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压力容器材料选择


第二篇 压力容器
第八章 化工设备材料
?了解材料各项性能的意义、碳钢与铸铁、常用有色金 属和非金属材料的分类。

?熟悉化工设备中常用金属材料的机械性能指标和主要
化学成分含量。 ?掌握化工设备材料选用的原则,掌握几种常用化工设 备材料(普低钢和低合金钢)的牌号、性能、用途; ?掌握常用金属材料热处理的方法和作用。
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br /> ? 化学工业是国民经济的基础产业,各种化学生产工艺的要求 各不尽相同,如:压力从真空到高压甚至超高压、温度从低 温到高温 以及腐蚀性、易燃、易爆物料等,使得设备处在极 其复杂的操作条件下运行。由于不同的生产条件对设备材料 有不同的要求,因此,合理的选用材料是设计化工设备的主 要环节。 ? 例如:对于高温容器,由于钢材在高温的长期作用下,材料 的力学性能和金属组织都会发生明显的变化,加之承受一定 的工作压力 ,因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条 件下组织的稳定性。容器内部盛装的介质大多具有一定的腐 蚀性,因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。对于频繁开、停车 的设备或可能受到冲击载荷作用的设备,还要考虑材料的疲 劳等;而低温条件下操作的设备,则需要考虑材料低温下的 脆性断裂问题。

? 材料的性能:力学性能、物理性能、化学性能和加工 性能。 ? 力学性能:决定许用应力--强度、硬度、弹性、塑性、 韧性等。 ? 物理性能:密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀 系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。 ? 化学性能:耐腐蚀性--金属和合金对周围介质侵蚀的 抵抗能力;抗氧化性--高温氧化,降低表面硬度和抗 疲劳强度,选耐热材料。 ? 加工工艺性能:可铸性-收缩与偏析;可锻性;焊 接性;可切削加工性。

第一节 金属的晶体结构
一、金属原子结构特点与金属键

? 金属原子结构特点:最外层的电子数很少,一般只 有一二个;而且这些最外层电子与原子核的结合力 较弱,因此很容易脱离原子核的束缚而变成自由电 子。 ? 金属键:在金属中,暂时摆脱原子核束缚的电子成 为共有的自由电子,在所有的金属正离子之间穿梭 运动,好像带负电的气体充满其间,把带正电的金 属离子牢固地束缚在一起。这种金属原子之间的结 合方式称为金属键。

? 二、金属的晶体结构

? 金属的结晶过程

? 金属的结晶过程

第二节 铁碳合金
“铁碳合金”由95%以上铁和0.05%~4% 碳及1%左右杂质元素所组成合金。 ? 含碳量0.02%~2%称为钢; ? 含碳量大于2%称为铸铁; ? 含碳量小于0.02%时称纯铁(工业纯铁); ? 含碳量大于4.3%的铸铁极脆

(一)铁 铁在910oc以上是具有面心立方结构的γ-Fe(图 a); 铁在910oc以下是具有体心立方结构的α-Fe(图b)。

a-Fe加热可变为g-Fe,反之高温下的g-Fe冷却可变为a-Fe。 在固态下晶体构造随温度发生变化的现象,称“同素异 构转变”。 铁的同属异构转变是构成铁碳合金一系列性能的依据。

? g-Fe变 成a-Fe

铁的同素异构转变

(二)碳 碳在铁碳合金中的存在形式有三种: ? 碳溶解到铁的晶格中形成固溶体

? 碳与铁形成化合物 ? 混合物:碳以石墨状态单独存在。 1、固溶体:两种或两种以上 的元素在固态下互相溶解,而 仍然保持溶剂晶格原来形式的 物体。如碳原子挤到铁的晶格 中间去又不破坏铁所具有的晶 格结构。

(1)铁素体
碳溶解在a-Fe中形成固溶体称铁素体。 a-Fe原子间隙小,溶碳能力低(最大溶解 度不超过0.02%),强度和硬度低,但 塑性和韧性很好。 低碳钢是含铁素体的钢,具有软而韧的性 能。 室温时,钢的组织中只有铁素体,没有奥 氏体。

(2)奥氏体
碳溶解在g-Fe铁中形成固溶体称奥氏体。 g-Fe原子间隙较大,碳的溶解度比a-Fe 中大得多,如在723℃时可溶解0.8%, 在1147℃时可达最大值2.06%。 奥氏体组织是在a-Fe发生同素异构转变 时产生的。由于奥氏体有较大的溶解 度,故塑性、韧性较好,且无磁性。

2、化合物-渗碳体
? 当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中 时,剩余的碳将与铁形成化合物 -碳化铁(Fe3C), 这种化合物称为渗碳体。 ? 渗碳体的熔点约1600℃,硬度高,塑性几乎等于零。 ? 铁碳合金含碳量小于2%时,其组织是在铁素体中散 布着渗碳体,是碳素钢。 ? 含碳量大于2%时,部分碳以石墨形式存在,称铸铁。 抗拉强度和塑性都比碳钢低。但铸铁具有一定消震 能力。

