《承压设备常用材料》PPT课件.ppt

承压设备用材要求 足够的强度 良好的韧性 良好的加工工艺性能 良好的低倍组织和表面质量 高温元件材料应由良好的高温特性 与耐蚀介质接触的材料应由良好的抗腐蚀性能,3.承压设备常用材料,1.按碳含量分类 低碳钢（C0.25%） 中碳钢（C0.25-0.60%） 高碳钢（C0.60%）。 2.按钢的质量分类 普通钢（P0.045%，S0.050%） 优质钢（P、S均0.035%） 高级优质钢（P0.035%，S0.030%） 3.按钢的用途分 碳素结构钢 碳素工具钢 4.按冶炼时脱氧程度分 沸腾钢 半镇静钢 镇静钢,3.1 压力容器用碳素钢,根据GB/T 221-2008 钢铁产品牌号表示方法 碳素结构钢和低合金结构钢的牌号通常由四部分组成 第一部分：前缀符号+强度值（N/mm或MPa）,其中通用结构钢前缀符号为代表屈服强度的拼音字母“Q”， 专用钢前缀符号见表3。 第二部分（必要时）：钢的质量等级，用A、B、C、D、E表示。 第三部分（必要时）：脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢。镇静钢、特殊镇静钢表示符号通常可以省略。 第四部分(必要时)：产品用途、特性和工艺符号表示方法，如锅炉压力容器用钢板用“R”表示，详见表4。,3.1 压力容器用碳素钢,常用的普通低碳钢牌号有Q235B、Q235C,钢材具有如下特点： （1）热轧状态交货,具有良好的塑性、韧性和冷热加工性能； （2）焊接性优良，一般不需预热、控制层间温度、后热和热处理；合金元素含量少，焊接不会产生硬化组织；焊接接头塑韧性好。 注: 表3.3-1和3.3-2中20R钢号在GB713-2008中应为Q245R,其S，P含量分别0.015,0.025,3.1 压力容器用碳素钢,(一)锰的影响 一般认为锰在钢中是一种有益的元素。在碳钢中含锰量通常在0.25080范围；在含锰合金钢中，一般控制在1.01.2范围。 锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；一部分锰也能溶于Fe3C中，形成合金渗碳体；锰还能增加珠光体相对量，并使它变细，从而提高钢的强度。锰与硫化合成为MnS，以减轻硫的有害作用。当锰含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不显著。,锅炉压力容器常用碳素钢的含碳量一般不超过0.25%。除碳外，钢种还含有硅、锰、硫、磷以及氮、氢、氧等杂质。这些杂质会对钢的性能产生影响,3.1.2 压力容器用碳素钢主要元素作用,(二)硅的影响 硅在钢中也是一种有益的元素。在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中含硅最通常在0.10O.40之间；沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中只含有0.030.07Si。硅与锰一样，能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性均提高，塑性、韧性均降低。硅也有一部分存在于硅酸盐夹杂中。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响亦不显著。,3.1.2 压力容器用碳素钢主要元素作用,(三)硫的影响 硫主要以硫化铁形式存在。硫化铁与铁形成低熔点共晶体（熔点985）分布于晶界上，当钢材在8001200锻轧时，由于低熔点共晶体熔化而使钢材沿晶界开裂，即“热脆”。 为了避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，压力容器专用钢板含硫量应0.020。 GB6654-1996压力容器用钢板及修改单 GB3531-1996低温压力容器用低合金钢钢板， 在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用。