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1 钢制压力容器用材料 2009年12月16日张凯 2 课题目录第一篇法规 标准对压力容器用钢材料的要求一 压力容器用钢的基本要求二 钢制压力容器允许使用的钢材三 容规 对材料的要求第二篇材料标准一 代号二 几个机械性能指标及符号三 尺寸 外形 检验与试验第三篇容器设计选用材料的注意事项一 材料性能的影响因素二 材料的性能要求三 设计条件的要求 3 第一篇法规 标准对压力容器用钢材料的要求一 压力容器用钢的基本要求1 压力容器受压元件用钢应符合GB150中第4节材料章的要求 非受压元件用钢 当与受压元件用钢焊接时 也应是化分相近 焊接性良好的钢材 2 采用GB150中第4节材料章以外的其他钢号的钢材 还应符合 附录A材料的补充规定 的有关规定 3 附录A作为第4节的补充 对下列钢材提出了要求 1 已列入第4节但尚未列入材料标准 国家标准或行业标准 的钢材 4 2 选用未列入第4节的钢材 应注意以下要求 选用国外钢材时 应是国外相应压力容器最新标准所允许使用的钢材 其适用范围不应超出该标准的规定 同时也不应超出第4节中相近成分和技术要求的规定 选用新研制的钢材或未列入本标准的钢材 新钢材研制的负责单位或选用单位应将该钢材的技术资料报全国锅炉压力容器标准化技术委员会审定 审定合格后出具允许使用的证明文件 采用该钢材的容器制造单位报国家技术质量监督检验检疫总局锅炉压力容器安全监察机构批准后方可使用 5 4 容器用钢应附有钢材生产单位的钢材质量证明书 容器制造单位应按质量证明书对钢材进行验收 必要时尚应进行复验 5 选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件 如设计温度 设计压力 介质特性和操作特点等 材料的焊接性能 容器的制造工艺以及经济合理性 6 钢材的使用温度下限 除奥氏体钢及本章有关条文另行规定者外 均高于 20 钢材的使用温度低于或等于 20 时 应按附录C的规定进行夏比 V型缺口 低温冲击试验 奥氏体钢的使用温度高于或等于 196 可免做冲击试验 6 7 钢材的使用温度上限应按第4章各材料许用应力表中各钢号所对应的上限温度 碳素钢和碳锰钢在高于425 下长期使用时 应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向 所谓石墨化是指钢在高温和应力长期作用下 会使碳化物分解成游离的石墨 这个过程是自发进行的 称为钢的石墨化过程 它不但消除了碳化物在钢中的作用 而且石墨相当于钢中的小裂纹 使钢的强度和塑性显著降低而引起钢件脆断 这是一种十分危险的转变过程 向钢中加入Cr Ti Nb等合金元素 能阻止石墨化过程 采用退火或回火处理也能减少石墨化倾向 奥氏体钢的使用温度高于525 时 钢中含碳量应不小于0 04 主要考虑高温下钢的强度的下降 7 8 当对钢材有特殊要求时 如特殊的冶炼方法 较高的冲击功指标 附加保证高温屈服强度 提高无损检测要求 增加力学性能检验率等 设计单位应在图样或相应技术文件中注明 9 钢材的高温性能参考值见150附录F 8 二 钢制压力容器允许使用的钢材1 钢板1 1碳素钢板1 1 1Q235钢板GB T700 2006碳素结构钢现在剩Q235 D符合新容规要求 但是又不在150范围内 4mmGB912 2008碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带 4mmGB T3274 2007碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带 9 1 1 2Q245R钢板GB713 2008锅炉和压力容器用钢板1 2低合金钢板1 2 1常用钢板Q345RQ370R18MnMoNbR13MnNiMoRGB713 2008锅炉和压力容器用钢板1 2 2中温抗氢用钢板15CrMoR14Cr1MoR12Gr2Mo1R12Gr1MoVRGB713 2008锅炉和压力容器用钢板1 2 3低温容器用钢板16MnDR15MnNiDR09MnNiDRGB3531 2008低温压力容器用低合金钢钢板 10 1 3球罐用调质钢板07MnCrMoVR07MnNiMoVDR12MnNiVRGB19189 2003压力容器用调质高强度钢板1 4不锈钢板12Cr18Ni9 304 06Cr18Ni11Ti 321 022Cr19Ni10 304L 