化工過程設備設計教學課件：第三章壓力容器材料及環(huán)境和時間對性能的影響3.1壓力容器材料

《過程設備設計》壓力容器材料及環(huán)境

和時間對其性能的影響壓力容器設計正確的設計計算（包括強度、剛度和穩(wěn)定性）計算，將力學響應限制在材料的許用范圍內。合理的材料選擇（充分考慮）時間、環(huán)境的劣化作用壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響目錄3.1壓力容器材料3.2壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響3.3環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響3.4壓力容器材料選擇目錄3.1.1壓力容器常用鋼材3.1.2有色金屬和非金屬壓力容器常用鋼材1一、鋼材形狀板、管、棒、絲、鍛件、鑄件等。壓力容器本體主要采用板材、管材和鍛件，其緊固件采用棒材。主要用途：殼體、封頭、板狀構件等。加工工藝：下料、卷板、沖壓、焊接、熱處理。性能要求：較高的強度、良好的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能。1、鋼板GB/T3531低溫壓力容器用低合金鋼鋼板GB/T713鍋爐和壓力容器用鋼板主要用途：接管、換熱管等。主要類型：無縫鋼管、直縫鋼管和螺旋焊縫鋼管。加工要求：下料、焊接、熱處理。性能要求：較高的強度、良好的塑性、韌性、焊接性能。2、鋼管請比較各類鋼管的優(yōu)缺點主要用途：高壓容器的平蓋、端部法蘭與長頸對焊法蘭等。分級：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個級別。級別越高,要求檢驗項目越多，越嚴格，價格越高。3、鍛件請比較各類鋼管的優(yōu)缺點二、鋼材類型按化學成分分類碳素鋼高合金鋼低合金鋼含碳量0.02～2.11％(一般低于1.35％)的鐵碳合金。1、碳素鋼壓力容器用碳素鋼碳素結構鋼壓力容器專用鋼板Q235-B、Q235-C鋼板Q245R、20G（R表示壓力容器專用鋼板、G表示高壓無縫鋼管）優(yōu)質碳素結構鋼

10、20鋼鋼管；20、35鋼鍛件Q245R的特點和應用場合強度低，塑性和可焊性較好，價格低廉；常用于常壓或中、低壓容器；也用作墊板、支座等零部件材料。Q245R碳素結構鋼類鋼主要保證力學性能，故其牌號體現(xiàn)其力學性能。符號用Q+數(shù)字，其中“Q”為屈服強度“屈”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示屈服強度的數(shù)值。例如，Q235表示屈服強度為235MPa的碳素結構鋼。若牌號后面標注字母A、B、C、D，則表示鋼材質量等級不同，即硫、磷質量分數(shù)不同。其中A級鋼中硫、磷含量最高，D級鋼中硫、磷含量最低。若在牌號后面還標注字母“F”、“Z”、“TZ”等，則分別表示沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。特殊鎮(zhèn)靜鋼在冶煉時的脫氧程度最高，鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度中等，沸騰鋼脫氧程度最低。例如Q235AF表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼。1、碳素結構鋼碳素鋼的牌號及命名優(yōu)質碳素結構鋼的鋼號用平均碳質量分數(shù)的萬分數(shù)的數(shù)字表示，例如，鋼號“20”即表示碳質量分數(shù)為0.20%（萬分之二十）的優(yōu)質碳素結構鋼，若鋼中錳的質量分數(shù)較高，則在鋼號后面加“Mn”，如15Mn、45Mn等。高級優(yōu)質鋼、特級優(yōu)質鋼分別以A、E表示，優(yōu)質鋼不用字母表示。保證淬透性用鋼用H表示。如45AH表示碳質量分數(shù)為0.45%的保證淬透性的高級優(yōu)質碳素結構鋼。2、優(yōu)質碳素結構鋼碳素工具鋼的碳質量分數(shù)在0.65%~1.35%之間，鋼號用平均碳質量分數(shù)的千分數(shù)的數(shù)字表示，數(shù)字之前冠以“T”（“碳”的漢語拼音字頭）。例如，T9表示碳質量分數(shù)為0.9%（即千分之九）的碳素工具鋼。碳素工具鋼均為優(yōu)質鋼，若含硫、磷更低，為高級優(yōu)質鋼，則在鋼號后面標注A字。例如，T12A表示碳質量分數(shù)為1.2%的高級優(yōu)質碳素工具鋼。3、碳素工具鋼2、低合金鋼低合金鋼是在碳素鋼基礎上加入少量合金元素的合金鋼。