压力容器材料以及环境和时间对其性能的影响

1,第三章压力容器材料以及环境和时间对其性能的影响,MATERIALSFORPRESSUREVESSELSANDINFLUENCESOFENVIRORMENTANDTIMEONPROPERTIESOFTHESEMATERIALS,2,过程设备设计,压力容器设计,正确的应力分析和强度计算,合理的材料选择,时间效应、环境作用,（充分考虑）,3,过程设备设计,3.1压力容器材料,3.1.1压力容器常用钢材,3.1.2有色金属和非金属,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2.1塑性变形,3.2.2焊接,本章主要内容,3.2.3热处理,4,过程设备设计,3.4压力容器材料选择,3.4.1压力容器用钢的基本要求,3.4.2压力容器钢材的选择,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1温度,3.3.2介质,3.3.3加载速率,5,3.1压力容器材料,3.1.1压力容器常用钢材,3.1.2有色金属和非金属,过程设备设计,6,教学重点：压力容器常用钢材。教学难点：高合金钢。,3.1压力容器材料,过程设备设计,7,过程设备设计,3.1.1压力容器常用钢材,一、钢材形状,钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件等。压力容器用钢主要是板、管材和锻件,（1）钢板,壳体、封头、板状构件等,下料、卷板、焊接、热处理,较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能,主要用途,加工要求,性能要求,3.1.1压力容器常用钢材,8,过程设备设计,3.1.1压力容器常用钢材,9,过程设备设计,3.1.1压力容器常用钢材,10,过程设备设计,二、钢材类型,碳素钢,低合金钢,高合金钢,（按化学成分分类）,3.1.1压力容器常用钢材,11,过程设备设计,1、碳素钢,含碳量小于2.06的铁碳合金。以及少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。,压力容器用钢,碳素结构钢,压力容器专用钢板,Q235系列钢板；10、20钢钢管；20、35钢锻件。,20R,20R的特点和应用场合,强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。,3.1.1压力容器常用钢材,R-压力容器专用钢板,12,过程设备设计,2、低合金钢,是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。,特点及优点,采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。,3.1.1压力容器常用钢材,13,过程设备设计,16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;,压力容器常用低合金钢：,16Mn、09MnD;,16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr1MoV。,钢板,钢管,锻件,3.1.1压力容器常用钢材,D-低温用钢,14,过程设备设计,应用介绍,16MnR,屈服点为340MPa级的压力容器专用钢板,我国压力容器行业使用量最大的钢板,具有良好的综合力学性能、制造工艺性能,主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器,3.1.1压力容器常用钢材,15,过程设备设计,16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR,低温压力容器用钢，工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板,16MnDR,可用于-40的钢种,液氨储罐等设备,（降低碳含量，并加镍和微量钒）,15MnNiDR,提高了低温韧性,-40级低温球形容器,09MnNiDR,-70级低温压力容器用钢,用于制造液丙烯（-47.7）、液硫化氢（-61）等设备,3.1.1压力容器常用钢材,16,过程设备设计,15CrMoR,低合金珠光体热强钢,中温抗氢钢板,用于制造壁温不超过560的压力容器,3.1.1压力容器常用钢材,17,过程设备设计,20MnMo、09MnNiD,20MnMo,常制造使用温度为-40470的重要大中型锻件,良好的热加工和焊接工艺性能,09MnNiD,良好的低温韧性,常制造使用温度为-4045的低温容器,3.1.1压力容器常用钢材,18,过程设备设计,3、高合金钢,压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢,铬钢,铬镍钢,铬镍钼钢,3.1.1压力容器常用钢材,19,过程设备设计,（1）铬钢,但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀,0Cr13,是常用的铁素体不锈钢,有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能,在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性,3.1.1压力容器常用钢材,20,过程设备设计,（2）铬镍钢,0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10三种钢均属于奥氏体不锈钢。,但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。,具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温度范围内长期使用。,为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。,0Cr18Ni9,在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳,0Cr18Ni10Ti,00Cr19Ni10,3.1.1压力容器常用钢材,21,过程设备设计,（3）铬镍钼钢,耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。,00Cr18Ni5Mo3Si2,奥氏体-铁素体双相不锈钢,3.1.1压力容器常用钢材,22,过程设备设计,复合板,基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。,复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/101/3。,复合板应用特点,用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。,复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。,3.1.1压力容器常用钢材,23,过程设备设计,压力容器零部件间焊接还需要焊条、焊丝、焊剂、电极和衬垫等焊接材料。一般应根据待连接件的化学成分、力学性能、焊接性能，结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过试验确定。压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。,焊接材料,3.1.1压力容器常用钢材,24,过程设备设计,3.1.2有色金属和非金属,一、有色金属,使用状态,在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号,压力容器常用有色金属：,铜及其合金,铝及其合金,镍和镍合金,钛和钛合金,3.1.2有色金属和非金属,25,在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料。,1、铜及其合金,特性：,过程设备设计,3.1.2有色金属和非金属,26,2、铝及其合金,特性：,过程设备设计,铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；,在低温下具有良好的塑性和韧性；,使用温度范围为-269200；,有良好的成型和焊接性能。,应用：,可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备,3.1.2有色金属和非金属,27,3、镍和镍合金,特性：,过程设备设计,应用：,在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可达900。,由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。,3.1.2有色金属和非金属,28,4、钛及钛合金,特性：,过程设备设计,应用：,对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；,具有密度小（=4510kg/m3）、强度高（相当于20R）、低温性能好、粘附力小等优点；,但单位质量价格高，比一般钢材高20倍左右；,使用温度仅限于350以内。,在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。,3.1.2有色金属和非金属,29,过程设备设计,二、非金属材料,用途,它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层,还可以用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。,压力容器用非金属材料要求,除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，好的热稳定性，良好的加工制造性能。,缺点,大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低(除玻璃钢外)。