压力容器材料

1、1MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS2压力容器设计压力容器设计结构设计结构设计合理选材合理选材时间、环境的劣化作用时间、环境的劣化作用（充分考虑）应力分析应力分析max s pmax p33.1.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材3.1.2 有色金属和非金属有色金属和非金属3.2.1 塑性变形塑性变形3.2.2 焊接焊接3.2.3 热处理热处理43.4.1 压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求3.4.2 压力容器钢材

2、的选择压力容器钢材的选择3.3.1 温度温度3.3.2 介质介质3.3.3 加载速率加载速率53.1 压力容器材料压力容器材料3.1.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材3.1.2 有色金属和非金属有色金属和非金属6钢材a.按化学成分分按化学成分分碳素钢碳素钢合金钢合金钢工业纯铁工业纯铁C%0.04%低碳钢低碳钢 C% 0.25%（建筑和结构构件用）（建筑和结构构件用）中碳钢中碳钢C%= 0.25%0.6%容器用锻件和螺栓容器用锻件和螺栓高碳钢高碳钢C% 0.6%低合金钢：合金元素总含量低合金钢：合金元素总含量5%中合金钢：中合金钢： 5%10% 高合金钢：高合金钢： 10% 也可按合金元素种

3、类及组合分为：锰钢、铬钢、铬镍钢、铬钼钢也可按合金元素种类及组合分为：锰钢、铬钢、铬镍钢、铬钼钢7b.按品质分普通钢普通钢P 0.045%,S 0.055%或或P. S 0.05%优质钢优质钢P. S 0.04%，Cu 0.030%高级优质钢高级优质钢P 0.035%,S 0.03%,Cu 0.025%c.按冶金方式分按冶金方式分按炉别分：平炉钢、转炉钢、电炉钢按炉别分：平炉钢、转炉钢、电炉钢按脱氧程度按脱氧程度和浇注制度和浇注制度分分 沸腾钢沸腾钢:不脱氧，钢锭内产生沸腾现象不脱氧，钢锭内产生沸腾现象 C 0.025%,Si 0.07%镇静钢：脱氧较完全镇静钢：脱氧较完全半镇静钢：介于沸腾钢

4、和镇静钢之半镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间间 Si 0.17%8d.按金相组织分按金相组织分退火状态退火状态正火状态正火状态无相变或部分相变无相变或部分相变亚共析钢：铁亚共析钢：铁+珠珠共析钢：珠共析钢：珠过共析钢：渗碳体过共析钢：渗碳体+珠珠珠、贝、马、奥珠、贝、马、奥铁、奥、复相钢铁、奥、复相钢e. 按用途分按用途分结构钢：结构钢：建筑及工程用钢、机械制造用钢、弹簧钢、轴承钢、超高强度建筑及工程用钢、机械制造用钢、弹簧钢、轴承钢、超高强度钢钢工具钢：工具钢：碳素钢、高速工具钢、合金工具钢（刃具、量具、模具）碳素钢、高速工具钢、合金工具钢（刃具、量具、模具）特殊性能钢：特殊性能钢：不锈耐热钢

5、、耐热钢、电热合金、耐磨钢、低温用钢、不锈耐热钢、耐热钢、电热合金、耐磨钢、低温用钢、 电工用钢电工用钢专业用钢：专业用钢：船舶用钢、桥梁用钢、钢轨钢、压力容器用钢、锅炉用钢船舶用钢、桥梁用钢、钢轨钢、压力容器用钢、锅炉用钢9铁碳合金图温温度度含碳量含碳量723153490011470.82.064.36.67奥氏体奥氏体铁铁+珠珠珠珠+渗渗奥奥+渗渗铁铁+奥奥液体液体液液+奥奥液液+渗渗渗渗+莱莱奥奥+渗渗+莱莱珠珠+渗渗+莱莱渗渗+莱莱铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体103.1.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材一、钢材形状一、钢材形状主要是主要是板板、管材管材和和锻件（棒、丝、铸件）锻件（