合金元素的加入使其在熱軋或熱處理狀態(tài)下除具有高的強度外，還具有優(yōu)良的韌性、焊接性能、成形性能和耐腐蝕性能。采用低合金鋼，不僅可以減薄容器的壁厚，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗、運輸、安裝中因壁厚太大所帶來的各種困難。2、低合金鋼壓力容器常用低合金鋼鋼板鍛件Q345R、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR、07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR16Mn、20MnMo、16MnD，09MnNiD、12Cr2Mo鋼管16Mn、09MnD屈服點為340MPa級的壓力容器專用鋼板是我國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板具有良好的綜合力學性能、制造工藝性能主要用于制造中低壓壓力容器和多層高壓容器1、Q345R應用介紹低溫壓力容器用鋼，工作在-20℃及更低溫度的壓力容器專用鋼板2、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR16MnDR可用于-40℃的鋼種液氨儲罐等設備（降低碳含量，并加鎳和微量釩）09MnNiDR-70℃級低溫壓力容器用鋼用于制造液丙烯（-47.7℃）、液硫化氫（-61℃）等設備15MnNiDR提高了低溫韌性-40℃級低溫球形容器3、15CrMoR低合金珠光體熱強鋼中溫抗氫鋼板用于制造壁溫不超過550℃的壓力容器4、20MnMo、09MnNiD、2.25Cr-1Mo-0.25V、SA508Ⅲ鍛件20MnMo良好的熱加工和焊接工藝性能。常制造使用溫度為-19～470℃的重要大中型鍛件。09MnNiD良好的低溫韌性。常制造使用溫度為-70～45℃的低溫容器。2.25Cr-1MoSA508Ⅲ較高的熱強性、抗氧化性和良好的焊接性能。常制造高溫（350～480℃）、高壓（≈25MPa）、臨氫壓力容器。較高的高溫強度、抗疲勞強度和良好的低溫性能，中子輻照引起的脆化傾向小?？稍诟邷?、高壓流體沖刷和腐蝕，以及強烈中子輻照等惡劣條件下使用，常用于制造核壓力容器筒體、法蘭和封頭。3、高合金鋼壓力容器中采用的低碳或超低碳高合金鋼大多是耐腐蝕、耐高溫鋼。鉻鋼鉻鎳鋼鉻鎳鉬鋼0Cr13（S11306）有較高的強度、塑性、韌性和良好的切削加工性能是常用的鐵素體不銹鋼在室溫的稀硝酸以及弱有機酸中有一定的耐腐蝕性但不耐硫酸、鹽酸、熱磷酸等介質的腐蝕1、鐵素體類不銹鋼：鉻鋼0Cr18Ni9（S30408)、0Cr18Ni10Ti（S32168)、00Cr19Ni10（S30403)這三種鋼均屬于奧氏體不銹鋼。2、奧氏體類不銹鋼：鉻鎳鋼0Cr18Ni9在固溶態(tài)，具有良好的塑性、韌性、冷加工性，在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質中耐腐蝕性亦佳。但長期在水及蒸汽中工作時，0Cr18Ni9有晶間腐蝕傾向，并且在氯化物溶液中易發(fā)生應力腐蝕開裂。0Cr18Ni10Ti00Cr19Ni10具有較高的抗晶間腐蝕能力，可在-196℃～600℃溫度范圍內長期使用。為超低碳不銹鋼，具有更好的耐蝕性。3、雙相不銹鋼：鉻鎳鉬鋼耐應力腐蝕、小孔腐蝕的性能良好，適用于制造介質中含氯離子的設備。00Cr18Ni5Mo3Si2（S21953)是奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼基層：與介質不接觸，主要起承載作用，通常為碳素鋼和低合金鋼。復層：與介質直接接觸，要求與介質有良好的相容性，通常為不銹鋼、鈦等耐腐蝕材料，其厚度一般為基層厚度的1/10-1/3。復合板復合板應用特點用復合板制造耐腐蝕壓力容器，可大量節(jié)省昂貴的耐腐蝕材料，從而降低壓力容器的制造成本。復合板的焊接比一般鋼板復雜，焊接接頭往往是耐腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，因此壁厚較薄、直徑小的壓力容器最好不用復合板。壓力容器零部件間焊接還需要焊條、焊絲、焊劑、電極和襯墊等焊接材料。一般應根據待連接件的化學成分、力學性能、焊接性能，結合壓力容器的結構特點和使用條件綜合考慮選用焊接材料，必要時還應通過試驗確定。壓力容器用鋼的焊接材料可參閱有關標準。焊接材料有色金屬和非金屬2一、有色金屬在退火狀態(tài)下的強度比較穩(wěn)定，所以一般都在退火狀態(tài)下使用。選用時應注意選擇同類有色金屬中的合適牌號。