3、混合物-碳以石墨状态单独存在 当铁碳合金中的碳含量较高,合金从液态以 缓慢的速度冷却下来时,合金中没有溶入固溶 体的碳将由极大部份以石墨状态存在。

(4)珠光体
铁素体与渗碳体的机械混合物。 力学性能介于铁素体和渗碳体之间,即 其强度、硬度比铁素体显著提高;塑 性、韧性比铁素体差,但比渗碳体要 好得多。

(5)莱氏体
珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。 具有较高的硬度,是一种较粗而硬的金 相组织,存在于白口铸铁、高碳钢中。

(6)马氏体
钢和铁从高温急冷下来的组织,是碳原 子在a-Fe中过饱和的固溶体。 具有很高的硬度,但很脆,延伸性低, 几乎不能承受冲击载荷。

二、 铁 碳 合 金 状 态 图

? 铁碳合金状态图中主要点、线含义: ? 图中AC、CD两曲线称为“液相线”,合金在这两曲线以 上均为液态,从这两曲线以下开始结晶。 ? AE、CF线称为“固相线”,合金在该线以下全部结晶为 固态。 ? ECF水平线段,温度为1147℃,在这个温度时剩余液态 合金将同时析出奥氏体和渗碳体的机械混合物-莱氏体 。 ECF线又称“共晶线”,其中C点称为“共晶点”。 ? ES(Acm)与GS(A3)分别为奥氏体的溶解度曲线,在 ES线以下奥氏体开始析出二次渗碳体,在GS线以下析出 铁素体。 ? PSK(A1)线为“共析线”,在723℃的恒温下,奥氏体 将全部转变为铁素体和渗碳体的共析组织-珠光体。

钢在加热时形成单一的奥氏体组织。

所有生铁组织中都有莱氏体,多数碳以石墨 状存在,用作铸件的生铁称为铸铁。

三、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却 方式,改变金相组织以满足所要求的 物理、化学与力学性能,称为热处理。

1、退火和正火
? 退火:把钢(工件)放在炉中缓慢加热到临界点以上 的某一温度,保温一段时间,随炉缓慢冷却下来的一 种热处理工艺。 目的:消除组织缺陷、降低硬度、提高塑性、便于冷 加工、消除内应力、防止工件变形。

? 正火是把钢(工件)放在炉中缓慢加热到临界点以上 的某一温度,保温一段时间,置于空气中冷却。目的: 细化晶粒,提高韧性,有比退火为高的强度与硬度。 ? 正火与退火不同之处,在于正火是将加热后的工件从 炉中取出置于空气中冷却。铸、锻件切削加工前一般 进行退火或正火。

2、淬火和回火
淬火是把钢(工件)放在炉中缓慢加热至淬火温度 (临界点以上30℃~50℃),并保温一段时间,后 投入淬火剂中冷却。 淬火后得到的组织是马氏体。增加硬度、强度和耐 磨性。 淬火剂有空气、油、水、盐水,冷却能力递增。

碳钢在水和盐水中淬火,合金钢在油中淬火。

回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理 工艺。 回火可以降低或消除零件淬火后的内应力,提高韧性。 ? 在150℃~250℃范围内的回火称“低温回火”。目的 不降低硬度消除内应力。刃具、量具,要进行低温回 火处理。 ? 中温回火温度是300℃~450℃。目的消除内应力降低 硬度提高弹性。弹簧、刀杆、轴套等进行中温回火。 ? 高温回火温度为500℃~680℃。 ? 调质处理:淬火后的高温回火。目的获得较高的综合 机械性能。用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺 栓等。

时效热处理:材料经固溶处理或冷塑 变形后,在室温或高于室温条件下, 其组织和性能随时间而变化的过程。 时效可进一步消除内应力,稳定零 件尺寸,它与回火作用相类似。

3、表面淬火
使零件表面层比心部具有更高的强度、 硬度、耐磨性和疲劳强度,而心部 则具有一定的韧性。

4、化学热处理
有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗 铝、氰化(碳与氮共渗)等。 渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性; 渗铝可提高耐热、抗氧化性; 氮化与渗铬的零件,表面比较硬,可显 著提高耐磨和耐腐蚀性; 渗硅可提高耐酸性等。

四、碳钢
1、碳钢中的元素除铁外还含有碳、锰、硅、硫、 磷、氧、氮、氢等,碳的含量与存在形式对 碳钢的性能具有重要影响,其他杂质元素对 钢材性能也有重要影响。 (1)硫 有害元素。FeS和 Fe形成低熔点(985℃)化合 物。钢材热加工1150~1200℃,过早熔化而 导致工件开裂,称“热脆”。 高级优质钢:S<0.02%~0.03%; 优质钢:S<0.03%~0.045%; 普通钢:S<0.055%~0.7%以下。

