压力容器材料

浙江大学承压设备研究室,*,过程设备设计,浙江大学承压设备研究室,*,过程设备设计,MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS,AND INFLUENCES OF,ENVIRORMENT AND TIME,ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS,3.,压力容器用材以及环境和时间对其材料性能的影响,1,压力容器设计,结构设计,合理选材,时间、环境的劣化作用,（,充分考虑）,应力分析,max,s,p,max,p,2,3.1,压力容器材料,3.1.1,压力容器常用钢材,3.1.2,有色金属和非金属,3.2,压力容器制造工艺对钢材性能的影响,3.2.1,塑性变形,3.2.2,焊接,本章主要内容,3.2.3,热处理,3,3.4,压力容器材料选择,3.4.1,压力容器用钢的基本要求,3.4.2,压力容器钢材的选择,3.3,环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1,温度,3.3.2,介质,3.3.3,加载速率,4,3.1,压力容器材料,3.1.1,压力容器常用钢材,3.1.2,有色金属和非金属,5,钢材,a.,按化学成分分,碳素钢,合金钢,工业纯铁,C%0.04%,低碳钢,C%0.25%,（建筑和结构构件用）,中碳钢,C%=0.25%0.6%,容器用锻件和螺栓,高碳钢,C%,0.6%,低合金钢：合金元素总含量,5%,中合金钢：,5%10%,高合金钢：,10%,也可按合金元素种类及组合分为：锰钢、铬钢、铬镍钢、铬钼钢,6,b.,按品质分,普通钢,P 0.045%,S 0.055%,或,P.S 0.05%,优质钢,P.S 0.04%,，,Cu 0.030%,高级优质钢,P 0.035%,S 0.03%,Cu 0.025%,c.,按冶金方式分,按炉别分：平炉钢、转炉钢、电炉钢,按脱氧程度和浇注制度分,沸腾钢,:,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,半镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间,Si 0.17%,7,d.,按金相组织分,退火状态,正火状态,无相变或部分相变,亚共析钢：铁,+,珠,共析钢：珠,过共析钢：渗碳体,+,珠,珠、贝、马、奥,铁、奥、复相钢,e.,按用途分,结构钢：,建筑及工程用钢、机械制造用钢、弹簧钢、轴承钢、超高强度钢,工具钢：,碳素钢、高速工具钢、合金工具钢（刃具、量具、模具）,特殊性能钢：,不锈耐热钢、耐热钢、电热合金、耐磨钢、低温用钢、,电工用钢,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,8,铁碳合金图,温度,含碳量,723,1534,900,1147,0.8,2.06,4.3,6.67,奥氏体,铁,+,珠,珠,+,渗,奥,+,渗,铁,+,奥,液体,液,+,奥,液,+,渗,渗,+,莱,奥,+,渗,+,莱,珠,+,渗,+,莱,渗,+,莱,铁,珠光体,莱氏体,9,3.1.1,压力容器常用钢材,一、钢材形状,主要是,板,、,管材,和,锻件（棒、丝、铸件）,（,1,）,钢板,壳体、封头、板状构件等,下料、卷板、冲压、焊接、热处理,较高的强度、良好的塑性、韧性、,冷弯性能和焊接性能,主要用途：,加工要求,:,性能要求：,GB3531,低温压力容器用低合金钢钢板,GB6654,压力容器用钢板,10,（,2,）,钢管,接管、换热管等,无缝钢管、直缝钢管和螺旋焊缝钢管,下料、焊接、热处理,较高的强度、良好的塑性、,韧性、焊接性能,主要用途：,主要类型：,加工要求,:,性能要求：,请比较各类钢管的优缺点,11,（,3,）,锻件,高压容器的平盖、端部法兰与长颈对焊法兰等,、,、,、,四个级别。级别越高，要求检验项目越多，越严格，价格越高。,主要用途：,分 级：,仅需硬度检测,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,12,二、钢板,13,1,、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.,钢号及标准,优质碳素,结构钢,压力容器,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：,GB912,4mm,GB3274,4mm,p,1.6MPa;t=0350,20mm(,壳体,),，高毒勿用,10,、,20,钢钢管；,20,、,35,钢锻件。,14,2,、,低合金钢板,是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超,过,3%,），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。,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，,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。,15,压力容器常用低合金钢：,16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;,07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR,16Mn、09MnD;,16Mn,、,20MnMo,、,16MnD,、,09MnNiD,、,2.25Cr-1Mo,。