压力容器用钢材

1,压力容器用钢材,2,压力容器用钢材,（一）材料的基本性能1.力学性能(1)机械强度：屈服极限Rel（s）和强度极限Rm（b）蠕变极限（tn）和持久极限（tD）。屈强比（Rel/Rm）压力容器用材的屈强比一般为0.60.7。碳素钢的屈强比一般为0.6左右，低合金高强度钢为0.650.75，合金结构钢为0.85(2)塑性：延伸率A（）及断面收缩率Z（）一般碳钢、碳锰钢A16%,其它合金钢A14%。,3,（3）硬度布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、和维氏硬度（HV），其数值可以互相换算。硬度与抗拉强度有如下近似关系：轧制、正火或退火的低碳钢Rm(b)=0.36HB;轧制、正火或退火的中碳钢Rm(b)=0.35HB;硬度HB250经热处理的合金钢Rm(b)=0.34HB;硬度HB250400，经热处理的合金钢Rm(b)=0.33HB;（4）韧性冲击功AKV，单位为J。（5）断裂韧性K1C临界裂纹张开位移C（COD）（6）温度对材料机械性能的影响,4,材料的屈服极限、强度极限和弹性模量随温度的升高而降低,如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的。,5,2.耐腐蚀性能耐腐蚀性能是金属材料抵抗介质腐蚀的能力。压力容器中处理的介质大多数具有腐蚀性的，在设计中必须根据操作介质来选择耐腐蚀材料.如果腐蚀发生在整个金属表面上，则称为金属的全面腐蚀；如果腐蚀均匀地分布在整个金属表面，则称为均匀腐蚀；如果腐蚀只发生在金属表面的局部区域，其余大部分表面不腐蚀，称之为局部腐蚀。(1)均匀腐蚀均匀腐蚀是在整个金属表面均匀地发生腐蚀，这种腐蚀相对其它形式的腐蚀其危害最小。GB150中C2只考虑均匀腐蚀.C2=KB其中B设计寿命(年)K腐蚀速率(mm/年),6,压力容器的设计寿命，除特殊要求外，塔、反应器等主要容器一般不应少于15年，一般容器，换热器等不少于8年。不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀Bmm/年0.6%时,淬硬倾向严重,属于较难焊接的钢材,需要采取较高的预热温度和严格的工艺措施.5.组织与成份材料的金相组织与化学成份对机械性能、耐腐蚀性能、热处理工艺及制造方法等都会产生一定的影响，所以，在选择材料时，应对其组织及成份与材料性能之间的关系有足够的了解。,一般认为:当Ceq0.4%时,钢材的淬硬倾向不大,可焊性优良,焊接时不必预热.,18,常见的金相组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体等,19,奥氏体（A）强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁性。铁素体（F）强度硬度低，塑性韧性好。渗碳体（Fe3C）硬而脆，随C%增加，强度硬度提高，而塑性韧性下降。珠光体（P）性能介于F与Fe3C之间。马氏体（M）具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。一些合金元素在钢中的作用：铬(Cr)铬是一种十分有用的合金元素，而且极易与碳化合形成碳化物，加10%以上就成为不锈钢，它可以提高高温抗氧化性能，改善抗硫化性能。,20,高铬合金在高温下使用会产生相（相硬而脆，所以不允许出现）因为相是一种非磁性的极硬脆组织，在400-500时它的铁素体钢发生火脆化，然而Cr可以防止低温脆化及氢脆。镍（Ni）-镍能使钢组织细化，而且镍可以因为溶在奥氏体和铁素体中，使钢强化，稳定奥氏体，与Cr组织合成为良好的奥氏体不锈钢和耐热钢。