压力容器用材料培训课件

压力容器材料及其选用培训前言材料是压力容器的物质基础，正确选用压力容器材料是保证压力容器长期安全使用的一个基本条件。压力容器应用很广泛；备行备业都有，工作条件多种多样，加上近年来石油化工、核能、宇航等工业的不断发展，工艺过程向高压、超高压、高温、低温和超低温开拓，由此对构成压力容器的材料提出了更高的要求。如何正确选用结构材料，保证压力容器长期安全远行，这是一个很重要的问题。一.压力容器的失效与材料的关系1.压力容器的失效形式压力容器常见有韧性断裂、脆性断裂、疲劳、蠕变、腐蚀等失效形式：韧性断裂：压力容器在压力的作用下，当器壁应力超过材料屈服点后，器壁材料会发生塑性变形。随着应力的本断增加，当器壁上的应力超过材料的抗拉强度后，容器合产生明显的宏观塑性变形而至断裂失效。这种失效形式就是韧性断裂。在韧性断裂失效的容器上，如果材料本身没有宏观的缺陷，内部裂纹很小，一船失效容器的圆周伸长率和容积增大率高达百分之十以上，容器断裂后没有碎片或偶然有少量碎片。断裂断口的宏现形貌可为剪切唇或纤维状。

如果材料没有宏观缺陷和内部小裂纹，正确设计和合理使用的压力容器一般是不会发生韧性断裂的。但如果容器超压

使用，维护不良等造成器

壁减薄，会导致韧性断裂。

疲劳:压力容器长期受到交变裁荷作用而出现的一种失效形式，且多为低周期高应力的疲劳，即局部应力接近或高于材料的屈服点，但载荷的交变次数却比较低，常为105以下的次数。容器发生低周疲劳断裂时，不管材料处于韧性状态还是脆性状抵一般都不产生明显的塑性交形。疲劳断裂时，容器直径不会明显增大，壁厚不会明显减薄，断裂状态往往是先开裂一个断口，使容器泄漏。疲劳断裂断口与脆性断裂断口明显不同，其断口一般都存在比较明显的两个区域：一个是较平滑的疲劳裂纹萌生及扩展区，另一个是凹凸不平的最后断裂区。在低周废劳的裂纹萌生及扩展区比较难发现其宏观形貌特征，而断口的微观特征——疲劳辉纹却比较明显，电子金相中常可见到象贝壳一样的花纹，即裂纹扩展的弧形纹路，又称“年轮”条纹。在断裂区，若为韧性断裂，断口里暗灰色纤维状，若为脆性断裂，断口为租粒结晶状。

d.蠕变:压力容器长期在恒温、桓应力作用下工作(即使应力低于屈服点)，由于材料产生缓慢而连续的塑性变形，使容器几何尺寸逐渐增大，从出现滑移带和扭挤带至形成微裂纹，最后导致断裂的一种失效形式。蠕变在低温下也会产生，但只有当温度高于0.3TM(以绝对温度表示材料的熔点)时才比较明显。在高温或低应变速度下产生脆性沿晶断裂，断口呈现冰糖状，在温度不很高或高应变速度下产生韧性穿晶断裂。

压力容器蠕变断裂不常见，但个别零部件

的甥变断裂则常有发生。产生蠕变的原因常

因选材不当，错用抗蠕变性能不好的材料，

结构不合理导致过热；使用温度高于材料的

再结晶软化温度；或制造工艺不当降低材料

的抗蛹变性能等。图示为热处理加热炉工件

输送带材料为Cr25Ni20Si2铸件。使用温度850℃，炉内介质气氛有氮和甲醇。输送带连

续使用一年左右发生断裂。腐蚀:腐蚀是压力容器常见的失效形式。容器失效约有三分之一是腐蚀原因造成的。压力容器常见的腐蚀失效类型有均匀腐蚀、点腐蚀、晶问腐蚀、应力腐蚀开裂、氢腐蚀和腐蚀疲劳等，而其中最常见又最危险的是应力腐蚀开裂。均匀腐蚀：又称称全面腐蚀，指在器壁整个暴露表面上或者是大面积上产生程度基本相同的腐蚀。压力容器在设计时考虑足够的腐蚀裕度，则能在设计寿命内安全使用。点腐蚀：在器壁表面出现个别深坑或密集斑点的腐蚀。大多数点蚀是由于氯化物，溴化物、次氯酸盐及含氯离子的溶液腐蚀而引起的。晶间腐蚀：一般是指不锈钢在晶粒之间产生的一种沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀。晶间腐蚀降低金属晶粒之间的结合力，容易造成晶粒脱落或使材料强度明显下降。晶间腐蚀不易被发现，常常造成容器突然断裂，危害性很大。形成晶间腐蚀的原因：一般产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上，不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于10-12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，而内部的铬来不及向晶界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。f.应力腐蚀:材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象.应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。预防晶界腐蚀的措施有：合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。合理设计零件和构件，减少应力集中。改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。采用阴极保护法也可减小或停止应力腐蚀。

