压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

1、南京工业大学备课笔记18第三章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响Pressure Vessel Materials and Properties Effected by En vir onmentand Time选择合适的材料是压力容器质量保证经济的一个重要环节。设计者要正确选择材料还应对材料的冶炼供货状态，力学性能，使用中的劣化等有全面的了解。3.1 压力容器材料 Pressure Vessel Materials3.1.1 压力容器常用钢材：Pressure vessel steels（1）钢材形状shape从钢厂生产出的钢材包括：钢板、钢管、钢棒、钢丝、锻件、铸件等；压力容器使用的

2、钢材主要是：板材，管材和锻件。a. 钢板钢板卷焊制圆筒，冲压可制成封头。应具有性能：较高的强度及良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。b. 钢管用于接管，换热管等；要求：较高的强度和塑性，良好焊接性能。c锻件用作：高压容器的平、盖端部法兰，接管法兰。（2）钢材类型type按化学成分分，可分为碳素钢、低合金钢、高合金钢。a 碳素钢 carb on steel含C量2.06%的铁碳含金，压力容器常用碳素钢有两类：一类：Q235系列、10，20钢管，20，35锻件一类：（专用钢板）20RR:表示压力容器专用钢板，主要对 20钢的S.P等有害元素控制更加严格，表面质量要求更高。常用于常压，中低压压力容

3、器b. 低合金钢 low-alloy steel合金元素较少（总量一般不超过 3%）其强度、韧性，耐腐蚀性，尤其是屈服点比相同含C量的普通碳素钢要高,高温性能也较优。如16MnR中低压，多层高压，有缺陷时，易产生裂纹 16MnDR 15MnNiDR O9MnNDR-40 °C，-40 °C，-70 C 15CrMoR中温抗氢钢板，壁温560C 20MnM锻件-40 C- 470C重要大中型锻件15CrlMoV锻件，高温高压（25Mpa 350-480C）09MnNiD锻件，-60 - -45 C低温容器。 18Mn MoNb强度高，中温和抗氢容器用钢，30万吨合成氨的合成塔

4、。采用低合金钢，可减轻容器壁厚，减轻重量。但使用低合金钢在制造工艺上 也相应提出更高的要求。例如：为防止产生焊接缺陷这类钢要求焊接前进行预热并要求控制在一定的 预热温度范围内。手工焊接时，必须选用碱性低氢型焊条。焊接前焊条、焊剂必须按规定温度 进行烘烤，焊丝须除油去绣等。c. 高合金钢 high-alloy steel压力容器采用的高合金钢大多是耐腐蚀，耐高温这类钢。主要是：铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢。铬钢：Ocrl3、1Cr13耐稀硝酸，弱有机酸，不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质。铭镍钢：Ocr18Ni9、Ocr18NilOT 等耐氧化性酸及大气，水,蒸汽等介质。各有适用范围铬镍铜钢：OOCr18N

5、 5Mo3Si 2,耐应力腐蚀小孔腐蚀，适用介质中含氯离子。（3）供货状态 supplyi ng state一般说钢材总是在一定热处理状态下使用的。有些钢材热轧后直接供货使用，然而热轧后钢材的组织实际上也是一种经过 热处理的组织。多数低合金钢板要求在正火，正火加回火或调质状态下使用。16MnR 15MnVF钢板在25伽以下，可在热能状态下使用在25伽以上，为改善综合力学性能，进行 900 920C正火处理，这样细化 晶粒，提高塑性，韧性和低温冲击性能。18MnMoNb 钢板通常在正火加回火处理后使用对特厚钢板，经上述处理屈服强度仍达不到500Mpa的标准要求冲击韧性也不够稳定，往往采用调质处理

6、。3.1.2 有色金属和非金属 Non ferrous Metal and No nm etal(1) 有色金属 Non ferrous metala. 铜及其合金 Copper and its alloys无氧时铜在许多氧化性酸中是比较耐腐蚀的，另外在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，用于制造深冷设备。b. 铝及其合金 Aluminum and its alloy很轻，能耐浓硝酸、醋酸、碳酸氢铵、尿素等，不耐碱。用作制贮罐，塔， 热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备。c. 镍及镍合金 Nickel and its alloys更高耐腐蚀性，更高的抗高温强度，价格高用于特殊要求的压力容器。d.