Mn与S形成熔点为1620的MnS，MnS高温时又有塑性，因此可避免热脆现象。,3.1.2 压力容器用碳素钢主要元素作用,(四)磷的影响 磷也是一种有害杂质。磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。 磷的存在也使焊接性能变坏，因此钢中含磷量要严格控制，压力容器专用钢材含硫量应0.030。,3.1.2 压力容器用碳素钢主要元素作用,(五)氮、氢、氧的影响 氮使钢耐蚀性下降，以及出现应变实效脆化。 氧使钢强、塑性降低，热脆现象严重，疲劳强度下降。 氢会引起氢脆、延迟裂纹、白点等危险缺陷,3.1.2 压力容器用碳素钢主要元素作用,1.按合金元素加入量分类 低合金钢（C5%） 中合金钢（C5-10%） 高合金钢（C10%）。 2.按钢的用途分 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能合金钢 3.按钢的组织分类：珠光体钢、奥氏体钢、铁素体钢、马氏体钢 4.按所含主要合金分类：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢,3.2 压力容器用低合金钢,注：金属材料的表示方法：GB/T 221-2000钢铁产品牌号表示方法,1.16MnR (GB713-2008改为Q345R) 2. 15MnVR （GB150中已取消此钢号） 3. 15MnVNR（GB713-2008改为Q370R） 4.18MnMoNbR 5. 13MnNiMoNbR(GB713-2008改为13MnNiMoR) 6. 07MnCrMoVR（GB191892003）,注：按照GB713-2008锅炉压力容器用钢板的规定：碳素钢和低合金高强钢的牌号用屈服强度值和“屈”字、压力容器“容”字的汉语拼音首位字母表示。例如：Q345R 钼钢、铬-钼钢的牌号，用平均含碳量和合金元素字母、压力容器“容”字的汉语拼音首位字母表示。例如：15CrMoR,3.2 .1压力容器用低合金结构钢,新标准和老标准的钢号比较见下表:,新旧标准材料常用牌号对照,常用于压力容器的低合金钢牌号如下：Q345R、Q370R、18MnMoNbR、07MnCrMoVR等。,3.2.1 压力容器用低合金结构钢,（一）Q345R a、具有良好的抗热裂性能含碳量低、锰含量高，Mn/S大； b、具有冷裂纹倾向，但不大；当厚度较大、或环境温度低时会产生冷裂纹； c、焊接含碳量偏下限的 Q345R时，一般选用偏小线能量；提高过热区塑韧性； d、焊接含碳量偏上限的Q345R时，一般选用偏大线能量；防止冷裂纹倾向增大； e、焊接小于等于34mm的Q345R时不需预热，大于34mm的Q345R时需预热100-150， f、重要的构件厚度大于34mm时焊后需要进行600-640的消应力热处理；,3.2 .1压力容器用低合金结构钢,（二）Q370R a、正火状态供货，强度和韧性优于Q345R；当厚度大于36mm时，比相应厚度的Q345R强度提高10.6%； b、焊接性能与Q345R接近焊接性良好； c、焊接需要100预热，防止冷裂纹； d、焊接参数范围宽，焊接线能量控制在12-45KJ/cm，可获得性能优良的接头。 （三） 18MnMoNbR a、在950-980正火+620-650 回火或调质处理后使用； b、组织为低碳贝氏体和低碳马氏体，； c、具有良好性能，冷裂纹倾向大，具有轻微的再热裂纹敏感性，热应变脆化倾向小。焊接时一般要进行预热来防止冷裂纹和再热裂纹，焊后需要进行回火处理；,3.2 .1压力容器用低合金结构钢,（四）07MnCrMoVR、07MnCrMoVDR、12MnNiVR钢 a、07MnCrMoVR、07MnCrMoVDR 是压力容器用调质高强钢，含碳量较低，用微量合金元素强化基体实现良好强度和韧性，保证焊接性；具有较高的屈服强度、良好的塑韧性；良好性能通过化学成分、组织为条状马氏体、贝氏体和少量回火马氏体； b、配套高韧性焊接材料，采用小热输入多层多道焊，具有热应变脆性和较强的再热裂纹倾向。 