个人收集整理 勿做商业用途第三章 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 Environment and 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 carbon 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,O9MnNDR40，-40,7015CrMoR中温抗氢钢板，壁温56020MnMo锻件 -40470重要大中型锻件15CrlMoV锻件，高温高压（25Mpa，350480)09MnNiD锻件,6045低温容器.18MnMoNbR强度高,中温和抗氢容器用钢，30万吨合成氨的合成塔.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 5Mo3S2，耐应力腐蚀小孔腐蚀，适用介质中含氯离子。（3）供货状态 supplying 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，15MnVR钢板在25以下,可在热能状态下使用在25以上,为改善综合力学性能，进行900920正火处理，这样细化晶粒，提高塑性,韧性和低温冲击性能。18MnMoNbR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。3。1。2有色金属和非金属 Nonferrous Metal and Nonmetal（1）有色金属 Nonferrous 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。钛及钛合金 Titanium 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(2）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 coating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如：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S量高的瓷釉通过900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 Properties Effected by Fabrication 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.3.2。1塑性变形 Plastic Deformation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 Strain 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或加工硬化（Work hardening)（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8001200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1200，即使在1000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,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 anisotropy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 ageing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，塑性和韧性降低的现象-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，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100200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,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100200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: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