压力容器设计-材料

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第3章,压力容器材料及环境 和时间对其性能的影响,1、材料是制造压力容器的基础，正确选用压力容器材料 是保证压力容器长期安全运行的基本条件。,2、压力容器的应力分析可以为选材提供最基本的依据和要求，同时，选择材料时还应考虑容器工作时的环境、介质及其它具体条件的要求。,3、不同的材料具有不同的化学成分、力学性能和使用条件，选择材料最基本的要求是能够保证压力容器安全工作，同时做到经济、适用。,本章主要内容,压力容器常用材料,加工工艺和环境对材料性能的影响,压力容器选材的基本原则,按钢材形状,1、,钢板,压力容器用钢板的要求,钢材类型,压力容器常用钢材,有色金属和非金属,（1）钢板应具有良好的强度、塑性、韧性、焊接、热处理性能等，以满足切削、弯卷、焊接、热处理等过程的要求。,3-1,压力容器材料,（3）钢板必须按规定的限制条件使用，如设计压力、设计温度、厚度、介质限制、冶炼方法等。,（4）制造压力容器的钢板必须有符合相应国家标准或行业标准规定的、内容齐全的质量证明书。,（2）必须用规定的钢板制造压力容器,规定允许用于制造压力容器的钢板有两类：,压力容器专用钢板，如16,MnR,、20R,等,可用于制造压力容器的非容器专用钢板，如普通碳素钢中的,Q235-A、Q235-B，,优质碳素钢中的10、15、20、35、45、20,g,等。,压力容器用钢板,低温压力容器用低合金钢钢板,2、,钢管,用于过程设备较高压力的流体输送，材料通常为10、20号钢。,l,根据用途和材质，有多个无缝钢管标准，对所使用的无缝钢管，应 注明属于哪个标准。过程设备常用无缝钢管标准：,GB8163-87,输送流体用无缝钢管,GB9948-88,石油裂化用无缝钢管,GB6479-86,化肥设备用高压无缝钢管,l,钢管使用时要用法兰、管件、阀门等连接，相连接的两个构件必须具有相同的公称直径（,DN）。,eg,：DN200,的钢管和法兰连接，钢管外径,219，,法兰内直径,220。,（2）焊接钢管,输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力的流体（,p0.6Mpa）,材料可用,Q235,制造。,3、 锻件,（1）根据锻件检验项目和数量的不同，锻件分为、四个级别。,（2）需焊接的碳钢锻件，材料用20号钢，不需焊接的碳钢锻件，材料用35或45号钢。,（3）压力容器上使用的锻件不得低于级，若锻件截面尺寸大于300,mm，,或容器盛装高度或极度危害介质，且锻件截面尺寸达50,mm,时，级别不得低于级。,4、 圆钢、型钢,用于制作支承件、加强圈等，圆钢还可用于制作小尺寸,的紧固件。,圆钢材料为,Q235-A、20、35,号钢等，型钢材料多为,Q235-A。,钢材类型,按化学成分，压力容器用钢分为三类：,1、碳素钢（,C%2.06%）, 普通碳素钢的,Q235,系列钢板和优质碳素钢均可用于制作压力容器,2、低合金钢,在优质碳素钢的基础上，加入一种或多种合金元素（合金元素总含量在3%以下），以提高钢的强度和改善综合性能。,低合金钢是目前制造压力容器的主要钢材，其强度、韧性、耐腐蚀性等均优于相同含碳量的碳素钢，能够减轻装备的重量，可节省钢材1/32/3。,GB1501998,钢制压力容器推荐适用的低合金钢板有：16,MnR,、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR。,其中16,MnR,是,s340Mpa,级的普通低合金高强度钢，具有优良的力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，是中国压力容器专用钢板中用量最大的钢种。,3、高合金钢（合金元素总含量大于10%）,主要有铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等，如,0,Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti,等，主要用于耐腐蚀和耐高温等特殊场合，如不锈钢、耐热钢等。,*不锈钢中的主要元素是,Cr、Ni、Mo、Ti,，,其中,Cr、Ni,含量较高。,*不锈钢的耐蚀性主要来源于,Cr,，,实验证明，只有当,Cr,的含量大于12%时钢的耐蚀性才会大幅度地提高，所以不锈钢中,Cr,的含量均不低于12%。,Ni,可以扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高抗碱腐蚀的能力。,Mo,能提高不锈钢抗氯离子腐蚀的能力，并提高钢的耐热强度。,Ti,是为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加入的元素。