常用钢板在压力容器设计和制造中的应用

一 8 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 2 年第1 5 卷 常用钢板在压力容器设计和制造中的应用 蒋春凤 ，梁庆海 ，宋晓飞 ( 1 浙江金氟隆化工装备有限公司，浙江 金华 3 2 1 0 0 0 ) ( 2 中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林 吉林 1 3 2 0 0 2 ) ( 3 浙江杭特容器有限公司，浙江 绍兴 3 1 2 3 0 0 ) 摘要 介绍了常用压力容器钢板的种类、性能以及设计选用的一般原则，并结合制造厂的实际应用，提出压力容器钢板的 选择既要可靠适用又应经济合理，可为工程技术人员在设计和制造中提供选择依据。 关键词压力容器；常用钢板；材料选择；制造应用 1 常用压力容器钢板的种类及性能 根 据钢 中所含 铁 和碳 及 其 他合 金元 素 的不 同，将钢分为碳素钢、低合金高强度钢、高合金 钢、抗氢钢、低温用钢等种类 。 1 1 压力容器常用碳素钢和低合金结构钢 合 金 元素 对钢 的性 能产 生 很大 影 响 ，特 别 是硫 和 磷 的含量 ，硫 易 使钢材 在 热 轧时产 生热 脆 ，导致开裂，硫与其它杂质形成的夹杂物 常导 致钢材开裂 ，还容易使焊缝热脆并产 生气孔和裂 纹 。磷 固溶在铁素体 中，可显著降低钢的塑性和 韧性 ，尤其是低温韧性 ，使钢脆性增加，称为冷 脆 。新版 容规 对压力容器专用钢 中的碳素钢 和低合金钢材中的硫、磷含量加以限制，其中： 碳 素钢和低合 金钢钢 材基本要 求 ，P 0 0 3 时，碳超过奥 氏体 的碳容量 ，抗腐蚀能力 降低 ，将导致 晶间腐蚀 、 点腐蚀及沿 晶问型 的应力腐蚀开裂 ，这是奥 氏体 不锈钢的最大缺点，降低碳含量或加入T i 、N b 等 强碳化物形成元素 固定碳 ，进行 固溶 处理 ，使奥 氏体成分均匀化，抑制高铬碳化物的形成，可明 显提高抗腐蚀能力。 由于加入T i 、Nb 在某些介质 中并不能 防止奥 氏体不锈钢 的晶间腐蚀 ，现 已能 将不锈钢 的含碳量降到小于或等于0 0 3 ，因此， 含稳定元素 的奥 氏体不锈钢 ( 1 Cr l 8 Ni 9 T i )的使 用范 围已被超低碳奥 氏体不锈钢大量代替 。奥 氏 体 不锈 钢 易发 生 晶间腐 蚀 ，所 以应 避 开敏 化 区 ( 4 5 0 8 7 0 )进行焊接加工 ，如果不 能避开，应 选用超低碳或增加稳定性元素的材料，若无法更 换材料则应进行固溶化处理。 1 4压力容器常用低温钢 低 温钢是指工作温度在 2 0 2 6 9 之 间的工 程结构用钢 ，压力容器行业 中称工作温度低 于或 等 于一 2 0 的设备 为低温设 备 ，制 造低温 设备用 的钢称 为低温钢 。低温下使用 的压力 容器脆 性断 裂 时有发 生，随着温度 的降低 ，材料 的屈服 点增 加 、韧性 降低 ，当温度低于材料 的无延性转变温 度 时，材料 由韧性状态转变 为脆性状 态，此时， 如果材料 内部存在缺 陷，就会发 生低应 力脆 性破 坏 ，材 料 厚度 与脆 性 断裂 有很 大 关系 ，钢 板越 厚，其冲击韧性值越低，无延性转变温度越高， 因此低温脆性倾 向越显 著。因此对低温钢 提出 了 越来越 高的要求 ，低温钢性 能的主要 指标是低温 韧性 ，包括低温冲击韧性和韧脆转变温度 ，低温 钢 的低温冲击韧性越高 ，韧脆转变温 度越低 ，其 低温韧性越好 。