,（,D,表示低温用钢）,钢板,钢管,锻件,16,低合金钢板（,GB6654,）,钢号,生产情况,使用情况,备注,16MnR,=,6-120mm,多家生产,大量采用,-20475,s,=,275285MPa,13MnNiMoNbR,舞阳重点产品,理想的单层厚板用钢板,-20475,s,=,380390MPa,德国,BHV35,改进而成,07MnCrMoVR,武钢：,宽,2600mm,鞍山：宽,3400mm,球罐用钢,三峡闸门,日本,CF-62,钢改进而成，强度高，可焊性好，,s,=,490MPa,18MnMoNbR,尽量不用,15MnVR,已不普遍使用,价格、生产、性能有问题,15MnVNR,已取消不用,15MnNbR,新增钢种，相当日本,SPV355,s,350MPa,，克服了,16MnR,两大缺点：强度随板厚增大而迅速减小；用于球罐强度不够,17,3,低温用钢板,钢号,生产情况,使用情况,备注,16MnDR,重庆、武汉、舞阳、浦东四家,大量使用,-40100,s,=,255315MPa,09MnNiDR,武钢、舞阳,丙烯、,硫化氢（,L,）储罐,-70 ,07MnNiCrMoVDR,已有多家生产,乙烯低温球罐,-40 ,490MPa,15MnNiDR,尽量少用,09Mn2VDR,已取消作为低温容器用钢,18,4,中温抗氢钢板,钢号,生产情况,使用情况,备注,15CrMoR,武汉、舞阳、重庆,已得到较广泛使用,GB150-98,GB6624-1996,550,14Cr1MoR,已有,10,年历史,GB150-98 A2.3,12Cr2Mo1R,已有,10,年历史,GB150-98,附录,H,19,应用介绍,1、16MnR,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,20,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,-40,的钢种,液氨储罐等设备,（,降低碳含量，并加镍和微量钒）,15MnNiDR,提高了低温韧性,-40,级低温球形容器,09MnNiDR,-70,级低温压力容器用钢,用于制造液丙烯（,-47.7,）、液硫化氢（,-61,）等设备,21,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,22,应用介绍,4,、,20MnMo,、,09MnNiD,、,2.25Cr-1Mo,锻件,20MnMo,常制造使用温度为,-40,470,的重要大中型锻件,良好的热加工和焊接工艺性能,09MnNiD,良好的低温韧性,常制造使用温度为,-40,45,的低温容器,较高的热强性、抗氧化性和良好的焊接性能,常制造高温（,350,480,）、高压（,25,MPa,）、,临氢压力容器,2.25Cr-1Mo,23,5,不锈钢板,-,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,耐腐蚀,、,耐高温钢,铬钢,铬镍钢,铬镍钼钢,生产单位：太原、浦东,24,（,1,）铬钢,但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀,0Cr13,是常用的铁,素体不锈钢,有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能,在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性,25,（,2,）,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，,0Cr18Ni9,有,晶间腐蚀,倾向，并且在氯化物溶液中易发生,应力腐蚀,开裂。,0Cr18Ni9,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、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳,具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在,-196,600,温度范围内长期使用。,(321),0Cr18Ni10Ti,为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。,(304L),00Cr19Ni10,（相当于,SUS304,）,（相当于,SUS304L,，但比,304L,更好：加,Ti,提高了抗蚀性能，节约,Ni,）,26,（,3,）,铬镍钼钢：,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。,00Cr18Ni5Mo3Si2,是奥氏体,-,铁素体双相不锈钢,27,不锈钢复合板,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。,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,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：,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,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,200MPa,的复合板。,标准：,GB8165,轧制法生产复合板；,JB4733,爆炸法生产复合板,生产单位：四川宜宾,6,不锈钢复合钢板,28,三、钢管,标准：,GB8163,流体管,GB8162,结构管,GB150-98,钢号：,10,、,20G,、,16Mn,、,09MnD,（江阴兴澄）,四、锻件,标准：,JB4726JB4728-2000,（为,GB150-98,采用）。,使用：低温、高温、高压场合,优点：热加工性能和焊接性能良好。,29,压力容器零部件间焊接还需要,焊条,、,焊丝,、,焊剂,、,电极,和,衬垫,等焊接材料。,一般应根据待连接件的,化学成分,、,力学性能,、,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，必要时还应通过,试验,确定。,压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。,五、焊接材料,30,3.1.2,有色金属和非金属,一、有色金属,使用状态：,在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用,选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号,压力容器常用有色金属：,铜及其合金,铝及其合金,镍及镍合金,钛及钛合金,31,在没有氧存在的情况下，铜在许多,非氧化性酸,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,深冷设备,的良好材料。,退火状态下使用,1,、,铜及其合金,特性,：,尚无专门标准,容规,第,17,、,18,条，,GB151-1999,有相关内容,32,2,、,铝及其合金,特性,：,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；,在低温下具有良好的塑性和韧性；,使用温度范围为,-269200,；压力范围为,p8MPa,有良好的成型和焊接