(2)磷
有害元素。虽能使强度、硬度增高, 但塑性、冲击韧性显著降低。 特别是在低温时,使钢材显著变脆, 称“冷脆”。 使冷加工及焊接性变 坏, 高级优质钢: P<0.025%; 优质钢: P<0.04%; 普通钢: P<0.085%。

(3)锰
脱氧剂。有益元素。 MnS(1600℃) ,部分消除硫的有害作用。 锰具有很好的脱氧能力,与FeO成为MnO 进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降 低脆性,提高强度和硬度。 在0.5%~0.8%以下时,看成是常存杂质。 优质碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%~ 0.8%;高锰结构钢可达0.7%~1.2%。

(4)硅
脱氧剂。有益的元素。 硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除 去。 硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加,塑 性、韧性降低。 镇静钢中的含硅量常在0.1%~0.37%,沸腾钢 中只含有0.03%~0.07%。 由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影 响不大。

(5)氧
有害元素。在炼钢末期要加入锰、硅、 铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。 FeO、MnO、SiO2、Al2O3,使强度、塑 性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧 性等有严重影响。

(6)氮
长时间放置或在200~300℃加热氮以 氮化物形式的析出,硬度、强度提 高,塑性下降,发生时效。 钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理, 使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消 除时效倾向。

(7)氢
氢脆、白点等缺陷。 变脆:氢化物变形小 白点:组织缺陷处扩散氢,时间长

2、分类与编号
按用途:建筑及工程用钢、结构钢、弹 簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢 (不锈钢、耐热钢) 按含碳量:低碳钢、中碳钢和高碳钢 按脱氧方式:镇静钢和沸腾钢 按品质:普通钢、优质钢和高级优质钢

(1)普通碳素钢
Q235-A,屈服强度数值(MPa) 质量等级A,B,C,D。 脱氧方法为F,b,Z,TZ。 化工压力容器用钢一般选用镇静钢。 普通碳素钢有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255及 Q275五个钢种。

(2)优质碳素钢
S<0.03%~0.045% ;P<0.04% 08、10、15、20、25、30、35、40、 45、50、…80等。平均含碳量的万 分之几。45号钢中含碳量平均为 0.45%(0.42%~0.50%)。 45Mn,锰含量较高的优质非合金钢。

优质低碳钢(含C<0.25%),如08、 10、 15、20、25;塑性好,焊接性 能好,壳体、接管。 优质中碳钢(含C量0.3%~0.60%),如 30、35、40、45、50与55; 45号钢 搅拌轴 优质高碳钢(含C>0.6%),如60、65、 70、80。60、65钢主要用来制造弹簧, 70、80钢用来制造钢丝绳等。

(3)高级优质钢
S<0.02%~0.03%; P<0.025%,
均<0.03%。 它的表示方法是在优质钢号后面加一个 A字,如20A。

3、碳钢的品种及规格

品种:钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢 (1)钢板(压力容器用热扎厚钢板) 4mm~6mm厚度间隔为0.5mm 6mm~30mm厚度间隔为 lmm 30mm~60mm厚度间隔为2mm 一般碳素钢板材有 Q235-A、 Q235-A· F、 08、10、15、20等。

(2)钢管
无缝钢管和有缝钢管。 无缝钢管有冷轧和热轧。 普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。 专门用途的无缝钢管,如热交换器用钢管、 石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。有 缝管如水煤气管,分镀锌(白铁管)和不镀 锌(黑铁管)两种。

(3)型钢
有圆钢、方钢、扁钢、角钢(等边与不 等边)、工字钢和槽钢。 圆钢与方钢主要用来制造各类轴件; 扁钢常用作各种桨叶; 角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支 架、塔盘支承及各种加强结构。

(4)铸钢和锻钢
铸钢用 ZG表示, ZG25、 ZG35等,用 于制造各种承受重载荷的复杂零件, 如泵壳、阀门、泵叶轮等。 锻钢有08、10、15、…、50等牌号。石 油化工容器用20、25等制作管板、法 兰、顶盖等。

五、铸铁
含碳量2%以上,含有 S、 P、 Si、 Mn等 杂质。 脆性材料,抗拉强度较低,但有良好铸造 性、耐磨性、减振性及切削加工性。 在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机 溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。 铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、 蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。

1、灰铸铁
2.7%~4.0%,片状石墨形式,断面暗灰 色。 有优良的铸造性、减振性能,支架、阀体、 泵体(机座、管路附件等)。 在化工生产中可做烧碱生产中的熬碱锅、 联碱生产中的碳化塔及淡盐水泵等。 HT和抗拉强度sb值表示,如 HT100,其 中100表示sb=100MPa。 常用灰铸铁牌号有HT100、 HT150、 HT200、 HT250、 HT300、 HT350。