7、 钛及钛合金 Tita nium and its alloys耐中性，氧化性，弱还原性介质的腐蚀。密度小，强度高，低温性能好，粘附力小等优点，价格高用于介质腐蚀性强，寿命长的设备中。(各种浓度的硝酸，湿氯气，氯化物 溶液，海水)e. 铅 Lead在硫酸大气，特别是含有 H2S，SO2的气体中。具有较高的耐腐蚀性，铅主要用于处理硫酸的设备中非金属材料Nonmetal materials优：耐腐蚀性好，品种多，资源丰富。应用：单独用作结构材料金属材料保护衬里或涂层设备的密封材料，保温材料，耐火材料缺：耐热性（一般）不高对温度波动较敏感与金属相比强度较低（除玻璃钢外）常用的非金属材料：a. 涂料 c

8、oati ng有机高分子胶体混合物主要用来均匀涂在容器表面，起耐蚀，保护作用b. 工程塑料 plastics女口：耐酸酚醛塑料聚四氟乙烯玻璃钢用途：低压容器的壳体，管道，密封元件，搅拌皿c. 不透性石墨 graphite具有良好化学稳定性，导电性和导热性用途：热交换器d. 陶瓷 ceramic良好耐腐蚀性，一定的强度用途：塔，贮槽，反应器，管件e. 搪瓷 enamel搪瓷设备是由含 Si量高的瓷釉通过900C左右高温锻烧，使瓷釉密着于金 属胎表面而成优良耐蚀性，较好耐磨性用途：耐腐蚀，不挂料的反应罐，贮槽，反应器。3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响Pressure Vessel Steel

9、Properties Effected by Fabricati on压力容器制造中，钢板通常经过压力加工成为所需形状，再经过焊接将各部 分连接在一起，有时还经热处理。因此压力加工，焊接热处理等对钢材性能的影响是不容忽视的。321 塑性变形 Plastic Deformati on材料在外力作用下，将发生变形，随着载荷的增大，变形也逐渐增长。变形分：弹性变形：载荷卸除后，变形也消失塑性变形：载荷卸除后，部分变形消失，部分变形不消失（1）应变硬化 S train hardening钢材经过塑性变形后，晶粒沿变形最大方向被伸长，晶格扭曲， 这种随着应变增大，使材料强度增大，塑性降低的现象称应变硬化

10、或加工硬化（Workharde ning）（2）热加工和冷加工 hot-working and cold-working热加工（热变形）：在再结晶温度上进行的塑性变形冷加工（冷变形）：在再结晶温度以下进行的塑性变形钢材的热轧，锻造一般都在8001200C的高温下进行，超过了再结晶温度 均属热加工。对锡：熔点很低，最低再结晶温度约-7 C即使在室温下的变形仍属热加工钨：高熔点金属，最低再结晶温度为 1200C，即使在1000C的高温下的变 形也属冷加工。冷变形中无再结晶出现，因而有加工不变化现象。对抗拉强度，屈服强度的影响：冷加工中随着塑性变形，位错密度提高，客易形成位错缠结，使继续变形困 难，

11、要继续变形就必须加大应力，从而导致金属的屈服强度和抗拉强度随着变形 的增加而升高。（3）各向异性 an isotropy金属在变形过程中有可能形成纤维组织（晶粒被拉长或压缩呈纤维状）和带状组织（对于存在第二相合金塑性变形使这些第二相被打碎或拉长，并顺着变形方向排列呈带状）。纤维组织和带状组织使材料的力学性能产生方向性：平行于纤维组织方向，强度，塑性，韧性提高垂直于纤维组织方向，塑性韧性降低变形越大，纤维组织越明显，性能差异 越显著。（4）应变时效 strain age ing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（或较高温度 停留一定时间后）会使屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性