Ni与Cr、Mo一起可提高钢的淬透性能。Ni显著地提高钢的低温韧性。它对钢的可焊性、可锻性方面不起有害作用。镍是一种十分有用的合金元素。锰(Mn)-锰在钢中作脱碳和脱硫剂.因为FeS溶点低,在晶间引起脆化,为了防止这种脆化,钢中Mn与S可以形成溶点很高的MnS,提高高温塑性和可锻性能.当Mn=1-1.5%时,能获得较高的强度和韧性.但随着Mn量增加,其耐酸、耐氧化性同时下降，Mn可以提高钢的淬透性。,21,钼(Mo)在一般钢中，钼的含量是0.1-0.5%左右.与Cr、Ni结合时添加1-3%可以提高钢的淬透性能，防止钢的回火脆化。Cr与Mo配合构成一系列的耐热抗氢钢种。在奥氏体不锈钢中添加Mo之后，改善其抗腐蚀性能，是一种十分有用的合金元素。硅（Si）-Si作为钢的脱氧剂添加0.4%以下,它可以强化铁素体,提高硬度,提高钢的高温抗氧化性能和耐酸性能，和Cr、Ni共存时，可以改善淬透性能。但Si增加时，铁素体会脆化，组织变粗，可焊性变差，所以Si受到一定限制。对于一些杂质在钢中的影响：硫（S）-在冶炼中不能完全脱硫，以杂质的形式留在钢内，而且往往在钢锭中发生偏析。在某些局部部位偏析量可达平均值的3-4倍。硫化物FeS对钢的塑性和韧性影响较大。S也恶化钢的可锻性和可焊性。所以S是有害杂质，在“容规”中,对容器用钢S的含量的限制有明确的规定。,22,磷（P）-磷可以固溶在钢的铁素体中，降低了钢的延伸率及断面收缩率。磷对钢最有害的影响是降低冲击韧性，随着钢中磷含量的增加，钢发生脆化，最终甚至引起常温脆化。例如：钢中含0.25%的磷(P)其冲击值为零.在一般钢中,随着磷含量增加,其脆性转变温度(NDT)也显著地增加.磷含量不高也容易引起偏析,而且其扩展速度很慢,不易用热处理方法消除偏析.另外,磷和氧亲和力较强,会恶化可焊性和可锻性.所以,磷也是有害杂质,“容规”中对容器用钢中对P含量的限制有明确的规定。氢氢原子半径极小,在钢中扩散速度比其它元素大得多,很容易透过晶格.氢可引起钢的1)氢脆；2)韧性下降；3）产生延迟裂纹；4）产生白点；5）焊接时产生凹裂纹等，为了克服这些问题，可采取真空熔炼等办法进行脱氢。另外，焊接时，焊条、焊剂要烘干。焊缝处消氢处理也是有效方法之一。,23,（二）压力容器用钢材的选用在压力容器设计中，正确地选择钢材，对保证容器的使用安全、结构合理和降低制造成本是至关重要的。1.一般规定1）压力容器用材料的质量及规格，应符合相应的国家标准、行业标准的规定。2）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。3）压力容器专用钢材的磷含量不应大于0.03%,硫含量不应大于0.02%;用于焊接压力容器主要受压元件的碳素钢和低合金钢,其含碳量不应大于0.25%,24,4）高温时，对材料选用的要求：要求“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。”奥氏体不锈钢的使用温度高于525时，钢中含碳量应不小于0.04%。5）材料的加工性能受压元件用的钢板冷加工、冷成型后，如变形率超过下列范围时，应进行热处理：钢板的加工变形率按下式计算：单向拉伸（如钢板卷圆）=/2Rf(1-Rf/R0)100%双向拉伸（如筒体折边、冷压封头）=1.5/2Rf(1-Rf/R0)100%,25,式中：钢板的变形率，%钢板名义厚度，mmRf钢板弯曲后的中心半径，mmR0-钢板弯曲前的中心半径，对于平板为无穷大，mm碳素钢、Q345R（16MnR）:3%(单向拉伸),5%(双向拉伸)其他低合金钢：2.5%(单向拉伸),5%(双向拉伸)碳素钢、低合金钢冷加工造成板厚减薄大于板厚的10%时，应进行热处理。钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。所以对冷成型封头也需要进行热处理。这是通过恢复和再结晶过程，控制钢材的变形量不超过5%，即冷加工过程中产生的问题用热处理来弥补。,26,钢管冷弯后，如变形率超过下列范围时，应进行热处理：碳素钢、低合金钢的钢管弯管后的外层纤维变形率应不大于钢管标准规定伸长率A（5）的一半，或外层材料的剩余伸长率应不小于10%；对于有冲击韧性要求的钢管其最大变形率应不大于5%。热加工时对碳钢、低合金钢应考虑脱碳、晶粒长大及晶间氧化问题；对有抗晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢须考虑避开400850的敏化温区问题。6）材料代用问题：“固规”2.13节对材料的代用作了管理上的规定：,27,“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”在压力容器的建造中，有必要详细地论证材料代用的可行性，慎重决定。应考虑如下因素：代用材料的强度级别是否影响到容器类别的划分；材料对工作介质的相容性：如应力腐蚀、晶间腐蚀等；代用材料的设计温度下的许用应力是否达到原设计的要求；代用材料是否会产生如改变焊接材料、焊接工艺等；代用材料是否会产生诸如改变热处理状态、无损检测及焊接试板等要求。,28,在材料代用的的问题上有二个问题应引起关注：1）“以优代劣”问题；2）“以厚代薄”问题；2.钢板（1）GB713-2008“GB713-2008锅炉压力容器用钢”一.钢号牌号表示方法:碳素钢和碳锰钢系低合金高强度钢：屈服强度（Q）、屈服强度下限值、压力容器（R）组合表示。例如:Q245R.钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢：平均含碳量、合金元素字母、压力容器（R）组合表示。例如:15CrMoR.,29,二.新旧牌号对照:,30,三.新旧牌号的变化:1.材料:(1)取消：15MnVR、15MnVNR.(2)增加：14Cr1MoR、12Cr2Mo1R、12Cr1MoVR.（3）20R和20g合并为Q245R；(4)16MnR和16Mng、19Mng合并为Q345R；（5）13MnNiMoNbR和13MnNiCrMoNbg合并为13MnNiMoR；2.厚度变化：（1）Q245R（原20R等）厚度为6100mm,现厚度为3150mm。（2）Q345R（原16MnR等）厚度为6120mm,现厚度为3200mm；,31,3.S、P含量降低：(1)Q245R、Q345R原S0.020%降为S0.015%;原P0.030%降为P0.025%;(2)18MnMoNbR、13MnNiMoR原S0.020%降为S0.010%;原P0.025%降为P0.020%;(3)15CrMoR原S0.020%降为S0.010%;原P0.030%降为P0.025%.4.冲击试验:各牌号的V型冲击指标均提高.原20g、16Mng时效冲击试验取消。5.钢板负偏差:GB713-2008锅炉压力容器用钢板的负偏差按GB/T709热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差的B类偏差。,32,6.组批规定:(1)GB713-1997“四同”的钢板组成,每批重量不大于25t.(2)GB6654-1996“四同”的钢板组成,钢板厚度6mm16mm,每批重量不大于15t;钢板厚度大于16mm,每批重量不大于25t.需方要求,经双方协议,厚度大于16mm的钢板可逐张进行力学性能检验.