2、球墨铸铁
简称球铁。 在强度、塑性和韧性方面大大超过灰 铸铁,甚至接近钢材。 用QT、抗拉强度值、延伸率表示,如 QT400-18,其中400表示sb= 400MPa,18表示d=18%。

3、高硅铸铁
有高的耐蚀性能,含硅量增加耐蚀性增加。 强度低、脆性大及内应力大,易于脆裂 热导率小,线膨胀系数大,不适于制造温差 较大的设备,否则容易产生裂纹。 常用于各种耐酸泵、冷却排管和热交换器 牌号有:STSi11Cu2CrR、STSi15R、 STSi15Mo3R等。

合金钢
在碳钢中添加适量的一种或多种合金元 素,得到或改善某些性能。 一、分类与编号 按合金元素总含量分: 合金含量<5%,低合金钢 合金含量5%-10%,中合金钢 合金含量>10%,高合金钢

按用途分: 合金结构钢 调质结构钢、表面硬化钢 低碳马氏体钢、非调质结构钢 合金工具钢 特殊性能钢 不锈钢和耐热钢等

合金钢的钢号表示方法: 一种是汉字牌号,如35铬钼; 另一种是用国际化学符号,如35CrMo。 表示含碳量平均为万分之三十五(或 0.35%),含 Cr、Mo在1%左右。 当平均质量分数≥1.5%、≥2.5%,≥3.5% 时,在元素符号后面应标明含量,可相 应表示为2、3、4。如36Mn2Si。

二、合金元素对钢的影响
目前常用的合金元素有:铬(Cr),锰 (Mn),镍(Ni),硅(Si),硼(B),钨(W), 钼(Mo),钒(V),钛(Ti)和稀土元素(Re) 等。

1、铬
提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。 含量达到13%时,能使钢的耐腐蚀能 力显著提高,并增加钢的热强性。 提高钢的淬透性,显著提高钢的强度、 硬度和耐磨性,但使塑性和韧性降低。

2、锰
提高强度和提高低温冲击韧性。

3、镍
提高淬透性,有很高的强度,而又保持 良好的塑性和韧性。 提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。 镍基合金具有更高的热强性能。 镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。

4、硅
提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐 H2S等介质的腐蚀性。 硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。

5、铝
强脱氧剂,显著细化晶粒,提高冲击韧性, 降低冷脆性。 提高抗氧化性和耐热性,对抵抗H2S介质 腐蚀有良好作用。 价格便宜,在耐热钢中常以它来代替铬。

6、钼
提高高温强度、硬度、细化晶粒、防止 回火脆性。钼能抗氢腐蚀。

7、钒
于固溶体中提高高温强度,细化晶粒, 提高淬透性。 铬钢中加少量钒,在保持钢的强度情况 下,能改善钢的塑性。

8、钛
强脱氧剂,可提高强度、细化晶粒,提 高韧性,减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等 倾向。 在不锈钢中稳定碳,防止晶间腐蚀 提高耐热性。

9、稀土元素
提高强度,改善塑性、低温脆性、耐腐 蚀性及焊接性能。

三、专业用钢
锅炉用钢,压力容器用钢、焊接气瓶用 钢等。 在钢号后面分别加注 g、 R或HP等,如 20g、16MnR和15MnVHP等。 质地均匀、杂质含量低,能满足某些力 学性能的特殊检验项目要求。

四、特殊性能钢
不锈钢、耐热钢和高温合金及低温用钢 1、不锈钢 不锈钢和耐酸钢的统称,也称不锈耐酸钢。 一般称耐空气、蒸汽和水等弱腐蚀介质 的钢为不锈钢。 称耐酸、碱、盐等强烈腐蚀性介质的钢 为耐酸钢。

通常按钢的金相组织分为铁素体不锈钢、 奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不 锈钢和马氏体不锈钢等

(1)铁素体不锈钢
含碳≤0.15%,铬量在12~30%。有些钢种还 含有钼、钛等元素。 不锈纲中的含碳量都较低, Cr23C6而消耗了 铬。都在13%以上。 对晶间腐蚀比较敏感;铬含量高时,脆性转 变温度高,可焊性较差。 lCr13、2Cr13、受冲击载荷较大的零件。 0Cr13、0Cr17Ti耐氧化性酸和硫化氢气体的 腐蚀,部分代替高铬镍型不锈钢

(2)奥氏体不锈钢
优异的综合性能,包括优良的力学性能, 冷、热加工和成型性,可焊性和在许 多介质中的良好耐蚀性。 含氯离子,发生晶间腐蚀的倾向。 锰和氮代替不锈钢中的镍,发展出了铬 锰镍氮系和铬锰氮系不锈钢。例如 Cr18Mn8Ni5、 Cr18Mn10Ni5Mo3N。