图示：

高温高压锅炉，其额定蒸发量为410t/h，出口蒸汽压力为9.8MPa，出口蒸汽温度540℃。锅炉采用四角喷燃器切圆燃烧方式，水冷壁采用膜式结构，其规格为D60×5mm，材质为20G。1993年12月投运，自投产至1999年4月已累计运行近40000h。1998年11月至1999年4月锅炉水冷壁管爆管达5次之多。爆口特征：爆口断面粗糙、且未减薄，无明显的胀粗，爆口有脱碳现象，内壁可见明显的腐蚀坑和腐蚀沟槽，并有微量白色的积盐。

事故分析：水冷壁管内水有硬度及氧腐蚀产物在水冷壁管表面产生水垢和附着物，碱性炉水渗入其中并在其中发生浓缩，在附着于金属表面的沉积物和腐蚀产物层中形成高浓度的碱性炉水浓缩物，并且可以达到饱和或使盐类结晶析出的浓度，从而造成碱性腐蚀。在腐蚀过程中，晶粒边界处首先受到腐蚀，而且容易沿晶粒边界发展，同时会产生氢气和甲烷，这些气体产物虽可被压缩，但因为气体体积远大于被腐蚀掉的钢铁，因而在晶界上产生巨大的应力，这种内应力足以迫使晶粒彼此分离而形成晶间裂纹，从而产生由碱性腐蚀引起的应力腐蚀破裂，造成脆性爆管。h.腐蚀疲劳:当金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，加速裂缝的形成.二.材料的基本性能1.材料的力学性能1）常温力学性能指标强度指标强度是材料抵抗变形和断裂的能力，压力容器的材料，最主要的强度指标是屈服强度σs和抗拉强度σb，屈服强度是材料抵抗塑性变形的能力，抗拉强度是材料抵抗断裂的能力。塑性指标塑性是材料断裂前发生理性变形的能力。压力容器的材料，最主要的塑性指标是伸长率δ、断面收缩率Ψ和屈强比γ。伸长率和断面收缩率以材料断裂后的伸长变形和截面积变形大小表示，数值愈大，塑性愈好。屈强比γ是屈服点与抗拉强度之比值，即γ＝σs／σb，γ值愈小表示材料塑性愈好。制造压力容器的材料，屈强比不能太高，以使容器有较大的塑性。c.韧性指标韧性是表示材料塑性变形和断裂全过程个吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。制造压力容器用材料要求常温v形缺口试样夏比冲击功值：Akv＞1.8—2.8kgf-m。硬度指标硬度是材料抵抗硬物在表面局部压入的能力，是衡量材料软硬的一个指标。硬度高的材料耐磨性能好。硬度和材料强度还有一定的关系，只要知道材料的硬度值，就能大概判断材料的强度值。工程上往往以硬度测定估算现场压力容器材料的强度，或作为压力容器材料因组织改变而导致性能变化的分析依据，如低合金钢在高温的石墨化、氢腐蚀等。常用硬度表示方法有布氏硬度HB和洛氏硬度HRC，两种硬度只是试验硬物材质与测试表示方法不同而已，较软材料用布氏硬度，较硬的材料用洛氏硬度。2.耐腐蚀性能耐腐蚀性能是材料在使用工艺条件下抵抗腐蚀性介质侵蚀的能力。材料腐蚀一般分为均匀腐蚀和非均匀腐蚀，均匀腐蚀一般以腐蚀速率来衡量金属材料的耐腐蚀性能，腐蚀速率有重量指标、深度指标和电流指标，工程设计上多用前两种指标。非均匀腐蚀分为点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀及腐蚀疲劳等，当金属材料发生非均匀腐蚀时，采用平均腐蚀来衡量材料的耐腐蚀性能是不适当的，必须从选择相应的耐腐蚀材料及防护措施着手，而绝不能从增加腐蚀裕度的方法来解决问题。3.加工工艺性能压力容器大多数是用钢板卷滚或冲压后进行焊接制成的。因此压力容器用材料必须要有良好的焊接性能和冷热加工性能，要有良好的焊接性能就要求焊缝和热影响区的性能与母材性能基本一致，要求焊缝处产生气孔、夹杂、裂纹等缺陷的倾向性低。钢材的焊接性能主要取决于它的化学组成，其中影响最大的是含碳量，含碳量增加，塑性下降，淬硬倾向增大，容易产生裂纹。而冷热加工性能，常由材料要求的力学性能塑性指标保证。压力容器材料的冷加工性能一般还用冷弯试验衡量。冷弯性能的好坏能反映材料塑性的高低。4.材料的物理性能压力容器使用在不同的场合对材料的物理性能有不同要求，如高温容器要用熔点高的材料，熔点高的材料再结晶软化温度较高。要进行换热的容器要用导热系数较高的材料，带衬里的容器要求衬里材料与基材材料的线膨胀系数比较接近，否则，有温度变化时，衬里会开裂，压力容器用材要考虑的物理性能参数通常是弹性模量E、重度γ、熔点Tm、比热c、导热系数λ、线膨胀系数a等三.压力容器常用结构材料1.钢材1）.低碳钢