12、降低的现象一一应变 时效。发生应变时效的钢材，冲击吸收功下降，韧脆转变温度上升，从而出现常温 下脆化。3.2.2 焊接 Welding焊接是一种永久性连接金属构件的加工方法优：生产效率高，节省材料，结构紧凑缺：存在较大残余应力，并引起变形焊接接头组织不均匀，质量较难控制（1）焊接接头的组织和性能焊接接头：用焊接方法连接的接头焊接时各部位加热和冷却速度不同，焊接接头各部位的金属组织也有所不 同。焊接接头一般可分为：焊缝、熔合区、热影响区各区有不同的组织和性能。a. 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。结晶组织类似于铸钢锭的树技状，由于熔融金属中各种合金、金属化合物

13、，非金属熔渣的凝固点不同，结晶过 程中容易造成成分偏析。b. 熔合区焊接接头与母材热影响区之间的过渡区域其化学成分和组织性能不均匀性很大因而：塑性差，强度低，脆性大，易产生焊接裂纹，是焊接头中最薄弱的环节。C.热影响区焊缝两侧的母材，受焊接热的作用，而发生金相组织和力学性能变化的区域。 由于距焊缝距离不同，加热、冷却速度不同，从而形成多种金相组织。热影响区又可分为以下三个区域 过热区热影响区具有过热组织的区域(或晶粒显著粗大)温度：Ac3次上100-200C至固相线之间，由于温度超过 Ac3，奥氏体晶粒 严重长大冷却后晶粒组织明显，所以，塑性冲击韧性降低，焊接刚度大的结构或含 碳量高的易淬火钢

14、，易产生裂纹。 正火区相当于受正火热处理的区域温度约达到 Ac3至Ac3以上100-200E之间金属发生再结晶，区内是均匀、细小的铁素体和珠光体组织力学性能得到改善，是焊接接头组织和性能最好的区域 部分正火区温度达到Ac1Ac3之间,产生不完全再结晶发生再结晶冷却后得到细晶的铁素体和珠光体未发生再结晶冷却后得到粗大的铁素体和细晶粒珠光体的混合组织由于晶粒大小不一，力学性能也不均匀(2) 焊接应力与变形 Welding stress and deformation焊接时，局部加热导致较大温度梯度，从而产生焊接应力和变形焊接应力和变形：指焊接过程中焊体内产生的应力和变形焊接残余应力：焊后残留在焊体

15、内的焊接应力焊接残余应力与外载荷产生的应力叠加，使局部区域应力过高，引起裂纹， 甚至导致结构失效。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，会使报废。 平板对接焊缝焊接残余应力分布：P97图3-1焊缝和近焊缝区纵向受拉应力，远离焊缝区受压应力焊接装配应力（组装应力）：焊前压力容器成形不合要求（不圆度等）强行组装造成。（3）减少焊接应力和变形的措施：焊接结构设计：减少接头数量，相邻焊缝保持足够间距，避免焊缝交叉，焊 缝不要布置在高应力区，避免十字焊缝。焊接工艺：焊前预热（4）焊接接头常见缺陷defect常见有裂纹夹渣，未熔透，未熔合，焊瘤，气孔，咬边a. 裂纹 crack产生：

16、焊接应力及其它致脆因素作用下，金属原子结合力遭到破坏而形成缝 隙。存在于焊缝和热影响区危害：最危险的缺陷，压力容器破坏事故多由裂纹引起。b. 夹渣残留在焊缝金属中的熔渣。危害：易造成应力集中是裂纹的起源c. 未熔透焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象，危害：减少焊缝有效承载面积，在根部产生应力集中易引起裂纹。d. 未熔合厚截面，多道焊接，焊道与母材之间焊道与焊道之间未能完全熔化结合的部 分。危害：类似于裂纹，是危险缺陷e. 焊瘤焊接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f. 气孔焊接中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出， 残留下来形成孔穴。 危害：