在400℃~800℃的温度范围内,碳从 奥氏体中以碳化铬(Cr23C6)形式 沿晶界析出,使晶界附近的合金元 素(铬与镍)含铬量降低到耐腐蚀 所需的最低含量(12%)以下,腐 蚀就在此贫铬区产生。这种沿晶界 的腐蚀称为晶间腐蚀。

防止晶间腐蚀的方法:
1)降低含碳量 <0.06%时不易产生, <0.03%时可靠地克服,超低碳不锈 钢,如00Cr19Nil0 2)稳定碳原子,加入Ti,Nb,V,Mo 稳 定 剂 , 广 泛 用 , 0Cr18Nil0Ti 、 0Cr18NillNb 3)形成双相组织,加入铁素体促成元 素Ti,Al,Si,Mo,铁素体含铬高、 补充快,5%以内,阻断腐蚀通路。

防止晶间腐蚀的方法:
4)控制热规范,快速加热和冷却,或 非常缓慢。 5)补充热处理 稳定化退火(免疫处理):850度保 温2小时,充分扩散 高温淬火水冷(固熔) :1100度左右 加热后淬火,单相奥氏体

加入Mo提高对氯离子 Cl-的耐蚀能 力,lCr18Nil2Mo3Ti。 0Cr18Nil8Mo2Cu2Ti。同时加入 Mo、 Cu,则在室温、浓度为 50%以下的硫酸中也具有较高的 耐蚀性,也可提高在低浓度盐酸 中的抗腐蚀性

2、耐热钢和高温合金
例如石油化工的乙烯裂解、氨的合成等, 温度往往达到1000℃以上。 300℃~350℃即需选用耐热钢,一般耐 热钢工作温度都在700℃以下, 700℃~1000℃用高温合金。

耐热钢
Cr、 Al、 Si铁素体形成元素,被高温 气体氧化后生成一种致密的氧化膜。 Ni、Mn奥氏体形成元素, 提高高温强 度和改善抗渗碳性。 V、Nb、Ti形成强碳化物提高高温强度。 C和N扩大和稳定奥氏体提高高温强度 B和Re均为耐热钢中添加的微量元素, 可以显著提高钢材的抗氧化性,并改 善其热塑性。

耐热钢
按特性和用途可分为抗氧化钢(又称 高温不起皮钢)和热强钢。 抗氧化钢是指高温下具有较好的抗氧 化性,并有适当强度的钢种。 热强钢高温下有较好的抗氧化性和耐 腐蚀能力,且有较高的强度。常用 来高温工作下的汽缸、螺栓及锅炉 的过热器等。

高温合金
铁基合金、镍基合金、钴基合金。 铁基耐热合金工作温度在700℃以下,含 有相当高的铬、镍成分和其他强化元素。 镍基耐热合金是目前在700℃~900℃范 围内使用得最广泛的一种高温合金。这 类合金的镍含量通常在50%以上。 钴基耐热合金的高温强度主要靠固溶强化 获得。钴价格昂贵,应用受到很大的限 制,一般在1000℃以上才用。

3、低温用钢
深冷分离、空气分离等。 (温度≤-20℃) 目前国外低温设备用的钢材主要是以高铬 镍钢为主,也有使用镍钢、铜和铝等。 我国无铬镍的低温钢材系列。 16MnDR、07MnNiCrMoVDR、 15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR

压力容器材料选择
钢——用的最多 有色金属 压力容器材料多种多样 非金属 复合材料 其他

1、 压力容器用钢的基本要求

压力容器用钢 的基本要求

较高的强度 良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性

化学成分的设计 改善钢材性能的途径 组织结构的改变 零件表面改性

一、化学成分 钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。

1、碳

碳含量

强度增加 可焊性变差
焊接时易在热影响区出现裂纹

压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%

2、钒、钛、铌等

在钢中加入钒、钛、铌等元素, 可提高钢的强度和韧性。

3、S、P是钢中最主要的有害元素 硫——能促进非金属夹杂物的形成,使塑性和韧性降低。

磷——能提高钢的强度,但会增加钢的脆性,特别是低温脆性。
将硫和磷等有害元素含 量控制在很低水平,即 大大提高钢材的纯净度 可提高钢材的韧性、抗应 变时效性能、抗回火脆化 性能、抗中子辐照脆化能 力和耐腐蚀性能。

因此,与一般结构钢相比,压力容器用钢对硫、磷、氢等有害 杂质元素含量的控制更加严格。 例如,中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和 0.030%。随着冶炼水平的提高,目前已可将硫的含量控制在 0.002%以内。

化学成分对热处理也有决定性的影响,

如果对成分控制不严,就达不到预期的
热处理效果。

过程设备设计

二、力学性能
材料的力学行为— 由于载荷(如载荷种类、作用方式等)和应力 状态的不同,以及钢材在受力状态下它所处的 工作环境的不同,钢材受力后所表现出的不同 行为,称为材料的力学行为。

