压力容器材料分析

压力容器用钢的基本要求

主要是三个方面：

（1）具有良好的力学性能。

首先，制造锅炉、压力容器的材料应具有适当的强度（主要是指屈服强度和抗拉强度），以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。对于锅炉和中、高温压力容器，还应考虑材料的抗蠕变性能，测定材料的高温性能指标，即蠕变极限和持久强度。其次，制造锅炉、压力容器的材料必须具有良好的塑性，以防止锅炉、压力容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。第三，制造锅炉、压力容器的材料应具有较高的韧性，使锅炉、压力容器能承受运行过程中可能遇到的冲击载荷的作用。特别是操作温度或环境温度较低的压力容器，更应考虑材料的冲击韧性值，并对材料进行操作温度下的冲击试验，以防止容器在运行中发生脆性破裂。

力学性能主要指：强度、韧性和塑性变形能力

力学性能不仅与钢材的化学成分，组织结构有关且与所处的应力状态和环境有关。

强度判据：二s，二b，持久极限（强度）二D,蠕变极限二n和疲劳极限二-1

塑性判据：延伸率、：5,断面收缩率书

韧性判据：冲击吸收力AKV韧脆转变温度，断裂性

设计时，力学性能判据可从相关规范标准中查到，实际使用时，除要查看质

量证明书外，有时还要对材料进行试验。（拉伸，冲击）

（2）具有良好的工艺性能。

由于锅炉、压力容器的承压部件，大都是用钢板滚卷或冲压成形的，所以要求材料有良好的冷塑性变形能力，在加工时容易成形且不会产生裂纹等缺陷。其次，制造锅炉、压力容器的材料应具有较好的可焊性，以保证材料在规定的焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头。第三，要求材料具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产生的残余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。

制造中冷加工，要求钢材有良好冷加工成型性能和塑性，延伸率；5应在15?

20鸠上。

良好可焊性是一项重要指标

可焊性主要取决于化学成分，影响最大是含碳量，各种合金之素对可焊性度

有不同程度的影响，常用碳当量Ceg表示，国际焊接学会推荐公式：

Mn Ni Cu Cr Mo V

Ceg=C

6 15 5

元素符号表示该元素在钢中的百分含量

一般认为：Ceg <0.4%可焊性优良，Ceg >0.6%可焊性差，我国对此尚无规^定。

（3）具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能。

设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适当的耐腐蚀材料。对于锅炉和高温压力容器，所选用的材料还应具有抗氧化性能。

压力容器的材料选择

制造压力容器用的材料多种多样，有黑色金属，有色金属，非金属材料及复合材料等。使用最多的还是钢材.

1、压力容器常用钢材:

（1）钢材形状

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

按化学成分分，可分为碳素钢、低合金钢、高合金钢。

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）20R

R: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。

环境对压力容器用钢性能的影响

压力容器除受到包括介质压力在内的各种载荷作用外，其工作环境对材料的性能也有着不可低估的影响，有时这种影响甚至超出了介质的影响。

即使材料的成分相同，组织结构相同，韧性指标（如K i、C）也相同，但如

果外部环境不同，贝用料的实际性能也有很大的差异。

环境的影响因素很多，如：

温度的高低波动，载荷的波动，介质的性质，加载的速度等。

这些影响往往不是单独存在，而是同时存在交叉影响，甚至难以区分属哪一类。1、温度

有的压力容器长期在高温下工作（热壁加氢反应器）

有的压力容器长期在低温下工作（液氧，液氨贮罐）

材料在高温或低温下的性能与常温下并不相同

（1）短期静载下，温度对钢材力学性能的影响

在低温下：

温度下降，碳钢，低合金钢强度上升，韧性下降

韧脆性转变温度（脆性转变温度）：Temperature of ductile-to-brittle transition 当温度低于某一界限时，钢的冲击功大幅度下降，从韧性状态变为脆性状态的温度注：从韧性转为脆性，不是在一个特定的温度而是在一个温度范围内。

韧性：

材料的一种力学性能，是材料塑性变形和断裂全过程中吸收能量的能力。

强度是材料抵抗变形和断裂的能力

塑性表示断裂时总的塑性变形程度

一定程度上，可以说是韧性是强度和塑性的综合表现，也是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映。

工业上通常使用冲击韧性Ak （kg、m）或〉k（kg.m/cm2）和断裂韧性来表征材料韧性的指标。

冲击韧性：一定条件下，将试样冲断所消耗的功或试样从变形到断裂全过程所吸收

的能量，断裂力学中的应力强度因子K i C和裂纹尖端张开位数（COD）可用来衡量材料的韧性

注意：并不是所有金属都会低温变脆。

碳素钢、低合金钢，会低温变脆，

Cu, Al和奥氏体不锈钢，很低温度下仍有高的韧性。

（2）高温，长期静载下钢材性能

高温下材料的强度等性能除随温度的升高而改变外，还和时间有关?