17、减少活焊缝承载面积，无尖锐边缘，危害相对较小g. 咬边沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽危害：减少承载面积，产生应力集中，危害较严重。（5）焊接接头检验 welding joint inspection分破坏性和非破坏性两类a破坏性检验：从焊件或焊接试板上取试样或整体作破坏试验，检验化学成分，金相组织， 接头力学性能。b非破坏性检验：在不破坏结构使用性能条件下，用物理方法探测各种内部和表面缺陷。主要有外观检查，包括直观检验和量具检验检查：焊缝错边量、棱角度，有无裂纹，咬边，接头形式 密封性检验：用液体（气体）检查焊缝区有无漏水，漏气（油） 无损检测：non destructive exam i

18、n ati on方法：射线透照，超声检测表面检测（磁粉检测，渗透检测，涡流检测）。射线超声，探测内部缺陷；表面检测：探测表面和近表面缺陷323 热处理 Heat Treatment奥氏体：C在丫一 Fe中的间隙固溶体，铁原子接面心立方点阵排列 C原子位 于面心阵点中心或棱的中间。3.3环境对压力容器用钢性能的影响 Environment压力容器除受到包括介质压力在内的各种载荷作用外，其工作环境对材料的性能也有着不可低估的影响，有时这种影响甚至超出了介质的影响。即使材料的成分相同，组织结构相同，韧性指标（如K1、C）也相同，但如果外部环境不同，贝用料的实际性能也有很大的差异。环境的影响因素很多，

19、如：温度的高低波动，载荷的波动，介质的性质，加载的速度等。这些影响往往不是单独存在，而是同时存在交叉影响，甚至难以区分属哪一 类。331 温度 Temperature有的压力容器长期在高温下工作（热壁加氢反应器）有的压力容器长期在低温下工作（液氧，液氨贮罐）材料在高温或低温下的性能与常温下并不相同（1）短期静载下，温度对钢材力学性能的影响在高温下，温度对低 C钢力学性能的影响见P101，图3-3温度向上，E向 下， s向下， b所以决定许用应力时，不能仅根据常况下b、s,应考虑设计温度下 s.在低温下：温度下降，碳钢，低合金钢强度上升，韧性下降韧脆性转变温度（脆性转变温度）：Temperatu

20、re of ductile-to-brittle transition当温度低于某一界限时，钢的冲击功大幅度下降，从韧性状态变为脆性状态 的温度P102图3-4为低碳钢冲击吸收功随温度变化的曲线注：从韧性转为脆性，不是在一个特定的温度而是在一个温度范围内。韧性：Toughness材料的一种力学性能，是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力。强度是材料抵抗变形和断裂的能力塑性表示断裂时总的塑性变形程度一定程度上，可以说是韧性是强度和塑性的综合表现，也是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。工业上通常使用冲击韧性 Ak （ kg、m）或 k（kg.m/cm2）和断裂韧性来表征 材料韧性的指标。冲击韧性

21、：一定条件下，将试样冲断所消耗的功或试样从变形到断裂全过程 所吸收的能量，断裂力学中的应力强度因子Qc和裂纹尖端张开位数（COD）可用来衡量材料的韧性注意：并不是所有金属都会低温变脆。碳素钢、低合金钢，会低温变脆，Cu, Al和奥氏体不锈钢，很低温度下仍有高的韧性。（2）高温，长期静载下钢材性能高温下材料的强度等性能除随温度的升高而改变外，还和时间有关蠕变现象：在高温和恒定载荷作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性 变形，这种现象称蠕变（Creep）现象。蠕变温度：碳素钢超过420C低合金钢400500C危害：使材料产生蠕变脆化，应力松驰，蠕变变形和蠕变断裂。a. 蠕变曲线温度和应力一定时，

22、金属材料的应变与时间的关系可用蠕变曲线图来表示。 典型的蠕变曲线可分为三个阶段。减速蠕变（ab）:蠕变的不稳定阶段，蠕变的随时间增长而逐渐降低。恒速蠕变（be）加速蠕变（cd）:材料以接近恒定的蠕变速度进行变形。在这阶段蠕变速率不断增加，直至断裂同一材料在不同应力，不同温度下蠕变曲线形状并不相同。应力小,温度低，第二阶段时间会很长，反之则很短，甚至没有b. 蠕变极限，持久强度在高温下长期服役的压力容器的材料性能指标采用蠕变极限和持久强度。蠕变极限是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力，其定义为105小时后材料应变限制在1%以内，其应变速率为 =10-7时的应力。蠕变极限以考虑变形为主。持久强度