钢材的力学行为,不仅与钢材的化学成分、组织结构有关,而 且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。

力学性能决定力学行为

钢材的力学性能主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的 判据,是机械设计时选材和强度计算的主要依据。
包括抗拉强度бb a、压力容器设计中,常用的强度判据

b、压力容器设计中,常用的塑性判据

屈服点бs 持久极限 s D 蠕变极限 s n 疲劳极限б-1 延伸率δ5
断面收缩率 ? 冲击吸收功Akv

c、压力容器设计中,常用的韧性判据

韧脆转变温度

断裂韧性

韧性 临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。

如果钢的韧性高,压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大,安 全性也越高。 为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展,压力容器常选用韧性好 的钢材。

Akv
夏比V型缺口冲击吸收功Akv对温度很敏感,能较好地反

映材料的韧性,与断裂韧性有较好的数值联系,世界各
国压力容器规范标准都对Akv提出了要求。

如16MnR钢板,要求在00C时的横向(指冲击试件的取样 方向)Akv不小于31J。当使用温度低于或等于-200C时, 需要考虑低温冲击韧性,并根据应力水平、设计温度和 厚度,确定夏比V型缺口冲击试验温度和Akv的指标。

三、制造工艺性能 ◇冷加工的要求 制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的 冷加工成型性能和塑性,其延伸率δ5应在15~20%以上。为检 验钢板承受弯曲变形能力,一般应根据钢板的厚度,选用合适

的弯心直径,在常温下做弯曲角度为1800的弯曲实验。试样外
表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。 ◇焊接的要求 可焊性:指在一定焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的 难易程度。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。

碳——其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低,愈不易产生裂
纹,可焊性愈好。

合金元素——影响通常是用碳当量Ceq来表示。

Mn Ni ? Cu Cr ? Mo ? V Ceq ? C ? ? ? 6 15 5
式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量

一般认为,Ceq 小于0.4%时,可焊性优良;Ceq 大 于0.6%时,可焊性差。中国目前对压力容器用钢尚未

规定碳当量要求,但上述计算碳当量的公式对分析焊
接裂缝的敏感性具有一定的参考价值。

2 、压力容器钢材的选择
压力容器的使用条件 零件的功能和制造工艺 压力容器零件材 料选择综合考虑

材料性能 材料使用经验(历史)
材料价格 规范标准

3、 压力容器常用钢材
一、钢材形状 钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件 等。压力容器用钢主要是板、管材和锻件 主要用途 壳体、封头、板状构件等

(1)钢板

加工要求
性能要求

下料、卷板、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 主要来源 (2)钢管

接管、换热管等 无缝钢管、卷制

加工要求
性能要求

下料、焊接、热处理
较高的强度、塑性和良好的 焊接性能

主要用途

高压容器的平盖、端部法兰与接

管法兰等 (3)锻件
分 级 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。级别越 高, 要求检验项目越多,越严格, 价格越高。

二、钢材类型 碳素钢 (按化学成分分类) 低合金钢 高合金钢

1、碳素钢
含碳量小于2.06%的铁碳合金。以及少量的硫、磷、硅、氧、 氮等元素。 Q235系列钢板; 碳素结构钢 10、20钢钢管; 压力容 20、35钢锻件。 器用钢 压力容器专用钢板 20R

R----压力 容器专用 钢板

20R的特点 和应用场合

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。
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2、低合金钢
特点及优点
◆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。
◆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,以16MnR代

替碳素钢制造设备可以节省钢材1/3,以15MnVR代替碳
素钢制造设备可以节省钢材45%。

压力容器常用低合金钢:

D----低温 用钢

钢板 钢管 锻件

16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;

16Mn、09MnD;
16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr1MoV。

应用介绍

1、16MnR
◆屈服点 s s 为340MPa 级的压力容器专用钢板 ◆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

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) 提高了低温韧性 15MnNiDR -40 ℃级低温球形容器 -70 ℃级低温压力容器用钢 09MnNiDR 用于制造液丙烯(-47.7 ℃)、液硫化氢(-61 ℃ )等设备

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

应用介绍 4、20MnMo、 09MnNiD 良好的热加工和焊接 工艺性能

20MnMo

常制造使用温度为-40~ 470 ℃的重要大中型锻件

良好的低温韧性

09MnNiD

常制造使用温度为-40~ 45 ℃的低温容器

3、高合金钢 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

(1)铬钢

有较高的强度、塑性、韧性和 良好的切削加工性能

是常用的铁 素体不锈钢

0Cr13

在室温的稀硝酸以及弱 有机酸中有一定的耐腐 蚀性

但不耐硫酸、盐酸、热 磷酸等介质的腐蚀

(2)铬镍钢

0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10三种钢均属于奥氏体不锈钢。 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 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。 0Cr18Ni10Ti 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。 00Cr19Ni10 为超低碳不锈钢,具有更好的耐蚀性。