(3)GB713-2008“四同”的钢板组成,每批重量不大于30t.经双方协议,厚度大于16mm的钢板可逐张进行力学性能检验.(“四同”,即同一牌号、同一炉号、同一厚度、同一轧制或热处理制度。）,33,7.Q245R硫磷含量及冲击功要求,34,8.Q345R(1)硫磷含量及冲击功要求,35,(2)强度指标：,36,37,(3)国内外牌号对比：1）硫磷含量及冲击功要求,38,2)强度指标,39,执行GB713-2008的几个问题：1）许用应力在GB150没有升版之前，对于新标准中的牌号的许用应力，根据附录A找到GB6654中相对应的旧牌号，在GB150中查找许用应力2）GB713-2008的钢板厚度允许偏差按GB709-2006B类偏差，GB709-2006B类偏差固定值为0.3mm。按照GB1503.5.5.1应该考虑0.3mm的负偏差，而且将来GB150的安全系数要从3.0降到2.7，负偏差应该考虑。3）标准6.5条根据需方需要，经供需双方协议，钢板可逐张进行超声检测，供需双方如果协商需要进行超声波检测，则需要根据表4中的规定进行逐张超声波检测，如有没有协商则不需要逐张超声波检测。4）施工图是在2008年12月31日完成的，并且材料牌号采用的是GB6654标准，制造厂采购的材料是2008年9月1号之后的，并且是按新的GB713-2008进行采购的，那么制造厂是否需要进行代材申请？回答是不需要代用。,40,（2）碳素钢a.普通碳素结构钢Q235-BQ235-C钢板使用范围,41,b.优质碳素结构钢优质碳素结构钢与普通碳素结构钢相比：硫、磷含量较少，机械强度较高。按GB699-88优质碳素结构技术条件规定。压力容器用钢与锅炉用钢类同，首先要求保证足够的强度，还要有足够。的塑性，质地均匀等。因此，必须用杂质和有害气体容量较低的镇静钢如：Q245R（20R）。(3)低合金钢低合金钢是指钢中合金元素总含量在25%以下的钢种，与一般碳素钢相比，它的机械性能提高了，耐热性、耐腐蚀性、耐磨性都有所提高。因此，它在压力容器制造业中得到广泛的应用。压力容器用低合金高强度的钢的屈服强度范围:294-696MPa.,42,a.低合金钢中最常用的有：16MnR（Q345R）它不仅硫、磷含量控制较严，更重要的是要求保证足够的冲击韧性，在钢材验收方面也比较严格。因此其使用压力不受限制。使用温度下限可达-20，是目前应用极广的好材料.b.中温抗氢钢氢在常温压下不会对铁碳合金引起显著的腐蚀，但当温度为200300，压力高于30MPa则将产生极强的腐蚀作用，发生所谓“氢脆”现象。防止氢腐蚀的途径有:一是降低钢中碳的含量，例如采用微碳纯铁，可以完全消除氢腐蚀产生的根源；二是采用抗氢钢，在钢中加入钼、铬、钨、铌、钛等元素，形成稳定的铬、钼等碳化物，使氢与碳不能结合。我国生产的中温抗氢钢有：15CrMoR、14Cr1MoR等。,43,c.低温用钢（GB3531）使用温度在-20以下的压力容器用钢,属于低温用钢.对低温用钢的基本要求是:低温下的足够的强度；低温下的充分的韧性；良好的焊接性能和冷热加工性能；对于所容纳的介质应具有良好的耐蚀性。产生容器低应力破坏的主要原因之一是由于钢材在低温下的冲击功值明显下降，因此，低温用钢的质量在很大程度上取决于在使用温度下冲击功的大小。低温容器受压元件用钢必须是镇静钢。碳素钢和低合金钢板使用温度低于或等于-20时，其使用状态及最低冲击试验温度应符合GB150中4.2.8节表4-2的要求。在低温容器中的受压元件均必须进行低温夏比（V型缺口）冲击试验，钢材应按批进行冲击试验复验。因为低温容器用钢，其低温下的缺口韧性是最重要的指标，在各国的材料标准中均反映了这一要求。