,3.1.2有色金属和非金属,30,3.1.2有色金属和非金属,31,过程设备设计,1、涂料,涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄膜，起耐腐蚀和保护作用。,3.1.2有色金属和非金属,32,过程设备设计,热塑性塑料,热固性塑料,在一定温度下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化；Eg.如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等；可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元件、衬里等的材料。,2、工程塑料,3.1.2有色金属和非金属,33,过程设备设计,3、不透性石墨,具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，可用于制造热交换器。,4、陶瓷,具有良好的耐腐蚀性能，且有一定的强度，被用来制造塔、储槽、反应器和管件。,3.1.2有色金属和非金属,34,过程设备设计,5、搪瓷,搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过9000C左右的高温锻烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。,它具有优良的耐蚀性，较好的耐磨性，广泛用作耐腐蚀、不挂料的反应罐、储罐、塔和反应器等。,3.1.2有色金属和非金属,35,过程设备设计,具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，是一种很有发展前途的压力容器材料，已被用于制造天然气钢瓶、液化石油气储罐等产品。,复合材料,3.1.2有色金属和非金属,返回,36,过程设备设计,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,37,教学重点：钢材的焊接。教学难点：无。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,38,过程设备设计,3.2.1塑性变形,3.2.2焊接,3.2.3热处理,研究冷或热压力加工造成的塑性变形、焊接工艺和热处理对钢材性能的影响,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,39,过程设备设计,3.2.1塑性变形,材料在载荷作用下的变形,弹性变形:卸载后变形消失,塑性变形或永久变形,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,40,过程设备设计,材料在塑性变形中内部性能的变化：,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,41,过程设备设计,一、应变硬化,见应力-应变曲线图,d卸载后，dg-消失的弹性变形od-不再消失的塑性变形。卸载后，在短时间内再次加载，应力应变关系按照dd变化，到了d以后，按照def变化。d以前材料是弹性的，以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。可见第2次加载时，比例极限提高，塑性变形和延伸率有所减低，表明，在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象叫做加工硬化或应变硬化冷做硬化经退火，可消失。,加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,42,热加工或热变形:,凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形,在再结晶温度以下进行的塑性变形,冷加工或冷变形:,热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。,特点,特点,冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。,二、冷加工和热加工,从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,43,过程设备设计,钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,44,过程设备设计,三、各向异性,非金属夹杂物,热加工,纤维组织,呈纤维状,金属再结晶,带状组织,金属材料力学性能产生方向性,a、平行纤维组织方向的强度塑性和韧性提高，b、垂直方向的塑性和韧性降低c、变形越大，性能差异越明显,因势利导：纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。,第二项合金,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,45,过程设备设计,四、应变时效,冷加工应用举例：,筒节冷卷,封头冷旋压,应变时效,经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,46,过程设备设计,发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。,应变时效危害,降低应变时效的措施,一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,47,过程设备设计,3.2.2焊接,焊接：两件或两件以上零件，在加热或加压的状态下，通过原子或分子的结合和扩散，形成永久性连接的工艺过程。压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节,形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,48,过程设备设计,一、焊接接头的组织和性能,二、焊接应力与变形,三、减少焊接应力和变形的措施,四、焊接接头常见缺陷,五、焊接接头检验,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2.2焊接,49,过程设备设计,一、焊接接头的组织和性能,焊接接头组成,焊缝,熔合区,热影响区,1、焊缝,由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。,因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,50,过程设备设计,2、熔合区,焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。,组织,熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性,塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一,性能,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,51,过程设备设计,3、热影响区,焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。,组织及性能,在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,52,以低碳钢为例说明热影响区各个金相组织区：,过热区：对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火钢，常在此区产生裂纹,正火区：焊接接头中组织和性能最好的区域,部分正火区：由于晶粒大小不均匀，所以力学性能很不均匀,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,53,过程设备设计,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,54,过程设备设计,焊接残余应力的危害,局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起裂纹，甚至导致结构失效,焊接残余应力,没有外载荷作用时就已经存在的应力,焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废。,焊接变形的危害,与外载荷产生的应力叠加,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,55,过程设备设计,平板对接焊缝焊接残余应力分布见图3-1所示,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,图3-1对接焊缝焊接残余应力分布,（a）纵向应力,（b）横向应力,56,由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则焊后的变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。,此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。,过程设备设计,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,57,过程设备设计,三、减少焊接应力和变形的措施,如：尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。,设计,焊接工艺,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,58,过程设备设计,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,四、焊接接头常见缺陷,图3-2常见焊接缺陷,59,过程设备设计,a、裂纹,形成：,在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成的缝隙。