浅谈铬钼钢压力容器的设计、制造与检验

科技信息2011 年第 17 期SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 0概述 铬钼钢是压力容器常用钢之一，它广泛用于炼油、化工及各类加 氢装置和重整装置中的临氢设备上，具有优异的抗氢腐蚀性能和良好 的高温强度，是高温高压容器壳体和封头的首选材料。 1铬钼钢的主要特点 铬钼钢具有优异的抗氢腐蚀性能和耐高温氧化能力，从而在高温 高压临氢环境中得到了广泛的应用，但2.25Cr-1Mo、3Cr-1Mo 、和 3Cr- 1Mo-0.25V等铬钼钢长期在370595的温度范围内操作会产生冲 击韧性下降，韧脆转变温度升高的现象，即回火脆性。另外铬钼钢又是 强度高、淬硬倾向大，易产生氢致裂纹（即延迟裂纹）的钢种。为了解决 回火脆性和氢致裂纹敏感性问题，固采取控制钢材的化学成分，提高 冲击韧性要求，并在制造过程中对焊接、热处理、检验等提出了相应的 一系列特殊要求。 所以我们要想真正处理好现实中遇到的问题，就要 真正的了解和掌握铬钼钢的特性是非常必要的。 11耐热性 金属材料抵抗高温氧化能力，称耐热性或抗氧化性。 它要求钢材 在中、高温条件下金相组织稳定，否则就可能产生石墨化现象。如碳素 钢在425以上，C-0.5Mo钢在475以上长时间使用时， 钢中的渗碳 体会自行分解析出碳原子，产生石墨化，金属材料的脆性急剧增大。此 外，耐热钢还要求钢材具有较高的高温持久强度和蠕变极限。 而含有 热稳定好和强碳化物形成元素Cr、Mo、V的铬钼钢， 可提高渗碳体的 分解温度，阻止石墨化的发生，从而提高钢材高温持久强度极限和蠕 变极限。 12抗氧化性 金属材料因吸收氢而导致塑性降低、 性能恶化的现象称为氢损 伤，也可以称为氢脆。 酸洗、电解或腐蚀反应产生的氢，金属凝固后内 部残存的氢，以及介质环境中的氢都可能被材料吸收而扩散至内部引 起氢脆。氢损伤可以导致多种形式的材料失效，如氢鼓泡、氢致脆性开 裂、高温氢腐蚀等。 对于石化行业中的临氢容器，选用铬钼钢主要是为了防止高温氢 腐蚀。 13回火脆性 这里所谈的回火脆性是指钢材长期在某一温度范围内操作而产 生的冲击韧性下降（韧脆转变温度升高）现象。 1.3.1Cr-Mo钢的回火脆性发生在370595的温度范围内， 接近 这个温度范围的上限时，脆化速度高，接近这个温度下限时，脆化发展 缓慢。炼油工业中的加氢反应器等临氢压力容器就正好长期操作在这 一温度范围内，这一现象引起人们极大的关注。 1.3.2脆化材料和非脆化材料的差别，仅表现在缺口冲击韧性和韧脆 转变温度的不同，而拉伸性能无明显的差别。 回火脆化的程度一般是 靠韧脆转变温度的升高来表现的。回火脆化对上平台冲击功仅有轻微 的影响。 1.3.3大量的试验表明， 在压力容器常用的Cr-Mo钢中， 含Cr量为 2%3%的Cr-Mo钢回火脆化倾向最严重。 1.3.4在P(磷)、Sb（锑）Sn（锡）As（砷）微量不纯元素含量高的情况下， 脆化倾向特别显著，多量的Si和Mn对脆化具有促进作用。 2铬钼钢制压力容器结构设计 根据铬钼钢的特性，所以在设计铬钼钢压力容器时，应注意以下 一些问题。 21开口与接管 一般压力容器开口，通常采用补强板、接管与器壁对接等方式来 补强。补强板补强最简便，但由于铬钼钢淬硬倾向大，在补强板与器壁 连接的角焊缝交界处，易出现裂纹，而且只能用磁粉或渗透方法检测 焊缝表面，无法检测内部缺陷，给使用造成了潜在的隐患，因而不主张 使用补强板补强。 对于压力较低器壁较薄而开口直径又较小时，通常 采用接管补强，如图2-1-1。 图2-1-1接管补强图2-1-2厚壁管翻边与器壁对接结构 对于压力较高、壁厚较厚或开口直径较大时，通常采用锻制厚壁 管加工出翻遍并与器壁对接焊接结构，如图2-1-2，它不但可以采用 射线或超声检测来检测缺陷，保证质量，而且焊接残余应力与受压产 生的最大应力集中分离而减轻连接处的应力水平，因而它是高压高温 厚壁铬钼钢制压力容器的一种较理想的补强结构型式。 