6、棒、丝、铸件）（1）钢板）钢板壳体、封头、板状构件等壳体、封头、板状构件等下料、卷板、冲压、焊接、热处理下料、卷板、冲压、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、韧性、较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能冷弯性能和焊接性能主要用途：主要用途：加工要求加工要求:性能要求：性能要求：GB3531 低温压力容器用低合金钢钢板低温压力容器用低合金钢钢板GB6654 压力容器用钢板压力容器用钢板11（2）钢）钢管管接管、换热管等接管、换热管等无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢管管下料、焊接、热处理下料、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、较高的强度、良好的塑性、韧性、焊

7、接性能韧性、焊接性能主要用途：主要用途：主要类型：主要类型：加工要求加工要求:性能要求：性能要求：请比较各类钢管的优缺点请比较各类钢管的优缺点12（3）锻件）锻件高压容器的平盖、端部法兰与长颈对高压容器的平盖、端部法兰与长颈对焊法兰等焊法兰等 、四个级别。级别四个级别。级别越高，越高， 要求检验项目越多，越严格，要求检验项目越多，越严格，价格越高。价格越高。主要用途：主要用途：分分 级：级：仅需硬度检测仅需硬度检测逐件超探、拉伸、冲击试验逐件超探、拉伸、冲击试验筒形、环形、饼形、碗形、长颈法兰锻件、条形、矩形筒形、环形、饼形、碗形、长颈法兰锻件、条形、矩形13二、钢板二、钢板141、碳素钢板、

8、碳素钢板含碳量小于2.06的铁碳合金，含有少量的硫、磷、铜、氧、氮，以及硅、锰、铝等元素。a.钢号钢号及标准及标准优质碳素优质碳素结构钢结构钢压力容器压力容器专用钢板专用钢板Q235-B、Q235-C钢板20R （R表示压力容器专用钢板）GB6654-1996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。20R的特点和应用场合：GB912 4mmGB32744mmp 1.6MPa;t=0350, 20mm(壳体壳体)，高毒勿用，高毒勿用10、20钢钢管；钢钢管； 20、35钢锻件。钢锻件。152、低合金钢板、低合金钢板是一种低碳低合金钢，合金元素含量

9、较少（总量一般不超是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超 过过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐），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。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，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。输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。16压力容器常用低合金钢：压力容器常用低

10、合金钢：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR;07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR16Mn、09MnD;16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。（D表示低温用钢）钢板钢板钢管钢管锻件锻件17低合金钢板（GB6654）钢号钢号生产情况生产情况使用情况使用情况备注备注16MnR=6-120mm多家生产多家生产大量采用大量采用-20475s=275285MPa13MnNiMoNbR舞阳重点产品舞阳重点产品理想的单层厚理想的单层厚板用钢板板用钢板-20475s=380390MPa德国德国BHV35改进而成改进而成0

11、7MnCrMoVR武钢：武钢：宽宽2600mm鞍山：宽鞍山：宽3400mm球罐用钢球罐用钢三峡闸门三峡闸门日本日本CF-62钢改进而成，钢改进而成，强度高，可焊性好，强度高，可焊性好， s= 490MPa18MnMoNbR尽量不用尽量不用15MnVR已不普遍使用已不普遍使用价格、生产、性能有问题价格、生产、性能有问题15MnVNR已取消不用已取消不用15MnNbR新增钢种，相新增钢种，相当日本当日本SPV355s350MPa，克服了，克服了16MnR两大缺点：强度随两大缺点：强度随板厚增大而迅速减小；用板厚增大而迅速减小；用于球罐强度不够于球罐强度不够183低温用钢板钢号钢号生产情况生产情况使

12、用情况使用情况备注备注16MnDR重庆、武汉、舞重庆、武汉、舞阳、浦东四家阳、浦东四家大量使用大量使用-40100s=255315MPa09MnNiDR武钢、舞阳武钢、舞阳丙烯、丙烯、硫化氢（硫化氢（L）储罐）储罐-70 07MnNiCrMoVDR已有多家生产已有多家生产乙烯低温球罐乙烯低温球罐-40 490MPa15MnNiDR尽量少用尽量少用09Mn2VDR已取消作为低温已取消作为低温容器用钢容器用钢194中温抗氢钢板钢号钢号生产情况生产情况使用情况使用情况备注备注15CrMoR武汉、舞阳、重武汉、舞阳、重庆庆已得到较广泛使已得到较广泛使用用GB150-98GB6624-199655014

