不推薦