022Cr17Ni12Mo2 316L GB T4237 2007不锈钢热轧钢板和钢带 11 1 5不锈钢复合钢板JB4733 1996压力容器用爆炸不锈钢复合钢板爆炸法GB T8165 2008不锈钢复合钢板和钢带爆炸 轧制法2 钢管2 1碳素钢管 低合金钢管GB T8163 2008输送流体用无缝钢管 10mmGB9948 2006石油裂化用无缝钢管GB T6479 2000高压化肥设备用无缝钢管另外其他可用的钢管标准 如 GB T3087 GB5310等 2 2低温钢管 40 16MnGB T6479 2000高压化肥设备用无缝钢管 50 09MnDGB150附录A 12 2 3不锈钢无缝钢管GB T14976 2002流体输送用不锈钢无缝钢管GB13296 2007锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管2 4不锈钢焊接钢管GB12771 2000流体输送用不锈钢焊接钢管 容器设计压力不大于6 4MPa 各钢号钢管的使用温度范围与相应钢号的无缝钢管相同 钢管壁厚不大于8 0mm 不得用于毒性程为极度危害的介质 各钢号钢管的许用应力为相应钢号无缝钢管的许用应力乘以0 85的焊接接头系数 13 3 锻件3 1标准简介JB4726 2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件JB4727 2000低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件JB4728 2000压力容器用不锈钢锻件3 2锻件级别 使用工况和检测要求的不同 锻件级别要在图样上注明 如 16Mn 09MnNiD 区分锻件与管子的不同 14 4 螺柱用钢25354535CrMoA25Cr2MoVA0Cr17Ni14Mo240CrNiMoA 大直径高压容器主螺栓 5 焊接材料JB T4747 2002 压力容器用钢焊条订货技术条件 代替GB T983 1995 不锈钢焊条 GB T5117 1995 碳钢焊条 GB T5118 1995 低合金钢焊条 15 三 容规 对材料的要求1 通用要求与GB150基本相同 主要是对材料的管理要求 2 容规的特殊要求2 1压力容器专用钢板 带 的制造单位应当取得相应的特种设备制造许可证 2 2用于焊接的碳素钢和低合金钢碳素钢和低合金钢钢材 C 0 25 P 0 035 S 0 035 2 3压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢 钢板 钢管和钢锻件 其磷 硫含量应当符合以下要求 16 1 碳素钢和低合金钢钢材基本要求 P 0 030 S 0 020 2 材标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的钢材 P 0 025 S 0 015 3 用于设计温度低于 20 并且钢材标准抗拉强度下限值小于540MPa的钢材 P 0 025 S 0 012 4 用于设计温度低于 20 并且钢材标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的钢材 P 0 020 S 0 010 17 2 4压力容器受压元件用钢 应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢 对标准抗拉强度下限值大于或者等于540Mpa的低合金钢钢板和奥氏体 铁素体不锈钢钢板 以及用于设计温度低于 20 的低温钢板和低温钢锻件 还应当采用炉外精炼工艺 2 5取消了碳当量不大于0 45 的限定要求 2 6力学性能进行了详细规定 对冲击功和断后伸长率做了具体规定 并给出数值 见容规的表2 1和2 2 18 2 7钢板超声波检测厚度大于或等于12mm的碳素钢和低合金钢钢板 不包括多层压力容器的层板 用于压力容器壳体时 凡符合下列条件之一的 应当逐张进行超声检测 1 盛装介质毒性程度为极度 高度危害的压力容器 2 在湿H2S腐蚀环境中使用 3 设计压力大于等于10MPa的 4 本规程引用标准中要求逐张进行超声检测的 3 境外牌号材料的使用3 1基本管理要求与GB150相同 19 3 2压力容器制造单位应当对进厂材料与材料质量证明书进行审核 并且对材料的化学成分和力学性能进行验证性复验 符合相关要求后才能投料使用 3 3标准抗拉强度下限值大于等于540MPa的钢材 以及用于压力容器设计温度低于 40 的低合金钢钢材 