(3)铬镍钼钢 奥氏体-铁素体双相 不锈钢

00Cr18Ni5Mo3Si2

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。

基层:与介质不接触,主要起承载作用, 复合板 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1/10~1/3。

复合板应用特点
①用复合板制造耐腐蚀压力容器,可大量节省昂贵的耐 腐蚀材料,从而降低压力容器的制造成本。 ②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。

3.2、 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 铜及其合金

压力容器常用 有色金属:

铝及其合金 镍和镍合金

钛和钛合金

3.3、有色金属和非金属
1、铜及其合金 特性: 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。

半贵重金属

1、纯铜(紫铜) 低温时可保持较高的塑性和冲击韧性,用 于制作深冷设备和高压设备垫片。 耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐 酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等 介质的腐蚀,对淡水、大气、碱类溶液 的耐蚀能力很好。 不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。

2、铜合金
黄铜:铜与锌的合金称黄铜 白铜:镍的质量分数含量低于50%的铜镍 合金称为简单(普通)白铜,再加入锰、 铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂(特 殊)白铜。 青铜:其它合金。铜与锡的合金称为锡青 铜;铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的 合金称无锡青铜。

(1)黄铜
铜与锌的合金称黄铜。 铸造性能好,力学性能比纯铜高,耐蚀性 能与纯铜相似,在大气中耐腐蚀性比纯 铜好,价格便宜,应用较广。 在黄铜中加入锡、铝、硅、锰等元素,特 种黄铜。 锰、铝能提高强度;铝、锰和硅提高抗蚀 性和减磨性;铝能改善切削加工性。

常用的黄铜牌号有H80、H68、H62等 H80大气、淡水及海水中有较高耐腐蚀性、 加工性能优良,可作薄壁管和波纹管。 H68塑性好,可在常温下冲压 H62在室温下塑性较差,但机械强度较高, 易焊接,价格低廉,可做深冷设备的筒 体、管板、法兰及螺母等。 锡黄铜 HSn70-l含有1%的锡,能提高在 海水中的耐蚀性。称海军黄铜。

(2)白铜
镍含量低于50%的铜镍合金称为简单(普 通)白铜, 再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为 复杂(特殊)白铜。 白铜是工业铜合金中耐腐蚀性能最优者, 抗冲击腐蚀、应力腐蚀性能亦良好,是 海水冷凝管的理想材料。

(3)青铜

铜与锡的合金称为锡青铜;铜与铝、硅、铅、 被、锰等组成的合金称无锡青铜。 锡青铜分铸造锡青铜和压力加工锡青铜。 锡青铜典型牌号 ZQSn10-1,有高强度和硬 度,能承受冲击载荷,耐磨性很好,具有 优良的铸造性,比纯铜耐腐蚀。 锡青铜用来铸造耐腐蚀和耐磨零件,如泵壳、 阀门、轴承、蜗轮、齿轮、旋塞等。 无锡青铜力学性能好

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-269~200℃; ◆有良好的成型和焊接性能。

应用: 可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器,防止 污染产品的设备及深冷设备

铝及铝合金

铝:L1,L2,………L6 硬铝:AI-Cu-Mg的合金,LY1L-1L-2 防锈铝:AI-Mg的合金,LF21 铸铝:AI-Si的合金,ZL107

(1)工业纯铝 工业高纯铝用于抗硫腐蚀,浓硝酸设备, 高压釜、槽车、贮槽、阀门、泵。 工业纯铝,耐硫腐蚀、防污染而不要求 强度的设备,例如:反应器、热交换 器、深冷设备、塔器等。

(2)防锈铝
由铝锰系或铝镁组成的铝合金,强度比纯 铝高,用于中等强度的零件或设备; 制造油箱、管道、低压容器、铆钉 及焊制容器。 由于熔焊的铝材在低温(0~-196℃)下冲 击韧性不下降,很适合做低温设备。

3)铸造铝合金
是铝、硅合金。 Al-Si系,俗称"硅铝明",典型牌号 ZAlSi7Mg,合金号为ZL101; Al-Cu系,应用最早,热强性高,300℃, 耐腐蚀性较差。典型牌号ZAlCu5Mn, 合金号为ZL201; Al-Mg系,室温力学性能高,耐腐蚀性 能好,但热强性低。铸造性能差,典 型牌号ZAlMg10,合金号为ZL301;

Al-Zn系,Zn在Al中溶解度大,再加入硅 及少量镁、铬等元素,具有良好的综 合性能,典型牌号ZAlZn11Si17,合金 号为ZL401。 铝的铸造性、流动性好,铸造时收缩率 和生成裂纹的倾向性都很小。 耐蚀性好,且密度小,广泛用来铸造形 状复杂的耐蚀零件,如管件、泵、阀 门、汽缸、活塞等。