22附件连接 所有器壁相焊的附件（受压件与非受压件），均希望采用双面全焊 透结构，并要求焊完一面后，从另一面清除焊根，经磁粉检测合格后再 完成另一面焊接，并对焊缝进行超声或磁粉检测。 而像贴补强板那样 在容器壁上贴一块钢板，周边采用角焊缝连接的结构，是不可取的。 23裙座（支座）与器壁的连接 当立式容器直径小、高度低、质量轻时常采用支耳支撑结构，此时 需注意不能选用带有垫板的支耳，否则会出现与前面所述的采用补强 板补强结构同样的弊端。 筋板与器壁的焊接应采用开坡口全焊透结 构。 当选用裙式支座时联接处的一段裙座材质应与壳体相同，且长度 不能小于500mm，也同样不能选用与器壁角接或搭接连接结构，而应 采用对接结构，以避免层下裂纹和无法检测内部缺陷的弊病。 当容器 温度较高，联接处刚性较大时，还应采用热箱结构，以降低联接处由于 过大的温度梯度而引起的温差应力，如图2-3-1所示。 图2-3-1器壁与裙座（支座）的连接结构 24保温支撑 高温高压用铬钼钢容器，为了避免支撑连接板与器壁角焊连接而 产生裂纹，影响容器的安全使用，通常采用一种鼠笼式的保温支撑结 浅谈铬钼钢压力容器的设计、 制造与检验 张宝坤 （宁夏宝塔石化设计院宁夏银川750001） 【摘 要】本文就铬钼钢的主要特性，容器的结构设计过程中的注意事项，制造过程中的检测和热处理，以及铬钼钢的最新进展简要介绍， 提出了只有了解铬钼钢的特性，才能真正处理好现实中遇到的问题。 【关键词】铬钼钢；特性；热处理；制造；检测 科教前沿 465 科技信息SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION2011 年第 17 期 构。 它是从顶部人孔颈部的连接环上，沿周向往下拉若干条纵向薄钢 带，并于下端固定，然后在各段高度上设置支撑圈与纵向钢带固定，作 为保温支撑圈使用。 3铬钼钢制压力容器制造中的特殊要求 31热处理 Cr-Mo钢是属于靠热处理手段来改善钢材性能的钢种， 因此，正 确选择热处理规范，严格执行热处理工艺，对Cr-Mo钢制压力容器是 至关重要的。 这一点也体现在GB150中，如10.4.1.1中规定了钢材必 须进行焊后热处理的厚度界限， 对Cr-Mo钢就规定无论厚度大小均 需进行焊后热处理。 对于压力容器的Cr-Mo钢材须经过正火（钢材厚度大时，允许加 速冷却甚至淬火）加回火热处理，使钢材晶粒细化，组织均匀稳定、强 度与塑性配合适宜成为综合性能优异的材料。 在压力容器制造过程 中，一般除严格控制焊前预热温度外，还要保持焊接过程中的层间温 度。 焊后尚应采取焊后保温的消氢热处理DHC（dehydrogenetion heat treatment）或中间消除应力热处理ISR（intermediate stress relief）和最 终焊后热处理PWHT（post weld heat treatment）等多种形式的且又必 须的热处理，方能保证焊接接头不开裂，并具有有良的综合性能。 对 Cr-Mo钢进行的最终焊后热处理，不仅是消除残余应力，更是改善材 料力学性能的重要手段。 有的制造厂很精辟的总结出， 要想制造好 Cr-Mo钢压力容器，必须抓好“三热”，即“预热”、“后热”、“热处理”。 32延迟裂纹敏感性及其防止措施 压力容器制造过程中会有氢气进入钢中： 3.2.1炼钢时会有气体进入钢中，包括氢气，钢水在结晶冷凝时没有 逸出而溶解在钢中，有时钢水虽经真空处理，但仍有极少量的氢存在 于钢中。如果含氢量较多，则在钢中会产生许多细微裂纹群，这种细微 裂纹群称为白点。 对于铬钼高强度低合金钢更易产生白点，很容易脆 裂。 3.2.2容器在焊接过程中，焊接材料中水分或油污，在电弧高温作用 下分解产生氢，这些氢有一部分进入熔融的焊缝金属中。 即使品质好 的焊接材料， 在焊接接头中的扩散氢含量也难于控制在510-6以下。 焊接材料不好或管理不严时，焊缝中的扩散氢含量会高达1010-6 ，甚 至导致裂纹的产生。 3.2.3裂纹敏感性。 冷裂纹是铬钼钢焊接接头中最危险的一种缺陷。 冷裂纹主要发生于焊接接头的热影响区内， 有时也发生在焊缝金属 中。 引起这类裂纹的原因一般认为有三个： 对冷裂纹敏感的淬硬组织； 一定的含氢量； 一定的拘束应力。 