材料制造单位还应当按照容规1 9的规定通过技术评审 其材料方可允许使用 3 4当境外牌号材料由境内材料制造单位制造的材料生产时 除应当上述要求外 还应当按照容规1 9的规定通过技术评审 评审内容包括材料制造单位的相关条件和材料的试制技术文件 20 4 新材料的使用4 1未列入本规程引用标准的材料主要受压元件采用未列入容规引用标准的材料 试制前材料的研制单位应当进行系统的试验研究工作 并且应当按照容规1 9的规定通过技术评审合格 该材料方可允许使用 4 2已列入本规程引用标准的材料标准抗拉强度下限值大于或者等于540Mpa的钢材 以及用于设计温度低于 40 的低合金钢钢材 如果钢材制造单位没有该钢材的制造或者压力容器应用业绩 则应当进行系统的试验研究工作 并且按照容规1 9的规定通过技术评审 该钢材方可允许使用 21 5 材料投用和标志移植5 1压力容器制造单位应当通过对材料供货单位进行考察 评审 追踪等方法 确保所使用的压力容器材料符合本规程的要求 并且在材料进厂时审核材料质量证明书和材料标志 5 2对于采购的第 类压力容器用 级锻件 以及不能确定质量证明书的真实性或者对性能和化学成分有怀疑的主要受压元件材料 压力容器制造单位应当进行复验 符合容规的规定后方可投料使用 5 3用于制造压力容器受压元件的材料在分割前应当进行标识移植 22 6 焊接材料6 1用于制造压力容器受压元件的焊接材料 应当保证焊缝金属的力学性能高于或者等于母材规定的限值 当需要时 其他性能也不能低于母材的相应要求 6 2焊接材料应当满足相应焊材标准和本规程引用标准的要求 并且附有质量证明书和清晰 牢固的标志 7 材料代用压力容器制造或者现场组焊单位对主要受压元件的材料代用 应当事先取得原设计单位的书面批准 并且在竣工图上做详细记录 23 第二篇材料标准GB150 98列出了用于压力容器制造的各种材料标准 主要是几个影响大的标准 现在的标准号 下面将现行的一些材料标准列后 GB T700 2006碳素结构钢GB912 2008碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带GB T3274 2007碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带GB713 2008锅炉和压力容器用钢板GB3531 2008低温压力容器用低合金钢钢板GB19189 2003压力容器用调质高强度钢板JB4733 1996压力容器用爆炸不锈钢复合钢板 24 GB T8165 2008不锈钢复合钢板和钢带GB T4237 2007不锈钢热轧钢板和钢带GB T8163 2008输送流体用无缝钢管GB9948 2006石油裂化用无缝钢管GB T6479 2000高压化肥设备用无缝钢管GB T14976 2002流体输送用不锈钢无缝钢管GB13296 2007锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管GB12771 2000流体输送用不锈钢焊接钢管JB4726 2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件JB4727 2000低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件JB4728 2000压力容器用不锈钢锻件JB T4747 2002 压力容器用钢焊条订货技术条件 等等 25 一 代号1 压力容器专用钢材 钢板 锻件 钢管 2 常用材料的代号表示2 1R的含义根据压力容器专用钢板标准表示方法中的规定 标准所列牌号后面的 R 是指压力容器 容 字的汉语拼音第一个字母 2 2Q的含义根据GB T700 2006中牌号表示方法中的规定 钢的牌号由代表屈服点的字母 屈服点数值 如235表示屈服点为235MPa 质量等级符号 脱氧方法符号等四部分按顺序组成 26 Q 钢材屈服点 屈 字汉语拼音首位字母 A B C D 分别为质量等级 F 沸腾钢 沸 字汉语首位字母 b 半镇静钢 半 字汉语拼音首位字母 z 镇静钢 镇 字汉语拼音首位字母 TZ 特殊镇静钢 特镇 两字汉语拼音首位字母 在牌号组成表示方法中 z 与 TZ 符号予以省略 如 Q345C Q235 B 27 二 几个力学性能指标及符号1 强度 是指在外力的作用下 抵抗变形和破坏的能力 应用最普遍的强度指标是 屈服强度ReL 抗拉强度Rm 单位MPa 均为极限值 1 