,复合钢板及其应用,复合钢板,基层碳素钢或低合金钢,复层不锈钢或有色金属等,铜及铜合金的特点,铝及铝合金的特点,镍及镍合金的特点,钛及钛合金的特点,i,有色金属和非金属,非金属材料的优点：资源丰富、耐蚀性好、品种多、价格便宜。,缺点：机械强度较低，耐热性不好，对温度波动比较敏感。,非金属材料通常用于承压不高的结构材料、金属保护村里或涂层、密封材料、保温材料、耐火材料等。,3-2,制造工艺对钢材性能的影响,一、,塑性变形,1、冷、热加工,2、应变硬化（加工硬化）,3、各向异性,4、应变时效,二、焊接对钢材性能的影响,焊缝区,熔合区,过热区,正火区,部分正火区,热影响区,杂质偏析在焊缝区形成焊接热裂纹,2、焊接应力与变形,3、减小焊接应力与变形的措施, 合理的焊接接头设计,焊接接头形式、焊接坡口设计、焊缝的间距和位置布置等, 焊接方法和焊接工艺, 焊前预热和焊后热处理,5、焊接接头检验,破坏性检验,非破坏性检验,整体试验,试板,外观检查,密封检查,无损检验,射线、超声波、,磁粉、渗透、涡流等,三、热处理对钢材性能的影响,1、消除残余应力,2、改善组织结构和力学性能,工程材料,3-3,环境对压力容器用钢性能的影响,温度,材料的低温脆化,一、温度,高温下钢的特点,蠕变温度,碳素钢：420,C,低合金钢：400500,C,蠕变结果,蠕变脆化、应力松弛,蠕变变形、蠕变断裂,蠕变,高温下材料性能的劣化,珠光体球化,石墨化,氢腐蚀和氢脆,回火脆化,2、材料的耐腐蚀能力,工程上常按腐蚀深度三级标准来评定金属耐均匀腐蚀的能力,* 不能采用平均腐蚀速率来评价材料耐局部腐蚀的能力，应采用防腐材料及相应的防护措施。,1,、腐蚀的类型（按腐蚀机理）, 全面腐蚀, 局部腐蚀, 晶间腐蚀, 小孔腐蚀, 缝隙腐蚀, 应力腐蚀,二、介质,3-4,压力容器材料选择,一、压力容器用钢的基本要求,1、化学成分（,C、P、S,等）,2、力学性能（强度、刚度、塑性、韧性等）,3、制造工艺性能（机加工性能、压力加工性能、焊接性能、铸造性能、 热处理性能等）,二、压力容器钢材的选择原则,1、材料的使用性能,分析构件的工作条件（,P、t、,介质等），确定构件应具有的使用性能（强度、刚度、塑性、韧性等） 。,通过失效分析，确定构件的主要使用性能。,从构件主要使用性能要求出发，提出对材料使用性能的要求。,2、材料的加工工艺性能,3、材料的经济性,4、材料的选择应符合规范标准的要求,又称紫铜，具有较高的导电性、导热性和良好的塑性。,纯铜,特点,低温下能保持较高的塑性和冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料。,耐蚀性, 在没有氧存在的情况下，在许多非氧化性酸中比较耐腐蚀。, 在氨和铵盐溶液中，当有氧存在时，由于生成可溶性的络离子，故不耐蚀。所以在氨生产中使用的仪表、泵、阀门等均不能用铜制造。, 铜在大气、水、中性盐及苛性碱中均相当稳定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化氢等气体及潮湿大气中将会受到腐蚀。,具有较高的机械性能，价格较便宜，可用于制作深冷设备筒体、管板、法,兰及螺母等。,黄铜,（铜-锌合金）,青铜,1、锡青铜（铜-锡合金）,具有很高的耐蚀性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件（如轴瓦、轴套、蜗轮等）和与酸、碱等腐蚀性介质接触的零件。古代的青铜器即是用锡青铜制造。,2、无锡青铜（铜中加入铅、铝等其它元素）,强度好、耐蚀性好，价格低廉，常用于制造在蒸气和海水工作条件下的零件及受摩擦耐腐蚀零件。,特点,特点,密度小、重量轻（,约为钢的1/3），导电、导热性能好，强度较差，塑性好，有极好的耐蚀性（但不耐碱及盐水），可用于制作储罐、塔、热交换器等设备，也可用于制作防止污染的设备和深冷设备。,纯铝,特点,具有适中的强度、优良的塑性和耐蚀性，多用于制作深冷设备入液空吸附过滤器、分馏塔等。,铝合金,1、防锈铝（,LF）：Al-,Mn,、Al-Mg,合金,强度较高，可用于制作深冷设备中的螺栓及其它受力构件。,2、硬铝（,LY）： Al-Cu-Mg,合金,特点,特点,耐蚀性、耐磨性和硬度都很高，但价格很贵，很少用于制作压力容器。,纯镍,特点,具有很好的耐腐蚀性能和抗高温性能，但价格较高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。,镍合金,（Ni-,Mn,、Ni-Cu,合金）,特点, 密度小、强度高。, 工作温度范围宽，可在-196-350范围内使用。, 钛是具有强烈钝化倾向的金属，在氧化性和中性介质中具有优良的耐蚀性，特别是钛不发生晶间腐蚀的特点。,纯钛,特点,（1）钛合金可以承受锻造、冲压等压力加工。,（2）钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行，以防止氢、 氮、氧等进入焊缝，保护焊缝的塑性。,钛合金,（Ti-0.2Pd、Ti-0.3Mo-0.8Ni,合金）,特点,