c、12MnNiVR是以C-SI-Mn合金为基，多元微合金化处理的合金钢，通过形成氮化物的弥散强化有效细化晶粒改善钢的强韧性，通过调至热处理得到良好性能；该钢具有高强度、高韧性、优良的焊接性和大线能量焊接要求的性能特点。,3.2 .1压力容器用低合金结构钢,为了提高钢的力学性能，必须在钢中添加一些合金元素，其中最主要的有锰、硅、铬、镍、钼、钛、铌、钒、铝和铜等。这些元素添加在钢中后，对钢的物理性能和力学性能影响很大。,(1)锰 是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。作为合金元素加入钢中的锰，能够提高钢的强度性能和奥氏体钢的组织稳定性，截面较大的工件可以获得较均匀的细化组织。如锰含量增加到1015时，可获得韧性和强度都好的奥氏体钢，耐腐蚀性也很好，因此压力容器用碳素钢锰含量都很高。锰的不利影响是增加钢的过热敏感性和回火脆性。 锰是最便宜的合金元素，资源丰富，我国常用锰钢代替镍铬钢。,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,(2)硅 通常钢中硅含量在0.20.3范围内。如钢中硅的含量超过0.5时，则认为硅是作为特殊的合金元素加人的。硅能提高钢的强度、耐腐蚀性和耐热性。硅含量高达1520时，即高硅铸铁，具有特别好的耐酸腐蚀性能。含硅钢在氧化气氛中加热时，表面形成一层SiO2，从而提高钢在高温时的抗氧化能力，因此在铬、铬铝、铬镍钢中加入一定量的合金元素硅，将增加这些钢的高温抗氧化能力。锰钢加硅也能提高它的抗氧化性能，但含量过高时，钢表面脱碳倾向加剧。硅易在钢中产生带状组织，从而使钢材横向性能低于纵向性能，脆性转变温度升高，韧性和可焊性降低。,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,(3)铬 能提高钢的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，铬钢具有良好的综合力学性能，经淬火回火处理的铬钢，铬元素一般不降低其韧性。铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，钢中铬含量越高，其抗腐蚀性能越好。通常，不锈钢的铬含量高于13。 由于铬能提高铬镍调质钢和高铬高碳钢的淬透性，因此冷却时要防止由组织应力而产生裂纹。高铬钢(含铬量超过1214时)的导热性能很差，在热加工加热时应注意缓慢地升温，并有足够的保温匀热时间。高铬钢在成型加工时，每次变形量要小些。,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,(4)镍 能使钢具有很高的强度、塑性和韧性。当镍含量少于20时，其强度随镍含量增高而增加，塑性随镍含量增高而降低。当镍含量高于20时，强度逐渐降低，但塑性提高。镍能提高钢的抗疲劳性能，减少钢对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度。镍能够提高钢对大气、海水、酸(当镍含量超过1520时，对硫酸、盐酸均有很高的耐腐蚀能力)、碱、盐等耐腐蚀性能。镍对钢的耐腐蚀性能的影响，通常是使它与铬配合时才能充分地表现出来。因为镍是形成奥氏体的合金元素，若在钢中只加入镍，而不加入铬，要使低碳镍钢获得纯的奥式体组织，只有镍含量超过24时才能比较明显地提高钢的耐腐蚀性能。若镍和铬配合加入钢中，如在铁素体铬不锈钢中加入少量的镍，使金相组织由单相铁素体变为奥氏体和铁素体双相组织，从而显著地提高钢的耐腐蚀性。若对此钢进行热处理，则可提高强度。铬钢中加人的镍元素多一些，奥氏体和铁素体双相组织就变为单相奥式体钢(Cr18Ni9)。这种钢具有特别好的耐腐蚀性能和良好的形变、焊接性能。 镍虽然属于稀贵金属，但是它是炼制高级合金钢的主要元素之一。在腐蚀条件下工作的压力容器以及需要保持被处理物质不变质的储槽或装置(如食品工业用)，还应当用铬镍钢制造。