合金元 素对钢 的低温 性能影响主 要表现为对钢低温韧性 的影 响，一般 随着含碳 量 的上升 ，钢 的韧性会下 降，因此 ，低温用钢 的含 碳量必须严格控制在0 2 以下 。锰是提高钢的 低温韧性主要合金元素之 一，锰在钢 中主要 以固 溶体形式存在 ，起到 固溶 强化 的作用 ，可使奥 氏 体相变温度降低，容易得到细小而富有韧性的铁 素体和珠光体 ，从而改善钢在低温下 的性能 。镍 也是提高钢的低温韧性 的主要合金元素 ，镍不与 碳发生作用 ，全部溶于固溶体 中而强化 了合金元 素的作用，镍不仅能降低奥氏体相变温度，而且 还能使钢 的共析点 的含碳量 降低 ，因此 ，与 同样 含碳量的碳钢相 比，铁素体 的数量减少 ，晶粒细 小 ，同时珠光体 的数量增多 ，珠光体的碳含量也 降低 。磷是 使钢 的低 温韧 性 下 降 的主要 杂质 元 素，其含量在低温钢 中必须严格加 以控制 。 低温钢普遍使用低碳钢、低合金钢、镍钢和 铬镍奥氏体不锈钢，此外还有钛及其合金等低温 金属材料。G B3 5 3 1 - 2 0 0 8 低温压力容器用低合金 钢钢板中常用的低温钢主要有 2 0 7 0 低温 压力容器受压元件6 mm-1 2 0 mm的低合金钢板。其 中 ， 4 0 低温用钢主要有1 6 Mn DR，是我 国低温 压力容器用钢 中使用量最大 的一个钢 号。2 0 世纪 8 O 年代末 ，在 1 6 Mn 钢板的基础上降碳、加镍 ，开 发出新钢 号1 5 Mn Ni DR，已用于制造低温氧气球罐 和乙烯球罐，最低使用温度可达到 4 5 。 7 0 低 温用钢主要有0 9 Mn Ni DR，该钢种 已达到国际先进 水平 ，已在化肥 、乙烯 、煤化工成套装置 以及二 氧化碳低温储罐中得到广泛应用。 此外，9 Ni 钢具有很高的强度和良好的低 温韧性 ，焊接性 良好 ，冷裂敏感性较低 ，采用合 适 的焊接工艺措施 ，可防止热裂纹 的出现 ，获得 具有 良好低温韧性 的焊接接头 。最低使用温度可 达一 1 9 6 ，执行标准为GB 2 4 5 1 0 - 2 0 0 9 低温压力 容器用9 Ni 钢板，本标准适用于制造液化天然 气( L NG ) 储罐、液化天然气( L NG) 船舶等低温压力 容器用厚度不大于5 0 mm的9 Ni 钢板 。 2 压力容器钢板选用的一般原则 对于 设计和制造工程技术人员 ，材料 的合理 选择和应用是每个工程师 的责任 。压力容器 的选 材应综合考虑材料 的力学性 能、化学性 能、物理 性能和工艺性 能，还要考虑压力容器使用环境 ， 如设计压力、设计温度、介质特性、材料的焊接 性 能 、检 验检 测 、热 处理 以及 经 济合 理性 等方 面 。压力容器钢板选用的一般原则如下： ( 1 )在刚度和结构设计为主的场合，应尽 量选择普通碳素钢 。以强度设计 为主 的场合 ，宜 根 据压 力 、温 度 、介质 等 使用 限 制 ，依次 选用 Q 2 3 5 B Q2 4 5 R Q 3 4 5 R 等钢材。 ( 2 )钢板厚度小于8 mm时，在碳素钢与低合 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 一 论文广场 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 2 年 第 1 5 卷 金钢之间，宜选用碳素钢。 ( 3 )不锈钢厚度大于 1 2 mm时，宜采用不锈 钢衬里、复合、堆焊等结构形式 。 ( 4)不 锈钢 不 宜用 作 设 计 温 度 小 于 等 于 5 0 0 的耐热钢。 ( 5 )不锈钢可用于介质腐蚀性较强、防止铁 离子污染或设计温度高于5 0 0 的耐热钢 ，也可用 于设计温度低于 1 0 0 至 1 9 6 的低温用钢 。 ( 6 )铬钼低合金钢可用于设计温度小于等于 5 5 0 的耐热钢或大于2 0 O 的抗氢钢 。 ( 7 )碳素钢和碳锰钢 长期在高于4 2 5 温度 下使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾 向。 ( 8 )奥 氏体钢 的使用温 度高于5 2 5 时，钢 中碳含量应不小于0 0 4 。 总之 ，原则上应按 下列顺序选取 ，能用前者 的尽量不用后者 。 ( 1 )薄板一 复合板一厚板； ( 2 )碳素钢一低合金钢一 奥氏体不锈钢一双 相不锈钢一钛和钛合金一镍合金一镐材 ( 3 )冷轧状态一热轧状态 正火状态一正火 加回火一调质状态 3常用钢板在压力容器设计和制造中的应用 在压力容器设计和制造过程 中，经常会 遇到 材料 的选择和应用 ，下面 以实例来说 明需要注意 的一些 问题 。 例 1 ，温度对结构材料的影响很大 ，是选材 的主要 因素 。设计常温储存压力容器时 ，应当充 分考虑在 正常工作状态下大气环境温度对容器壳 体金 属温度 的影 响，其最低设计金属温度不得高 于历 年来 月平 均 最低 气温 的最 低值 。东北地 区 最低环境温度要低于 2 0 ，根据GB 5 0 3 4 1 2 0 0 3 立 式圆筒形钢制焊接 油罐设计规范 ，对于无 保温 的大型储 油罐 ，该设备 已属于低温设备 ，在 材料选择方面要考虑低温问题，应选用1 6 Mn D R 板材。又如盛有4 0 氢氧化钠溶液的碳钢锥顶储 罐，工作温度为4 O ，外盘管内介质为水蒸汽， 工作温度为8 0 C，该储罐选材 为Q 2 3 5 B，根据HG T 2 0 5 8 3 2 0 1 1 钢制化工容器结构设计规定以及 s H T 3 O 7 5 2 0 0 9 石油化工钢制压力容器材料选用 规范，该设备筒体 ( 盘管部位 )应进行焊后 消 除应力热处理 。 例2 ，某制造厂生产一台卧罐，直径3 0 0 0 mm， 壁厚1 6 mm，设备主体材料为1 4 C r l Mo R，在做水压 试验保压时，突然发出一 声巨响，经外观检查未 发现有何异常，但按新 容规4 7 6 2 液压试验合 格标准规定 ：试 验过程应无异 常的响声 。为此 ， 将试 验 液体 放 出 ，第 二天进 入 设 备 内部进 行检 查 ，发现有条焊缝 出现裂纹，经分析得知 ，是焊 接产生残余应力的原因 。由于最初 的裂纹或缺 陷 存在于焊接区域，焊后未进行表面无损检测 ，导 致焊缝出现开裂。根据新 容规规定，铬钼钢 应在焊接完成2 4 h 后进行无损检测，并应附加表面 检测 ，用于压力容器的铬钼钢钢材须经过正火加 回火热处理 ，使钢材 晶粒细化、组织均匀稳 定、 强度 与塑性配合适宜 ，综合性能优异 ，焊后 热处 理保证焊接接头具有优 良的综合性能。 例3 ，一直径 1 8 0 0 mm的反应釜 ，容器 内介 质为 乙醇和水 ，工作压力为。 0 0 9 0 4 MP G，工作 温度 为1 2 0 ，容器材质 为0 C r l 8 Ni 1 0 T i 。