23、也是反映材料高温性能的重要指标，主要考虑材料在高温长期作用 下的破坏抗力。在给定温度下，一定时间后产生蠕变断裂的应力称为该时间内的持久强度。c. 松弛在高温和应力作用下，随着时间的增长，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐 步取代原来的弹性变形从而使零件内的应力逐渐降低，这种现像称松驰。如高压 螺栓。(3) 高温下材料性能的劣化 deterioration常温下，钢状的金相组织和力学性能一般都相对稳定，不随时间而变化。但在高温下，金相组织和力学性能发生变化，材料性能劣化除蠕变脆化外a. 珠光体球化 pearlite spheroidising压力容器的碳素钢和低合金钢，常温下组织为铁素体+珠光体，其

24、片状珠光体在温度较高时，逐渐转变成球状，再积聚成球团，使材料的屈服点抗拉强度， 冲击韧性，蠕变极限，持久极限下降，这种现象称为珠光体球化。修复：加热，保温，再冷却b. 石墨化 graphite钢材在高温，应力长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象。危害：相当于金属内形成空穴，使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击韧 性下降很多。防止：在钢中加入与碳化合能力强的合金元素如Cr，Ti，V等。c. 回火脆性 tempering brittlement12CrlMoV等铬钼钢，长期在325-575E下使用，或者在此温度范围缓慢冷 却，使韧脆转变温度升高，冲击韧性下降的现象称回火脆性。防止：严格控

25、制微量杂质元素的含量(P，Sb，Sn, Si-)使设备升、降温 速度尽量缓慢。d. 氢腐蚀和氢脆 hydrogen corrosion and embrittlement 氢腐蚀：高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，也称氢蚀。生成的甲烷不能扩散出去，聚集在晶界上形成压力很高的气泡，气泡扩大和相互连接从而在晶界上形成裂纹。条件：碳素钢在200C以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。防止：加入Cr，V，Ti，W等能形成稳定碳化物，从而提高抗氢腐蚀的能力。 氢脆钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。机理：高温高压下，氢以原子形式渗入到钢中被钢的基体所溶解吸收，当容 器冷却后，氢的溶解度降低，形成分子氢的

26、集聚，造成氢脆。防止：停车时，应先降压，保温消氢(200C以上)，再降至常温，不可先降 温后降压。e. 其它中子辐照：核反应堆，中子辐照影响，使材料冲击韧性下降，韧脆转变温度 上升。高温下合金元素不断脱溶(Cr，Mo Mn使材料高温强度下降高温：高于蠕变起始温度蠕变温度：Tc>(0.25 0.35)TmTm金属材料的熔点Tc：碳钢 >350C低合金钢>400 450 C耐热合金钢>600C高温反应炉炉管，表面温度达1000r压力3.5Mpa,材料劣化现象有： 晶界氧化：热应力大，易使表面氧化膜破裂，促进晶界氧化 渗碳：耐热钢长期在高温下使用，铬的氧化膜逐步长大，由于膨胀

27、系数与 基体合金差别大，随着温度波动，产生裂纹，基体中贫络，氧化膜再生固难，从 而加速渗c。3.3.2 介质 Medium介质可能引起材料腐蚀，组织性能的改变。(1) 腐蚀概述Corrosion按腐蚀机理，可分为两大类a. 电化学腐蚀金属在电解质中，由于各部位电位不同，形成微电池，在电子交换过程中产 生电流，作为负级的金属被逐渐溶解的一种腐蚀。如碳素钢在水或潮湿环境中的腐蚀。b. 化学腐蚀金属在介质中直接发生化学反应的腐蚀按腐蚀的形成，也可分为两大类a.全面腐蚀与腐蚀介质直接接触的全部或大部分金属表面发生比较均匀的大面积腐蚀。危害：厚度变薄，强度不足，发生膨胀以至爆破。防止：选用耐腐蚀材料，衬