3、铅及其合金
硬度低、强度小,不宜单独作为设备材料, 只适于做设备的衬里。 热导率小;纯铅不耐磨,非常软。但在许 多介质中,特别是在硫酸(80%的热硫酸 及92%的冷硫酸)中铅具有很高的耐蚀性。 铅与锑合金称为硬铅,硬度、强度都比纯 铅高,在硫酸中的稳定性也比纯铅好。 硬铅的主要牌号为 PbSb4、 PbSb6、 PbSb8和 PbSb10。

铅和硬铅在硫酸、化肥、化纤、农药、电 器设备中可用来做加料管、鼓泡器、耐 酸泵和阀门等零件。 由于铅具有耐辐射的特点,在工业上用作 X射线和g射线的防护材料。 铅合金的自润性、磨合性和减振性好,噪 音小,是良好的轴承合金。 铅合金还用于铅蓄电池极板、铸铁管口、 电缆封头的铅封等。

4、镍和镍合金 特性: 在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性,

比耐热钢有更好的抗高温强度,最高使用温度可
达900℃。

应用: 由于价格高,一般只用于制造特殊要求的压力容器。

5、钛及钛合金
特性: ◆对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀, 如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液;

◆具有密度小(=4510kg/m3)、强度高(相当于20R)、 低温性能好、粘附力小等优点;

◆但单位质量价格高,比一般钢材高20倍左右;
◆使用温度仅限于350℃以内。 应用: 在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用,可获 得较好的综合经济效果。

二、非金属材料 用途 它既可以单独用作结构材料,也可用作金属材料保护衬 里或涂层,还可以用作设备的密封材料、保温材料和耐火 材料。 压力容器用非金属材料要求

除要求有良好的耐腐蚀性外,
还应有足够的强度, 好的热稳定性,

良好的加工制造性能。
缺点 大多数材料耐热性不高,对温度波动比较敏感,与金 属相比强度较低(除玻璃钢外)。

涂料 工程塑料 压力容器常用非金属材料 不透性石墨 搪瓷 陶瓷

1、涂料

涂料是一种有机高分子胶体的混合物,

将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄
膜,起耐腐蚀和保护作用。

2、工程塑料 热塑性塑料 在一定温度下可以变软,而不发生化学变化,冷却 后又变硬,再加热又软化; Eg.如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等;

可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元 件、衬里等的材料。

热固性塑料

(1)硬聚氯乙烯(PVC)塑料 使用温度为-10~+55℃。当温度在60~ 90℃时,强度显著下降。 (2)聚乙烯(PE)塑料 在室温下,除硝酸外,对各种酸、碱盐溶 液均稳定,对氢氟酸特别稳定。 (3)耐酸酚醛塑料(PF) 使用温度为-30℃~+130℃。这种塑料性 质较脆、冲击韧性较低。

(4)聚四氟乙烯(PTFE)塑料 耐强腐蚀性介质腐蚀。甚至超过贵重金属 金和银,有塑料王之称。 常用作耐腐蚀、耐高温密封元件及高温管 道。 有良好的自润滑性,还可以用作无油润滑 压缩机的活塞环。 有突出的耐热和耐寒性,使用温度范围为 -200℃~250℃。

(5)玻璃钢 又称玻璃纤维增强塑料。 用合成树脂为粘结剂,以玻璃纤维为增强 材料,按一定成型方法制成。 具有优良的耐腐蚀性能,强度高和良好的 工艺性能,是一种新型非金属材料。 树脂不同而差异很大。 环氧玻璃钢(常用)、酚醛玻璃钢(耐酸 性好)、呋喃玻璃钢(耐腐蚀性好)、 聚酯玻璃钢(施工方便)等。

3、不透性石墨
具有良好的化学稳定性、导电性和导热性,可用于制造 热交换器。

4、陶瓷 具有良好的耐腐蚀性能,且有一定的强度,被用来制造塔、 储槽、反应器和管件。

5、搪瓷 ◆搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过9000C左右的高 温锻烧,使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。 ◆它具有优良的耐蚀性,较好的耐磨性,广泛用作耐 腐蚀、不挂料的反应罐、储罐、塔和反应器等。

化工搪瓷 由含硅量高的瓷釉通过900℃左右的高 温煅烧,使瓷釉密着在金属表面。 具有优良的耐腐蚀性能、力学性能和 电绝缘性能,但易碎裂。 热导率不到钢的1/4,热膨胀系数大。 不能直接用火焰加热,以免损坏搪瓷 表面,可以用蒸汽或油浴缓慢加热。 使用温度为-30℃~270℃。

复合材料 ▲具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点,是一种很有 发展前途的压力容器材料,已被用于制造天然气钢瓶、 液化石油气储罐等产品。


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