碳钢是指含碳虽大于0.05%而小于2.06%的铁碳合金。压力容器常用低碳钢为结构材料，其含碳量＜0.25％。碳钢按质量要求不同可分为普通碳钢和优质碳钢。普通碳钢普通碳钢含硫、磷杂质较多，硫＜0.055％、磷＜0.045％。普通碳钢按所保证的项目不同分为三类：甲类钢（按力学性能供应的钢）、乙类钢（按化学成分供应的钢）、特类钢（按化学成分和力学性能供应的钢）。b.优质碳钢优质碳钢含硫、磷杂质较少，硫＜0.04％、磷＜0.04％2）.低合金钢低合金钢是在碳素钢的基础上，加入一种或数种合金元素(总量不超过5％)，以提高钢材的强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等性能。

低合金钢是压力容器的主要结构材料，用16MnR制造压力容器比碳钢减轻重量约20一30％，加1.2—1.6％的锰后使钢的塑性有所降低，但通过控制含碳量，仍有较好的塑性和焊接性能目前，国内外对耐腐蚀性能要求不很高的情况，都相继采用低合金钢。目前，国内外对耐腐蚀性能要求不很高的情况，都相继采用低合金钢。3）.高合金钢（含量>10%）不锈耐酸钢

不锈耐酸钢是指在大气中和酸性介质中具有不生锈和耐腐蚀性能的高合金钢。常用的不锈耐酸钢按化学成分不同可分为铬钢、铬镍钢、格镣钥钢、铬锰钢等，而其中以应用奥氏体铬镍钢和铬镍铜钢居多。不锈钢的耐蚀性随含碳量的增加而降低，因此，大多数不锈钢的含碳量均较低，最大不超过1.2%，按不锈耐酸钢含碳量的不同而分为几个等级含碳量大于0.08％为高碳级不锈钢，如1crl8Ni9Ti；含碳量小于或等于0.08％为低破级不锈钢，钢号前以“0”表示，如0Crl8Ni9；含碳量小于或等于0.03％为超低碳级不锈钢，钢号前以“00”表示，如00Crl9Nil0。不锈钢常按组织状态分为：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体-铁素体（双相）不锈钢及沉淀硬化不锈钢等。按成份分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。铁素体不锈钢：含铬12%～30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。常用的有00Cr3000Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、Mo2等b)奥氏体不锈钢：含铬大于18%，还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素,其中以18-8型不锈钢最有代表性。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，常用的有

1Cr18Ni9（304）0Cr17Ni12Mo2(316),00Gr19Mi10(304L),022Gr17Ni12Mo2(316L)，奥氏体不锈钢按碳含量的不同又分为三个等级：一般含碳量（≤0.15%），低碳级（≤0.08%）和超低碳级（≤0.03%）c)奥氏体-铁素体双相不锈钢：兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%~28%，Ni含量在3%~10%。奥氏体-铁素体双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。如0Cr26Ni5Mo2，00Cr18Ni5MoSi2等d)马氏体不锈钢（含铬量13%～18%）

：强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13、3Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。e)沉淀硬化不锈钢（含铬量14%～18%）

：基体为奥氏体或马氏体组织，沉淀硬化不锈钢的常用牌号有04Cr13Ni8Mo2Al等。其能通过沉淀硬化（又称时效硬化）处理使其硬（强）化的不锈钢。铁素体低温钢铁素体低温钢按成分分为三类①低碳锰钢低碳锰钢(C0.05～0.28％,Mn0.6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。②低合金钢低合金钢。主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢(Mn0.6～1.5％,Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、镍铬钼钢(Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110℃左右。如09Mn2V等。③中（高）合金钢主要有6％Ni钢