28、里或堆焊。b.局部腐蚀集中在金属表面局部区域的腐蚀常见形式有； 晶间腐蚀 intergranular corrosion腐蚀沿晶粒边界和邻近区域产生和发展，而晶粒本身腐蚀很轻微。危害很大，不易被察觉。腐蚀环境，电解质溶液，过热水，蒸汽，高温水和熔融金属等。防止：在奥氏体不锈钢中加入稳定化之素（ Ti，V）或采用超低 C不锈钢（OOCr18N9） 小孔腐蚀（孔蚀，点蚀）pitt ing在金属表面产生针状，点状，小孔状局部腐蚀。产生：卤素离子，氯化物， 溴化物静滞的液体中。防止：提高流速，增加 Mo降低介质中CI.I含量 缝隙腐蚀 crevice corrosion缝隙中积存静止介质或沉淀物引起的

29、腐蚀。避免：避免或减少缝隙形成。介质的流动死角（区）使液体排净，胀焊并用，减少管子与管板间缝隙。（2）应力腐蚀 Stress Corrosion在拉伸应力和特定腐蚀介质的共同作用下，导致材料开裂或早期破坏断裂前往往无明显塑性变形，危险性很大特点拉应力大于临界值特定合金和介质的组合女口：氯化物溶液中，面心立方晶体（face-ce ntered cubic） 的奥氏体不锈钢 易发生应力腐蚀，而体心立方晶体（body-ce ntered cubic） 的铁素体不锈钢不容 易发生。常见的应力腐蚀防止：合理选择材料，HS采用抗H2S的钢，如12Cr2MoAIV减少或消除残余 应力，焊后消除应力热处理。改

30、善介质条件，减少有害离子成分，添加缓性剂（吸 附在金属表面上）涂层保护。合理设计结构，避免缝隙。333 加载速率 Loading rate用应力速率（Pa/s）或应变速率（S1）表示。应变速率在10-410-1 S-1的范围材料力学性能无明显变化，应变速率在104S-1以上，有显著影响。原因：加载速度较高，材料无充分时间产生滑移变形，使材料继续处于一种弹性状态，使 s随之增大而塑性和韧性下降，脆性断裂倾向增加。3.4 压力容器材料选择 Selection of pressure vessel materials制造压力容器用的材料多种多样， 有黑色金属，有色金属，非金属材料及复 合材料等。使用

31、最多的还是钢材.3.4.1压力容器用钢的基本要求：Basic Requireme nt压力容器用钢板比一般钢板的要求更严，主要体现在，对化学成分的控制较严，抽样检验率较高，力学性能检验中增加了冲击值的要求。基本要求：较高的强度，良好的塑性，韧性，制造性能，以及与介质的相容 性。（1）化学成分 chemical composition含C量w 0.25% ,C含量高，使强度增加，可焊性变差，加入V，Ti，Nb可提高强度和韧性S.P有害元素,S 降低塑性和韧性,P 增加脆性（低温脆性）压力容器用钢，S.P含量0.02%, 0.03%（2）力学性能 mechanical properties力学性能主要指：强度、韧性和塑性变形能力力学性能不仅与钢材的化学成分，组织结构有关且与所处的应力状态和环境 有关。强度判据：s，b，持久极限（强度）D,蠕变极限n和疲劳极限-1塑性判据：延伸率5,断面收缩率书韧性判据：冲击吸收力AKV韧脆转变温度，断裂性设计时，力学性能判据可从相关规范标准中查到，实际使用时，除要查看质 量证明书外，有时还要对材料进行试验。(拉伸，冲击)(3) 制造工艺性能 manufacture process制造中冷加工，要求钢材有良好冷加工成型性能和塑性，延伸率5应在1520鸠上。良好可焊性是一项重要指标可焊性主要取决于化学成分