,特点：,它具有尖锐的裂端和大的长宽比。,位置：,裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,60,根据裂纹的形成条件、时间和温度的不同，焊接裂纹一般可分为,危害,裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。,热裂纹,冷裂纹,再热裂纹,层状撕裂,应力腐蚀裂纹,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,过程设备设计,61,过程设备设计,b、夹渣,残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣,因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。,危害：,c、未焊透,焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。,危害,它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,62,过程设备设计,d、未熔合,对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。,它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。,危害,e、焊瘤,是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。,危害,易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未熔透等缺陷。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,63,过程设备设计,f、气孔,气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。,危害,它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。,g、咬边,沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边,危害,它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,64,过程设备设计,五、焊接接头检验,破坏性检验,非破坏性检验,外观检验,密封性检验,无损检测,直观检验,量具检验,射线透照检测,超声检测,表面检测,磁粉检测,渗透检测,涡流检测,测内部缺陷,测表面和近表面缺陷,设计中要给出相应的检测方法,（用水、气、油等）,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,65,过程设备设计,3.2.3热处理,改善综合性能热处理,压力容器制造中的热处理,焊后消除应力热处理,固溶处理,稳定化处理,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,66,过程设备设计,一、焊后消除应力热处理,目的：,尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。,应用：,当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。,由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一般不进行热处理。,对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，此时应精心设计热处理工艺并严格执行。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,67,过程设备设计,二、改善综合性能热处理,1、固溶处理,将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充分溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这些被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为固溶处理。,目的：,提高合金的韧性和抗腐蚀性。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,68,过程设备设计,例如，含钛或铌的奥氏体不锈钢在850900温度范围内加热适当时间，使钛或铌以碳化物的形式析出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。,2、稳定化处理,目的：稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。,3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响,返回,69,过程设备设计,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,教学重点：温度对钢材性能的影响。教学难点：高温下钢材的性能和性能劣化。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,70,过程设备设计,3.3.1温度,不同用途的压力容器的工作温度不同。,钢材在,低温,中温,高温,下，性能不同,高温下，钢材性能往往与作用时间有关,介绍几种情况的影响,一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响,二、高温、长期静载下钢材力学性能,三、高温下材料性能的劣化,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,71,过程设备设计,一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响,1、高温下,图3-3温度对低碳钢力学性能的影响,温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,72,过程设备设计,2、低温下,随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于20时，钢材可采用20时的许用应力。,韧脆性转变温度（或脆性转变温度）,当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,概念,73,图3-4低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,74,过程设备设计,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,75,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,76,过程设备设计,二、高温、长期静载下钢材性能,蠕变现象：,在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。,碳素钢,420,400-500oC,低合金钢,一定的应力作用,发生蠕变,蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。,蠕变的危害,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,77,过程设备设计,1、蠕变曲线,蠕变曲线三阶段,一.减速蠕变,二.恒速蠕变,三.加速蠕变,图3-5蠕变应变与时间的关系,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,一定压力和一定温度下,78,过程设备设计,cd为蠕变的第三阶段,ab为蠕变的第一阶段,即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段.,bc为蠕变的第二阶段,在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段.,在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。,oa线段试样加载后的瞬时应变。,a点以后的线段从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,79,对于同一材料，给定温度改变应力或给定应力改变温度时，蠕变曲线形状不同。,当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段；相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,过程设备设计,80,过程设备设计,2、蠕变极限与持久强度,a、蠕变极限高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力,蠕变极限表示法,在给定温度下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率的应力值,在给定温度和规定时间内，使试样产生一定量的蠕变总伸长率的应力值（常用）,b、持久强度在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,81,过程设备设计,考虑蠕变极限和持久强度的场合：,蠕变极限适用于在高温运行中要严格控制变形的零件的设计，如涡轮叶片。,高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件下不会蠕变断裂，往往同时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为105h，总伸长率为1%；确定持久强度的时间为105h。）。