夹套 内 介质 为蒸汽或者冷冻 盐水( C a C 1 ，蒸汽工作温度 为1 6 0 ，工作压力为0 6 MP G，冷却水工作温度 为 5 一 1 0 ，夹套材质为1 C r l 8 Ni 9 T i ，容器 内介质 加热反应 到一定程度需要冷却 ，夹套里 出现冷冻 盐水和蒸汽交替 的工作状态 ，存在严重 的腐蚀环 境，该反应釜2 0 0 7 年7 月投入使用，2 0 1 0 年初在夹 套 内容器外表面焊缝及金属板材表面 出现坑蚀 ， 如图1 所示 。这种现象在许多制药、化工行业非常 普遍 。 图1 0 C r l 8 N i 1 0 T i 板材坑蚀详图 根据T S G R 0 0 0 4 2 0 0 9 固定式压力容器安全 技术监察规程3 2 2特殊耐腐蚀要求：对特殊耐 腐蚀要求 的压力容器或受压元件 ，例如存在 晶间 腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等腐蚀介质 环境 时，应 当在设计 图样上提 出相应 的耐腐蚀试 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 期 蒋春凤等常用钢板在压力容器设计和制造中的应用 一 J J 图2 0 2 2 C r l 7 N i 1 2 M o 2 板材晶像分析详图 验方法 以及必要的热处理要求。 另一 直 径5 0 0 mm的固 定管板 换热 器 ，管程 内介质 为顺 酸 ，工作压力 为 0 0 9 MP G，工作温 度为8 0 ，管程材质为0 2 2 C r l 7 N i 1 2 Mo 2 ，壳程 内介质 为热 水 ，工作 压力为O 3 MP G，工作温度 为8 0 ，壳程材质为Q2 4 5 R，因顺酸 具有很强的 酸性和腐 蚀性，用 了不到一年，管程 壳体出现裂 纹，通 过晶像分析观察 ，在合金的晶界区发生腐 蚀现象 ，即晶间腐蚀现象 ，如图2 所示。根据T S G R 0 0 0 4 2 0 0 9 固定式压 力容器 安全 技术监 察规 程4 3 5 ( 2 ) 要求做晶间腐蚀敏感性检验的不锈钢 与镍合金制压力容器 ，其试件及试样应当符合GB T 2 1 4 3 3 2 0 0 8 不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检 验或J B T 4 7 5 6 2 0 0 6 镍及镍合金制压力容器 的规定，并且同时满足设计图样的规定。 4结论 综上所述 ，钢 制压 力容器用钢的选择 ，应根 据不 同的使用工况 、介质特性并综合考虑材料的 力学性能 、化学性能 、物理性能和工艺性能进行 选用 。本文为工程技术人员在设计选用和工程应 用等方面提 出了一些选择的依据。 参考文献 1 】S H T 3 0 7 5 2 0 0 9 ，石油化工钢制压力容器材料选用规 范 S 】 【 2 T S G R0 0 0 4 2 0 0 9 ，固定式压力容器安全技术监察规 程 S 3 】叶文邦，张建荣，曹文辉 压力容器设计指导手册一设 计人员培训教材【 M】 昆明：云南科技出版社，2 0 0 6 ( 上接7 页) ( 4 )翅片高度 、厚度 、内距以及排列方式对 隔板应力的影响乃至对整个换热器承载能力的影 响值得深入探讨。 参考文献 【 1 1王松汉，嵇训达，胡礼林 板翅式换热器 M 匕 京：化学 工业出版社 ，1 9 8 4 2 】 孙爱芳，刘敏山，董其武 板翅结构强度设计准则的修正 【 J 】 机械设计与制造，2 0 0 7 ， ( 3 )：2