,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,(5)钼 主要使钢具有耐热性和很高的高温力学性能。在结构钢中，钼的作用是消除回火脆性、细化晶粒，同时强烈提高钢的淬透性，使截面厚度较大的部件可以淬透、淬深。在含有导致回火脆性的元素，如锰、铬等钢中加入钼，能防止和减少钢的回火脆性，提高冲击韧性。在不锈钢中，加入钼后能进一步提高钢对有机酸、过氧化氢、亚硫酸、硫酸、酸性染料、漂白粉等的耐腐蚀性能。 钼是较贵重的元素，用途也很广，因此钼钢(一般和铬配合使用)只能用于高温工作条件下的部件或重要的大截面构件，如高温高压容器的受力部件。,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,(6)钛 是最好的脱氧剂和除气剂。若在钢中加入0102的钛，可加强熔炼时钢的精练作用，降低钢热处理的过热趋势。 钛能改善钢的热强性。在碳素钢和低合金钢中加入钛，能提高持久极限和蠕变极限。含铬量在46的铬钢中加入钛后，能提高高温时的抗氧化性能。不锈耐酸钢中加入钛，能避免晶界贫铬，减少晶间腐蚀倾向，提高钢的耐腐蚀性能和韧性，抑制钢在高温时晶粒长大倾向，改善钢的焊接性能。在锰钢中，加入少量的钛，能提高它的力学性能，特别是屈服极限；在铸钢中加入约02的钛，可以细化铸态组织，提高铸钢的强度和韧性。,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,(7)钒 在钢中的主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。钒在高温溶入奥氏体时，能提高钢的淬透性。相反，若以碳化物形态存在时，将降低钢的淬透性。其次钒能增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。 (8)钨 其硬度和熔点都高，一般用来制造合金工具钢和高速钢。钨能增加钢的回火稳定性、红硬性和热强性，如在结构钢中加入0204的钨，便能防止热处理时晶粒长大和粗化，降低回火脆化倾向，显著地提高钢的强度和韧性。在不锈钢中，如15A13MoWTi(钨含量为0406)是一种不含铬镍的耐腐蚀钢，用于常压加热炉、裂化加热炉、减压加热炉、催化加热炉辐射段炉管和裂化分馏塔、焦化分馏塔内构件等，耐腐蚀性能很好，优于0Cr13钢。 （9）钢中加入适量的稀土元素，能净化晶界上的杂质，提高钢的高温强度，还能改变钢中非金属夹杂物的形态，改善钢的塑性,3.2.1.2 压力容器用低合金结构钢合金元素作用,耐热钢分为热稳定钢和热强钢，热稳定钢具有高温下抗氧化或耐气体介质腐蚀性能。热强钢在高温下既能抗氧化性同时具有一定的高温强度。 耐热钢按合金成分的质量分数分为低合金（5%以下）、中合金（5-10%）和高合金（大于10%）耐热钢三种。 合金系列有Mo、Mo-V、Cr-Mo-V等。具有低的含碳量，由于合金元素含量不同具有珠光体耐热钢（合金元素含量2.5%以下，具有P+F组织）；贝氏体耐热钢（合金元素含量3-5%，具有B+F组织）,主要以退火状态或正火+回火状态供货。 耐热钢中单独加入钼时在高温长期工作会产生组织不稳定现象，需要加热CrNb等合金元素，进一步提高钢的蠕变强度和组织稳定性。 耐热钢具有较高的冷裂倾向和再热裂纹敏感性焊接时应采用预热、焊后后热和及时热处理等工艺措施。,3.2.2 压力容器用低合金耐热钢,用于低温条件的钢材，分为含镍和不含镍钢两类； 常用低温钢牌号有16MnDR、15MnNiR、O9MnNiDR 。 低温钢主要性能要求：保证使用温度下具有足够的韧性和抵抗脆性破坏的能力，主要通过降低含碳量、限制S、P等杂质元素含量、通过微量合金元素细晶强化、固溶强化，配合正火或正火加回火处理获得良好的低温韧性。 不含镍低温钢含碳量低、合金元素含量低，冷裂倾向小，焊接性良好；一般不需预热； 含镍低温钢具有冷裂倾向小，当厚板焊接或拘束较大时应预热；焊接材料应严格控制杂质元素含量防止热裂纹；焊接尽量采用小线能量，多层多道焊控制层间温度；,3.2.3 压力容器用低温钢,不锈钢的类别 不锈钢分为不锈钢和耐酸钢，不锈钢是指在大气、水等弱腐蚀介质中耐腐蚀的钢。