,44,GB3531-1996低温压力容器用低合金钢板：共有3个钢号，原有4个，02年修改单取消09Mn2VDR。低温40用钢16MnDR低温45用钢15MnNiDR低温70用钢09MnNiDR,45,GB150附录C表C2就规定：低温夏比（V形缺口）冲击试验最低冲击功规定值：,46,(4)高合金钢（GB24511-2009）不锈钢按金相组织可分：铁素体不锈钢；马氏体不锈钢；奥氏体不锈钢；双相不锈钢。铁素体不锈钢，如：S11306(0Cr13)，铁素体不锈钢不会发生相变，不能用热处理强化。这类钢有三种脆性：475脆性；相脆性和晶粒长大脆性。当板厚6mm时，可在室温下缓慢冷却成形，但翻边或深冲压应经100300加热，以防开裂。焊接时有产生冷裂和脆化倾向，过热区晶粒急剧长大，热处理也不能使晶粒细化，常温冲击韧性低。焊前要预热，并采用小的线能量。这类钢用于腐蚀性不强和防污染的设备，其设计压力0.3Mpa.S11306(0Cr13)用于抗水蒸汽、碳酸氢氨等设备。也有作为衬里或复合钢板，例如:炼油厂的某些预加氢设备.0Cr17Ti用于稀硝酸、硝铵等，如吸收塔、换热器等，也用于食品及酿造等设备，其设计压力0.3Mpa.。,47,马氏体不锈钢，如：1Cr13，2Cr13等，马氏体不锈钢具有强烈的淬硬倾向和冷裂倾向，在弱腐蚀介质中有良好的耐腐蚀性能，在淡水、海水、蒸汽中也有较好的耐腐蚀性能。奥氏体不锈钢，如：S30408等，奥氏体不锈钢具有优良的工艺性能和抗腐蚀性能，强度硬度很低，无磁性，不能热处理强化，可通过冷作硬化，其应用最广。为防止晶间腐蚀，可加Ti或Nb等稳定化元素；18-8钢在浓度65%、温度80的硝酸中是稳定的；在醋酸（常温）和不含氯离子、浓度小于60%沸磷酸也是稳定的。常用于硝酸生产中的吸收塔、换热器、合成塔内件等，钢中加入Mo、Cu能提高钢在尿素、硫酸等介质中的耐蚀性。,48,常用的三个奥氏体不锈钢（GB24511-2009）1.S30408(06Cr19Ni10)（ASMESA304）;该钢是通用的18-8型铬镍奥氏体不锈钢，也是热强钢。具有良好的耐蚀性能、焊接性能和低温性能，热强性能较好，冷变形能力高。在石油化工中得到广泛应用。用于锅炉管子允许的抗氧化温度为705。2.S32168(06Cr18Ni11Ti)（ASMESA321）该钢含有较多的镍，因此奥氏体组织较为稳定，除具有良好的耐蚀性能外，并具有更好的热强性和持久断裂塑性。在石油化工中应用广泛。3.S31603(022Cr17Ni12Mo2)（ASMESA316L）由于该钢含有23%的钼，对各种无机酸、有机酸、碱、盐类的耐蚀性尤其是耐点蚀性显著提高，在高温下具有良好的蠕变强度。广泛用于石油化工设备及管道。,49,奥氏体-铁素体双相不锈钢，如：S21953(022Cr19Ni5Mo3Si2N)等，奥氏体-铁素体型不锈钢室温下存在双相，使钢的S提高，022Cr19Ni5Mo3Si2N耐应力腐蚀、点腐蚀性能良好，能适用含氯离子环境和炼油、化肥、造纸等设备。高合金钢的合金元素总含量大于10%，其中奥氏体不锈钢在常温和低温下有很高的塑性和韧性，不具磁性。由于这种钢是单相的奥氏体组织，在许多介质中有很高的耐蚀性。其中铬是不锈耐酸钢抗氧化性耐蚀性的基本元素，合金中含碳量的增加将降低耐蚀性能，所以该含碳量0.080.12%左右为高碳级不锈钢，钢号前以“1”表示。含碳量0.03D）,D为公称厚度3)锻件级别的确定锻件的级别由设计单位确定，并应在图样上注明，如16Mn。压力容器用锻件应根据其使用条件及尺寸、重量大小、选用相应的锻件级别，HG20580-1998有如下的规定：,60,1.设计压力小于10.0Mpa的法兰及几何尺寸类似的锻件应符合级或级以上的要求。