13、Cr1MoR已有已有10年历史年历史GB150-98 A2.312Cr2Mo1R已有已有10年历史年历史GB150-98附录附录H20应用介绍应用介绍1、16MnRs屈服点 为340MPa级的压力容器专用钢板是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21应用介绍应用介绍2、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可用于可用于-40 的钢种的钢种液氨储罐等设备（降低碳含量，并加镍和微量钒）（降低碳含量，并加镍和微量钒）15MnNiDR提高了低温韧性提

14、高了低温韧性-40 级低温球形容器级低温球形容器09MnNiDR-70 级低温压力容器用钢级低温压力容器用钢用于制造液丙烯（用于制造液丙烯（-47.7 ）、液硫化氢（）、液硫化氢（-61 ）等设备）等设备22应用介绍应用介绍3、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23应用介绍应用介绍4、20MnMo、 09MnNiD、 2.25Cr-1Mo20MnMo常制造使用温度为常制造使用温度为-40470 的重要大中型锻件的重要大中型锻件良好的热加工和焊接工艺性能良好的热加工和焊接工艺性能09MnNiD良好的低温韧性良好的低温韧性常制造使用温度为常制造使用温度

15、为-4045 的低温容器的低温容器较高的热强性、抗氧化性和较高的热强性、抗氧化性和良好的焊接性能良好的焊接性能常制造高温（常制造高温（350480 ）、）、高压（高压（ 25MPa）、临氢压）、临氢压力容器力容器 2.25Cr-1Mo245 不锈钢板不锈钢板-高合金钢板（高合金钢板（GB150-98）压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是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腐蚀、耐高温钢耐高温钢铬钢铬钢铬镍钢铬镍钢铬镍钼钢铬镍钼钢生产单位：太原、浦东生产单位：太原、浦东25（1）铬钢）铬钢但不耐硫酸、盐酸、热但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀磷酸等介质的腐蚀0Cr13是常用

16、的铁是常用的铁素体不锈钢素体不锈钢有较高的强度、塑性、韧性有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能和良好的切削加工性能在室温的稀硝酸以及弱有在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性机酸中有一定的耐腐蚀性26（2）铬镍钢）铬镍钢0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。但长期在水及蒸汽中工作时，但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有有倾向，倾向，并且在氯化物溶液中易发生并且在氯化物溶液中易发生开裂。开裂。0Cr18Ni9在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在在固溶态，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

17、质中耐腐蚀性亦佳氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温度范围内长期使用。温度范围内长期使用。0Cr18Ni10Ti为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。00Cr19Ni10（相当于（相当于SUS304）（相当于（相当于SUS304L，但比，但比304L更好：加更好：加Ti提高了抗蚀性能，节约提高了抗蚀性能，节约Ni）27（3）铬镍钼钢：）铬镍钼钢：耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。用于制造介质中含氯离子的设备。00Cr1

18、8Ni5Mo3Si2是奥氏体是奥氏体-铁素体双铁素体双相不锈钢相不锈钢28不锈钢不锈钢复合板复合板基层基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。：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：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：复合板应用特点：用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省贵重金属，用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省贵重金属， 从而降低从而降低压力容器的制造成本

19、。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。环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。GB150-98采用：复合界面剪切强度不小于采用：复合界面剪切强度不小于200MPa的复合板。的复合板。标准：标准：GB8165轧制法生产复合板；轧制法生产复合板；JB4733爆炸法生产复合板爆炸法生产复合板生产单位：四川宜宾生产单位：四川宜宾6不锈钢复合钢板不锈钢复合钢板29三、钢管l标准：标准：GB8163流体管流体管 GB8162结构管结构管GB150-9

20、8钢号：钢号：10、20G、16Mn、09MnD（江阴兴澄）（江阴兴澄）四、锻件四、锻件标准：标准：JB4726JB4728-2000 （为（为GB150-98采用）。采用）。使用：低温、高温、高压场合使用：低温、高温、高压场合优点：热加工性能和焊接性能良好。优点：热加工性能和焊接性能良好。30 压力容器零部件间焊接还需要压力容器零部件间焊接还需要焊条焊条、焊丝焊丝、焊剂焊剂、电极电极和和衬垫衬垫等焊接材料。等焊接材料。 一般应根据待连接件的一般应根据待连接件的化学成分化学成分、力学性能力学性能、焊接性能焊接性能，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，结合压力容器的结构特点和使