蠕变现象：在高温和恒定载荷作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象称蠕变（Creep）现象。

蠕变温度：碳素钢超过420C ;低合金钢400~500C

危害：使材料产生蠕变脆化，应力松驰，蠕变变形和蠕变断裂。

a. 蠕变极限，持久强度

在高温下长期服役的压力容器的材料性能指标采用蠕变极限和持久强度。

蠕变极限是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力，其定义为105小时后材料应变限制在1%以内，其应变速率为；=107时的应力。

蠕变极限以考虑变形为主。

持久强度也是反映材料高温性能的重要指标，主要考虑材料在高温长期作用下的破坏抗力。

在给定温度下，一定时间后产生蠕变断裂的应力称为该时间内的持久强度。

b. 松弛

在高温和应力作用下，随着时间的增长，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步取代原来的弹性变形从而使零件内的应力逐渐降低，这种现像称松驰。如高压螺栓。

（3）高温下材料性能的劣化

常温下，钢状的金相组织和力学性能一般都相对稳定，不随时间而变化。但在高温下，金相组织和力学性能发生变化，材料性能劣化除蠕变脆化外

a.珠光体球化

压力容器的碳素钢和低合金钢，常温下组织为铁素体+珠光体，其片状珠光体在温

度较高时，逐渐转变成球状，再积聚成球团，使材料的屈服点抗拉强度，冲击韧性，蠕变极限，持久极限下降，这种现象称为珠光体球化。

修复：加热，保温，再冷却

b. 石墨化

钢材在高温，应力长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象。

危害：相当于金属内形成空穴，使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击韧性下降很多。

防止：在钢中加入与碳化合能力强的合金元素如Cr，T i，V等。

c. 回火脆性

12CrlMoV等铬钼钢，长期在325-575E下使用，或者在此温度范围缓慢冷却，使韧脆转变温度升高，冲击韧性下降的现象称回火脆性。

防止：严格控制微量杂质元素的含量（P，Sb，Sn, S i--）使设备升、降温速度尽量缓慢。

d. 氢腐蚀和氢脆

①氢腐蚀：高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，也称氢蚀。

生成的甲烷不能扩散出去，聚集在晶界上形成压力很高的气泡，气泡扩大和相互连接从而在晶界上形成裂纹。

条件：碳素钢在200C以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。

防止：加入Cr，V，T i，W等能形成稳定碳化物，从而提高抗氢腐蚀的能力。

②氢脆

钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。

机理：高温高压下，氢以原子形式渗入到钢中被钢的基体所溶解吸收，当容器冷却后，氢的溶解度降低，形成分子氢的集聚，造成氢脆。

防止：停车时，应先降压，保温消氢（200C以上），再降至常温，不可先降温后降压。

e. 其它

材料劣化现象有：

①晶界氧化：热应力大，易使表面氧化膜破裂，促进晶界氧化

②渗碳：耐热钢长期在高温下使用，铬的氧化膜逐步长大，由于膨胀系数与基体合金差别大，随着温度波动，产生裂纹，基体中贫络，氧化膜再生固难，从而加速渗C。

2、介质

介质可能引起材料腐蚀，组织性能的改变。

（1）腐蚀概述

a. 电化学腐蚀

金属在电解质中，由于各部位电位不同，形成微电池，在电子交换过程中产生电流，作为负级的金属被逐渐溶解的一种腐蚀。

如碳素钢在水或潮湿环境中的腐蚀。

b. 化学腐蚀

金属在介质中直接发生化学反应的腐蚀

按腐蚀的形成，也可分为两大类

a. 全面腐蚀

与腐蚀介质直接接触的全部或大部分金属表面发生比较均匀的大面积腐蚀。

危害：厚度变薄，强度不足，发生膨胀以至爆破。

防止：选用耐腐蚀材料，衬里或堆焊。

b. 局部腐蚀

集中在金属表面局部区域的腐蚀

常见形式有；

①晶间腐蚀

腐蚀沿晶粒边界和邻近区域产生和发展，而晶粒本身腐蚀很轻微。

危害很大，不易被察觉。

腐蚀环境，电解质溶液，过热水，蒸汽，高温水和熔融金属等。

防止：在奥氏体不锈钢中加入稳定化之素（T i，V）或采用超低C不锈钢

（OOCr18N9）

②小孔腐蚀（孔蚀，点蚀）

在金属表面产生针状，点状，小孔状局部腐蚀。产生：卤素离子，氯化物，溴化物静滞的液体中。

防止：提高流速，增加Mo降低介质中CI.I含量

③缝隙腐蚀

缝隙中积存静止介质或沉淀物引起的腐蚀。

避免：避免或减少缝隙形成。

介质的流动死角(区)使液体排净，胀焊并用，减少管子与管板间缝隙。

(2)应力腐蚀

在拉伸应力和特定腐蚀介质的共同作用下，导致材料开裂或早期破坏

断裂前往往无明显塑性变形，危险性很大

特点①拉应力大于临界值

②特定合金和介质的组合

女口：氯化物溶液中，面心立方晶体(face-ce ntered cubic) 的奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀，而体心立方晶体(body-ce ntered cubic) 的铁素体不锈钢不容易发生。

常见的应力腐蚀

防止：合理选择材料，HS采用抗"S的钢，如12Cr2MoAlV减少或消除残余应力，焊后消除应力热处理。改善介质条件，减少有害离子成分，添加缓性剂(吸附在金属表面上)涂层保护。

合理设计结构，避免缝隙。

为什么要控制压力容器用钢中的硫、磷含量？

S是钢中的有害兀素，越少越好。S以FeS的形态存在于钢中。FeS与Fe能形成低熔点

(985 C)的共晶体，当热加工的加工温度高于此温度时，分布在晶界上的共晶体熔化，导致加工开裂，这就是所谓的热脆性，含S量越高，热脆性就越严重。

P能全部溶于铁素体内，而使铁素体在室温下的强度提高，韧性下降，产生冷脆性。使钢的冷加工性能和焊接性能变坏?硫一一能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。

磷一一能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。

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。