使用狀態(tài)銅及其合金鎳及鎳合金鋁及其合金鈦及鈦合金壓力容器常用有色金屬純銅和黃銅的設計溫度不高于200℃。純銅的導熱率是壓力容器用各種金屬材料中最高的。在沒有氧存在的情況下，銅在許多非氧化性酸中都是比較耐腐蝕的。但銅最有價值的性能是在低溫下保持較高的塑性及沖擊韌性，是制造深冷設備的良好材料。1、銅及其合金2、鋁及其合金特性鋁很輕（密度約為鋼的三分之一），耐濃硝酸、醋酸、碳酸、氫銨、尿素等，不耐堿；在低溫下具有良好的塑性和韌性；有良好的成型和焊接性能。應用可用來制作壓力較低的貯罐、塔、熱交換器，防止污染產品的設備及深冷設備。含鎂量大于或者等于3％的鋁合金（如5083、5086），其設計溫度范圍為-269℃～65℃；其他牌號的鋁和鋁合金，其設計溫度范圍為-269℃～200℃。設計壓力應不大于16MPa。3、鎳及鎳合金特性設計溫度范圍為-268~900℃，在強腐蝕介質中比不銹鋼有更好的耐腐蝕性，比耐熱鋼有更好的抗高溫強度。應用由于價格高，一般只用于制造特殊要求的壓力容器。4、鈦及鈦合金特性對中性、氧化性、弱還原性介質耐腐蝕，如濕氯氣、氯化鈉和次氯酸鹽等氯化物溶液；具有密度?。?4510kg/m3）、強度高（相當于Q245R）、低溫性能好、粘附力小等優(yōu)點；但單位質量價格高，比一般鋼材高20倍左右；應用設計溫度不高于315℃。在介質腐蝕性強、壽命長的設備中應用，可獲得較好的綜合經濟效果。二、非金屬材料既可單獨用作結構材料，也可用作金屬材料保護襯里或涂層,還可用作設備的密封材料、保溫材料和耐火材料。用途除要求有良好的耐腐蝕性外，還應有一定的強度，抗老化性，良好的加工制造性能。壓力容器用非金屬材料要求缺點：大多數(shù)材料耐熱性不高，對溫度波動比較敏感，與金屬相比強度較低(除玻璃鋼外)。涂料不透性石墨工程塑料搪瓷壓力容器常用非金屬材料陶瓷涂料是一種有機高分子膠體的混合物。將其均勻地涂在容器表面上能形成完整而堅韌的薄膜，起耐腐蝕和保護作用。1、涂料2、工程塑料熱塑性塑料加熱軟化，冷卻硬化，過程可逆，可反復進行。聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚苯乙烯（ABS）等可用作制造低壓容器的殼體、管道,也可用作密封元件、襯里等的材料。熱固性塑料在第一次加熱時可軟化流動且為不可逆過程。典型非金屬管道主要連接方式聚乙烯管電熔接頭熱熔接頭延時響應聚乙烯吸收和散射聲波，頻散現(xiàn)象嚴重。響應時差長，銳度小，高噪聲下缺陷難檢測。時間t科學問題——延時性延時連接聚烯烴接頭強度需要分子鏈充分交纏。聚烯烴焊接接頭特有的冷焊缺陷難以表征和評定。t延時破壞時間、溫度、載荷對管道服役性能的影響機制復雜。聚烯烴及其復合管壽命預測困難。微秒宏觀微觀數(shù)秒數(shù)年浙江大學于2002年在國內率先開展了聚烯烴及其復合管相關研究，攻克了設計制造、無損檢測和安全評價等關鍵技術，實現(xiàn)了自主技術的產業(yè)化與標準化，保障了惡劣工況用聚烯烴及其復合管道系統(tǒng)安全，取得了顯著的經濟和社會效益。3、不透性石墨良好的化學穩(wěn)定性、導電性和導熱性，可用于制造熱交換器。5、陶瓷良好的耐腐蝕性能，一定的強度，被用來制造塔、貯槽、反應器和管件。4、搪瓷搪瓷設備是由含硅量高的瓷釉通過9000C左右的高溫鍛燒，使瓷釉密著于金屬胎表面而制成的。具有優(yōu)良的耐蝕性，較好的耐磨性，廣泛用作耐腐蝕、不掛料的反應罐、貯罐、塔和反應器等。Akeycomponentinhydrogensupplysystemsoffuelcellvehicles(FCV)44復合材料具有重量輕、強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，是一種很有發(fā)展前途的壓力容器材料，已用于制造天然氣氣瓶、液化石油氣儲罐等產品。中國Ⅲ型氫氣瓶發(fā)展歷程GB/T29126-2012《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)試驗方法》40MPa、1.25L樣機GB/T34544-2017《小型燃料電池車用低壓儲氫裝置安全試驗方法》GB/T35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶》40MPa、74L樣機

70MPa、15L樣機35MPa、28L/74L/128L產品70MPa、74L2002年2005年2009年2010年2016年2017年局部/整體耐火性能預測疲勞壽命評估爆破壓力預測快充熱響應機制研究是否可以使用境外牌號材料？討論可以，但應當在設計文件中充分說明其必要性和經濟性。境外牌號材料應當是境外壓力容器現(xiàn)行標準規(guī)范允許使用并且境外已經有使用實例的材料，其使用范圍應