1屈服强度ReL材料受外力超过一定值时 变形会突然增加 这时虽然载荷不再增加 而仍断续发生塑性变形的现象叫屈服 开始出现屈服时的应力叫屈服极限 含碳量较高 合金含量较高和淬火回火的钢 屈服现象不明显 这时就将引起残余伸长相当于原试样标距长度0 2 的应力 规定为 条件屈服应力 以Rr0 2表示 28 1 2抗拉强度Rm材料受外载荷断续增大 在断裂前承受的最大载荷时的应力 称为材料的抗拉强度 1 3屈强比 ReL Rm 工程上比较重视屈强比 这个值越小 表示材料屈服极限与强度极限的差距越大 即塑性越好 从而保证了使用中的安全可靠 但无疑也使材料在弹性变形范围内承受载荷小 相反屈强比高 说明屈服限接近强度限 材料在断裂前塑性 储备 太少 对应力集中敏感 耐疲劳抗力下降 在设计中必然要对应力状态有充分估计 局部应力 应力集中 二次应力 制造中要尽量避免加工硬化 裂纹及残余应力 所以设计中要考虑屈强比 一般屈强比大于0 7的材料在设计中和制造中应予以重视 大于0 8 0 85的材料要特殊对待 29 2 其他力学性能指标2 1塑性金属的塑性是指在外力作用下 能引起永久变形而不发生破裂 并在外力取消后 仍能保持变形后形状的能力 塑性值也可通过拉伸试验测得 通常用伸长率 延伸率 A和断面收缩率Z来表示 从压力容器本身工作条件看 一般材料延伸率是足够的 但必须考虑如下情况 首先 材料由于冷作 冷卷 压头 锤击 剪切 和焊接引起伸长率降低是不可估量的 另外 容器实际工作的受力并非单向应力 这些均会降低材料的延伸率 影响压力容器的安全储备 30 2 2冲击韧性在冲击力作用下 抑制变形和断裂的能力 目前以Akv表示为多 即以冲断试样消耗的冲击功 单位是焦耳 J 目前压力容器用钢板全部改为用夏比 V 形冲击功 即Akv 作为冲击韧性验收标准 在低温环境下的冲击试验为低温冲击 2 3硬度金属材料抵抗更硬异物压入的能力 硬度表明材料的耐磨性和切削加工的可能性 一般来说 硬度较高 材料耐磨性较好 常用硬度有布氏硬度 HB 洛氏 HR 维氏 HV 三种 31 2 4冷弯材料抵抗弯曲断裂能力的标志 它间接反映了材料的塑性 这个试验既可检查钢的塑性的好坏 也可以考核其加工工艺性能 也能够暴露钢板受试面缺陷 对于焊接试板 还可以检查焊接缺陷 2 5断裂韧性反映材料对裂纹扩展的抵抗能力 2 6高温长期性能对于设计温度超过某一界限 对于碳钢及低合金钢大致为400 在高温下长期工作的压力容器 必须考核钢材的高温持久强度及蠕变强度性能 32 2 6 1蠕变强度在常温条件下 金属材料受外力作用时 如应力小于弹性极限 则构件仅产生弹性变形 如应力达到屈服极限 则构件除产生弹性变形外 还产生一定的塑性变形 上述变形值只要受力不变就一直保持下去 不随时间而改变 但是 在高温条件下 会在受外力作用后所产生变形的基础上 随时间的增长 其塑性变形会不断增加 时间越长 累积的塑性变形量越大 直至发生破坏 2 6 2高温持久强度在给定的温度下 使材料经过规定时间发生断裂的应力称为钢的持久强度 33 三 尺寸 外形 检验与试验1 钢板厚度负偏差在各钟钢板材料标准中均规定了钢板不同厚度范围的钢板厚度允许偏差 作为设计人员应了解钢板厚度负偏差 1 1GB713 2008钢板厚度负偏差 与GB6654的区别 1 2其他容器专用板材的厚度负偏差如GB912 2008GB T3274 2007GB T19189 2003GB3531 2008GB T4237 2007 34 2 化学成分各牌号的化学成分 一些元素的上限要求 微量元素要求 在各标准中均有规定 化学成分的允许偏差应符合GB T222的相关规定 3 冶炼方法应按照容规规定 4 交货状态各标准中均规定了各牌号交货的热处理状态及与之相关各种力学性能指标与试验要求 5 钢板力学性能试验取样方法 GB2975 82 及合格指标应在规定钢板端部垂直于轧制方向切取拉力 冲击及弯曲样坯 如图所示 35 36 6 检验和试验要求抗拉强度极限屈服强度极限冲击功高温性能延伸率断面收缩率冷弯硬度另外还有UT 等等 37 第三篇容器设计选用材料的注意事项 一 材料性能的影响因素1 化学成分的影响1 1含碳量增加 强度 硬度提高 而塑性 韧性下降 1 2合金元素各有不同的作用 Mn增加可提高强度 但应控制 1 9 强化元素 V Ti Nb等元素可以细化晶粒 提高韧性及材料致密度 Mo提高钢的热强性能 在高温时保持足够强度 细化晶粒 防止钢的过热倾向 Cr Ni提高钢的热强性 高温氧化性和耐腐蚀性 38 1 3有害元素 P S形成低熔点化学物 导致热脆