耐酸钢是指在酸碱盐等强腐蚀介质中耐蚀的钢，耐酸钢一定是不锈钢。 不锈钢分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和双相不锈钢。 a、铁素体钢-含铬量为17-28%的高铬钢，主要作为热稳定钢； b、马氏体钢以铬13系列和铬12系列为基多元合金钢 c、奥氏体钢高铬镍钢及高铬锰氮钢等的奥氏体钢；有以18-8为基 的耐蚀钢和25-20为基的热稳定钢。 d、双相不锈钢铁素体和奥氏体相各占50%不锈钢；,3.3 压力容器用不锈钢,奥氏体不锈钢以固溶状态交货，具有良好的加工性能和低温冲击性能。 加工硬化性很高，高温加热会产西格玛相和晶间腐蚀现象。 奥氏体不锈钢较易焊接但具有如下焊接问题： a、热裂纹具有较高的热裂纹敏感性 b、晶间腐蚀倾向通过焊接热输入造成接头敏化产生晶间腐蚀。 c、应力腐蚀开裂较大残余应力的存在使奥氏体不锈钢容易产生应力腐蚀开裂。 d、焊接接头脆化限制铁素体数量是改善低温韧性和防止高温脆化的主要措施；,注：钢材牌号中碳含量以千分之几表示。例如“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%；若钢中含碳量0.03%或0.08%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之，例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等。 对钢中主要合金元素以百分之几表示，而钛、铌、锆、氮等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。,3.3 压力容器用不锈钢,双相不锈钢的特点： a、强度高综合性能好、抗点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳性能优异 b、具有良好的焊接性，对热裂纹不敏感，焊接过程中需要控制线能量，保证相比例在30-70%范围内。 c、常用的双相不锈钢有022Cr23Ni4MoCuN、 022Cr25Ni7Mo4CuN、 022Cr25Ni7Mo4N等。 不锈钢复合板 是以碳素钢和低合金钢为基层，采用爆炸或其他方法，将一面或两面整体连续的包覆一定厚度不锈钢的复合材料。 a、通常采用爆炸法（B）、轧制法（R）、轧制-爆炸法（BR）、堆焊方法等； b、复合材料特点;强度高、耐蚀性能好、价格低廉 c、复合板经过复合后需要进行热处理，覆层以酸洗钝化或抛光处理交货，按批检验；按同牌号、同规格、同工艺、同热处理制度组批。 d、性能指标有：界面结合率、力学性能、工艺性能等 e、表面质量要求无气泡、结疤、裂纹、夹杂等缺陷。,3.3 压力容器用不锈钢,奥氏体不锈钢由于使用条件的改变，存在着晶界腐蚀、点蚀 及应力腐蚀破裂等。,316LMod 不锈钢的点蚀,316LMod 不锈钢的应力腐蚀裂纹,3.3 压力容器用不锈钢,选材不当、材料误用、材料缺陷等材料原因是造成压力容器设备事故的主要原因之一 .加强对材料质量控制与管理，合理选用、正确使用，是保证压力容器产品质量的前提条件 选用错误的材料或者不恰当的材料可能会给生产安全带来诸多隐患。,316LMod 316L,3.3 压力容器用不锈钢,316L 316LMod,3.3 压力容器用不锈钢,3.4 压力容器用材料标准,注：以上版本仅供参考， 所有标准应以现行版、替代标准和修改单为准。,3.4 压力容器用材料标准,3.4 压力容器用材料标准,2006年 美国机械工程师学会（ASME）锅炉及压力容器规范 ASME CODE CASE 2506 正式采纳我国国家标准GB6654-1996压力容器用钢板中的16MnR钢可用于制造ASME规范第VIII卷第1册的压力容器“这是我国压力容器用钢板首次被国际公认的权威性ASME规范所采纳。此次ASME标准案例引入1