21、用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过必要时还应通过试验试验确定。确定。 压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。五、焊接材料五、焊接材料313.1.2 有色金属和非金属有色金属和非金属一、有色金属一、有色金属使用状态：使用状态： 在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用态下使用选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号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压力容器常用有色金属：有色金属：铜及其合金铜及其合金铝及其合金铝及其合金镍及镍合金镍及镍合金钛及钛合金钛及钛合金32 在没有氧存在的情况

22、下，铜在许多在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性非氧化性酸酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是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，是制造在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，是制造深深冷设备冷设备的良好材料。的良好材料。退火状态下使用退火状态下使用1、铜及其合金、铜及其合金特性特性：尚无专门标准尚无专门标准容规容规第第17、18条，条，GB151-1999有相关内容有相关内容332、铝及其合金、铝及其合金特性特性：铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、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；碳酸、氢铵、尿

23、素等，不耐碱；在低温下具有良好的塑性和韧性；在低温下具有良好的塑性和韧性；使用温度范围为使用温度范围为-269200； 压力范围为压力范围为p8MPa有良好的成型和焊接性能。有良好的成型和焊接性能。应用应用：可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止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污染产品的设备及深冷设备标准：标准：JB4734铝制钢制焊接容器铝制钢制焊接容器，容规容规17、18条条343、镍及镍合金、镍及镍合金特性特性：在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，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，最高使用温度可比耐热钢有更好

24、的抗高温强度，最高使用温度可达达900。如蒙乃尔合金（一种镍铜合金）。如蒙乃尔合金（一种镍铜合金）应用应用： 由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。标准：标准： JB 4741-474压力容器镍铜合金管板锻件压力容器镍铜合金管板锻件、 压力容器用镍铜合金压力容器用镍铜合金、容规容规17、21条条354、钛及钛合金、钛及钛合金特性特性：对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，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；如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；具有密度小（具有密度小（=4510kg/m3）、强度高（

25、相当于）、强度高（相当于20R）、）、 低温性能好、粘附力小等优点；低温性能好、粘附力小等优点；但单位质量价格高，比一般钢材高但单位质量价格高，比一般钢材高20倍左右；倍左右；使用温度仅限于使用温度仅限于350以内以内。应用应用：在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。得较好的综合经济效果。标准：标准：JB4745钛制焊接容器钛制焊接容器 容规容规17、19条：退火状态下使用，纯钛板的使用温条：退火状态下使用，纯钛板的使用温 度不高于度不高于230 ，钛合金不高于，钛合金不高于250250 。36二、非金属材料二、非金属材料用途：用

26、途： 它既可以它既可以单独用作结构材料单独用作结构材料，也可用作金属材料，也可用作金属材料保护衬保护衬里里或或涂层涂层,还可以用作设备的还可以用作设备的密封材料密封材料、保温材料保温材料和和耐火耐火材料材料。压力容器用非金属材料要求：压力容器用非金属材料要求：除要求有良好的耐腐蚀性外，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，还应有足够的强度，好的热稳定性，好的热稳定性，良好的加工制造性能。良好的加工制造性能。缺点：缺点：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金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属相比强度较低(除玻璃钢外除玻璃钢外)。37压力容器常用非金属材料

27、：压力容器常用非金属材料：涂料涂料工程塑料工程塑料不透性石墨不透性石墨搪瓷搪瓷陶瓷陶瓷381、涂料、涂料涂料是一种有机高分子胶体的混合物，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，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。起耐腐蚀和保护作用。39热固性塑料热固性塑料热塑性塑料热塑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，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；再加热又软化；Eg.如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等；等；可用作制造低压容器的壳体、管道可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元件、衬里等也可用作密封元件、衬里等的材料。的材料。2、工程塑料、工程塑料403、不透性石墨、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。热交换器。4、陶瓷、陶瓷 具有良好的耐腐蚀性能，且有一定的强度，被用来制具有良好的耐腐蚀性能，且有一定的强度，被用来制造塔、贮槽、反应器和管件。造塔、贮槽、反应器和管件。415、搪瓷、搪瓷搪瓷