2.设计压力小于1.6Mpa的锻件应符合级或级以上的要求。3.设计压力小于10.0Mpa的中小型锻件应符合级要求，大型锻件应符合级或级要求。4.使用介质的毒性为极度或高度危害的锻件以及截面尺寸大于300mm的锻件应符合级或级要求。5.非受压元件用中小型锻件应符合JB4385锤上自由锻件通用技术条件的级或级以上的要求。大型锻件应符合JB4385的级或级以上要求。,61,NB/T47008NB/T47010-2010；锻件的级别:,.它们的检验项目是：如:NB/T47008-2010级:硬度（HB）逐件检查级:拉伸和冲击（b、s、5、AKV）同炉批号、同炉热处理的锻件抽检一件级:拉伸和冲击（b、s、5、AKV）同炉批号、同炉热处理的锻件抽检一件超声检测:逐件检查级:拉伸和冲击（b、s、5、AKV）逐件检查超声检测:逐件检查,62,管法兰锻件级别的选用锻制管法兰的材质、级别及其技术要求应符合NB/T47008-47010的相应要求，其锻件的级别如下。公称压力PN为0.251.0MPa的碳素钢、奥氏体不锈钢锻件采用I级锻件。除以下规定外，公称压力PN为l.66.3MPa的锻件级别不低于级。符合下列情况之一者，应采用级锻件：公称压力PN10.0MPa法兰用锻件；公称压力PN40MPa铬钼钢锻件；公称压力PN1.6MPa且工作温度一20的铁素体锻件；介质毒性为极度或高度危害用的锻件。,63,5紧固件紧固件的使用温度范围应符合GB150表4-10,螺栓的硬度应比螺母稍高（HB30），可通过选用不同钢材或不同热处理而获得。如：螺柱钢号：Q235-A、35；螺母用钢：Q215-A、Q235A标准：GB700(使用状态,热轧)；使用温度：-19200适用于：P10.0Mpa容器.密封要求高时,使用温度宜小于等于200。螺柱钢号：30CrMoA、35CrMoA螺母用钢：Q215-A、Q235A标准：GB700(使用状态,热轧)；使用温度：-19300适用于：适用于P2.5Mpa容器及密封要求高时,使用温度宜小于等于400。,64,（1）商品级紧固件：a.碳钢碳钢螺栓、螺柱和螺钉：在GB3098.1-82紧固件力学性能螺栓、螺柱和螺钉中的性能等级的标代号由“.”隔开的两部分组成;笫一部分数字(“.”前)表示公称抗拉强度(b)的1/100；笫二部分数字(“.”后)表示公称屈服点(s)或公称屈服强度(0.2)与公称抗拉强度(b)比值（屈强比）的10倍。这两部分的乘积为公称屈服点(s)或公称屈服强度的10倍。例如：8.8级-即公称抗拉强度b=800MPa,公称屈服强度0.2=640MPa.性能系列为：3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9。,65,螺母：在GB3098.2-82紧固件力学性能螺母中性能等级的标记：当公称高度0.8D时，用公称抗拉强度b的1/100来表示性能等级，例如：8级即公称保证应力800MPa性能等级系列为4、5、6、8、10、12；当公称高度0.5D，且0.8D时（即扁螺母），用“0”及一个数字标记；其中数字表示用淬硬芯棒测出的保证应力的1/100，而“0”表示这种螺母组合件的实际承载能力比数字表示的承载能力低，例如：0.4级即公称保证应力400MPa，实际保证应力380MPa。平垫圈：平垫圈的性能等级标记代号由数字和字母组成，数字部分表示最低的维氏硬度值，字母表示硬度，性能等级系列为：100HV、140HV、200HV、300HV。例如，140HV即维氏硬度140。,66,不锈钢：不锈钢螺栓、螺柱、螺钉和螺母在GB3098.6-82紧固件力学性能螺栓、螺钉、螺柱和螺母中的性能等级的标记由材料组别和性能等级两部分组成