,在高应力、较低的温度时，断裂前有大量的塑性变形，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态；而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断裂后伸长率较低，缩颈很小，在晶体内部常发现大量的细小裂纹。,温度和应力对蠕变断裂形式有显著的影响,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,82,过程设备设计,松弛,在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种现象称为松驰。如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,83,过程设备设计,三、高温下材料性能的劣化,在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：,蠕变脆化（前面已经讲了）,珠光体球化,石墨化,高温回火脆化,氢腐蚀和氢脆,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,84,过程设备设计,a、珠光体球化,危害：使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降。例如：16Mn钢的24526蒸汽管道在9.8MPa、510oC条件下，运行约八万小时后，珠光体严重球化，碳化物积聚在晶界上，使其力学性能明显下降。补救：已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。如将上述管道加热至920oC，停留lh，然后打开炉门冷却，力学性能则有所提高。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,85,过程设备设计,b、石墨化,危害：使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。产生环境：石墨化现象只出现在高温下。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。预防：要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,钢在高温长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象，称为石墨化。,86,过程设备设计,c、回火脆化,2.25Cr-1Mo等铬钼钢，这些高温压力容器的常用材料，长期在300-600oC下使用，或者从此温度范围缓慢冷却，脆性转变温度会升高，冲击韧性降低，这种现象称为回火脆化。研究表明：影响2.25Cr-1Mo钢回火脆化的主要因素为化学成分和热处理条件。P、Sb、Sn、As等微量杂质元素的含量越多，奥氏体化温度越高，2.25Cr-1Mo钢对回火脆化越敏感。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,87,过程设备设计,d、氢腐蚀和氢脆,氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,88,过程设备设计,d-1.氢腐蚀,高温、高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。,氢腐蚀有两种形式,1.和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表面脱碳，使力学性能恶化；,2.渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷。,裂纹,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,89,过程设备设计,一般情况下，碳素钢在200以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。目前，一般按照Neson曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分压小于3.45MPa时，允许的使用温度约为250;1.25Cr-0.5Mo钢在氢分压小于6.9MPa时的允许使用温度大约为520。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,90,过程设备设计,在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时，应先降压，保温消氢（200以上）后，再降至常温。切不可先降温后降压。为什么不能先降温再降压？,d-2.氢脆,指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。,内部氢钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢外部氢指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。,氢的来源,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,91,过程设备设计,钢材长时间在高温下，还会发生合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配，那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，都会不断脱溶，从而使材料高温强度下降。除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。在设计阶段，预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要意义。,除以上4种劣化外，还要注意：,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,92,过程设备设计,3.3.2介质,一、腐蚀概述,1、按腐蚀的机理来分,金属腐蚀分类：,电化学腐蚀,化学腐蚀,2、按金属腐蚀的形势来分,全面腐蚀,局部腐蚀,晶间腐蚀,小孔腐蚀,缝隙腐蚀,应力腐蚀,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,93,过程设备设计,二、应力腐蚀,1、应力腐蚀的特征,三个阶段,孕育阶段,是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；,裂纹稳定扩展阶段,在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；,裂纹失稳阶段,最终发生的突然断裂。,断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。,值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏（LeakBeforeBreak）。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,94,过程设备设计,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,95,过程设备设计,2、常见的应力腐蚀,a.碱溶液,b.湿硫化氢,c.液氨,d.硝酸盐溶液,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,96,过程设备设计,3、应力腐蚀的预防措施,一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,97,过程设备设计,3.3.3加载速率,加载速率的表示应力速率（Pa/s）或应变速率（1/s）,通常，应变速率在10410-1s-1范围内，金属材料的力学性能没有明显变化。,当应变速率在10-1s-1以上时，它对钢材力学性能有显著的影响。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,98,过程设备设计,加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这种脆性断裂的发生。,加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。,通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平的提高，韧性的降低减弱。也就是说，在一定的加载速率范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明显。,3.3环境对压力容器用钢性能的影响,返回,99,过程设备设计,3.4.1压力容器用钢的基本要求,3.4.2压力容器钢材的选择,3.4压力容器材料选择,3.4压力容器材料选择,100,过程设备设计,3.4压力容器材料选择,教学重点：压力容器钢材的选择。教学难点：压力容器钢材的选择。,3.4压力容器材料选择,101,压力容器材料多种多样,3.4压力容器材料选择,过程设备设计,102,过程设备设计,3.4.1压力容器用钢的基本要求,本节对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。,压力容器用钢的基本要求,较高的强度,良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性,改善钢材性能的途径,化学成分的设计,组织结构的改变,零件表面改性,3.4压力容器材料选择,103,过程设备设计,一、化学成分,钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。,1、碳,压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%,碳含量,强度增加,可焊性变差,焊接时易在热影响区出现裂纹,在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。,2、钒