由于这种裂纹与氢的扩散有关，因此具有延迟的特性，往往是在 焊后若干时间内产生的，因此又称为“氢致延迟裂纹”。 324防止措施。 为了减少热影响区的扩散氢含量，采用低氢焊条的 同时还必须严格遵守焊条的烘烤、保存等规定。焊接时预热、保持层间 温度、焊后消氢或中间消除应力热处理。 在结构设计上应尽量减减少 拘束度，合理设计接头结构。 4制造过程中的检测 鉴于铬钼刚制压力容器往往使用于高温、临氢，有时压力还很高 的状态下，在制造过程中，特别是焊接时又易出现冷裂纹等各类缺陷， 而且容器在焊接前、焊接过程中、焊接后、热处理前、热处理后、水压试 验前和水压试验后等各个阶段均有可能出现裂纹之类的缺陷，因而在 制造铬钼钢压力容器时，在制造过程的各个阶段分别提出了如下各种 检测，以确保产品质量。 41射线检测（RT） 对所有A、B类接头的无损检测均应在焊后至少24小时后或热 处理之前进行100%射线检测。 42超声检测（UT） 铬钼钢制压力容器，特别是高温高压厚壁反应器，须对原材料进 行超声检测。对焊接接头进行100%射线检测后，还应对能进行超声检 测的焊接接头在中间消除应 力 热 处 理 （ISR）、 最 终 焊 后 热 处 理 （PWHT）和水压试验后进行超声检测。 超声检测对裂纹缺陷比射线检 测更灵敏。GB150规定，对于厚度大于16mm的12CrMo、15CrMoR、15 CrMo和其他任意厚度的Cr-Mo低合金钢A类和B类焊接接头，需进 行100%射线检测或超声检测。 固定式压力容器安全技术监察规程 第4、5、3、3条规定， 有延迟裂纹倾向的材料应当至少在焊接完成24 小时后进行无损检测，有再热裂纹倾向的材料应当在热处理后增加一 次无损检测；标准抗拉强度下限值大于或等于540MPa的低合金钢制 压力容器，在耐压试验后，还应当对焊接接头进行表面的无损检测。 43磁粉检测（MT） 焊前对焊接接头的焊缝坡口及其两侧，焊接接头在焊后、热处理 和水压试验后，焊缝清根以及缺陷返修，连接附件去除之后的容器表 面均要进行磁粉检测，确保无裂纹之类缺陷存在。 44渗透检测（PT） 在无法进行和不能用磁粉检测的部位， 还需在ISR、PWHT和水 压试验后进行渗透检测。 45硬度测试 对A、B和D类接头进行硬度测试，控制硬度在允许范围内。 5压力容器用铬钼钢最新进展 从60年代开始，炼油工业中的加氢反应器绝大多数采用2.25Cr- 1Mo钢制造，但在多年的使用过程中逐渐发现了他的一些缺点，如回 火脆化倾向、抗氢蚀能力和强度不能满足更苛刻操作条件以及设备大 型化的需要。 因此，从80年代开始，国外着手开发加V（钒）的改进型 Cr-Mo钢，即2.25Cr-1Mo-0.3V 、和 3Cr-1Mo-0.25V钢，现已成功地用 于多台临氢压力容器上， 它与普通的2.25Cr-1Mo钢相比具有以下主 要优点： 51抗回火脆化性能更好。 对板材、锻件和焊缝金属进行“分布冷却” 脆化表明，其试验前后的转变温度增量都很小，说明没有明显的回火 脆化现象。 52抗氢腐蚀性能大幅提高。 由于钒的加入，在钢中形成了热稳定性 很高的碳化钒。从大量的试验数据也表明他们具有很好的抗氢腐蚀性 能。 而且2.25Cr-1Mo-0.3V钢已被正式列入最新版标准的推荐准则 中。 该准则中的纳尔逊曲线表明，2.25Cr-1Mo-0.3V钢在高压条件下 的使用极限温度可达510，比普通2.25Cr-1Mo钢高了56。 53抗拉强度和蠕变极限有较大提高。 由于钒的强化作用，其抗拉强 度和蠕变极限都有较大的提高， 它们在室温下的规定抗拉强度为 585MPa760 MPa，而普通2.25Cr-1Mo钢仅为515MPa690 MPa，标准 规定的最小抗拉强度值提高约13%。 54抗不锈钢堆焊层氢致剥离能力优越。 加钒Cr-Mo钢不仅使钢中 的碳化物组成、形态、分布状况发生了变化，而且也改变了氢在钢中的 扩散速度和溶解度特性，降低的氢致剥离敏感性。 6结束语 我国近年来也开发了3Cr-1Mo-0.25V和2.25Cr-1Mo-0.3V改进 型Cr-Mo钢，并已制造了多台加氢反应器，全国锅炉压力容器标准化 技术委员