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(GB150.2《压力容器—材料》)盛昌国2014.02.25材料1一.材料的选用在压力容器设计中，材料选用、强度计算和结构设计是三大影响因素，强度计算和结构设计是设计中的重点，材料选用是设计中的难点，材料是构成容器的物质基础，所以正确地选择材料对于保证容器的结构合理、使用安全和制造成本降低是至关重要的。化工生产的多样性和化工设备的功能性，给选材带来了一定的复杂性，增加了难度。2一.材料的选用1.压力容器材料选用的因素a.容器的使用工况压力温度介质操作特点结构特点31.压力容器材料选用的因素b.材料的力学性能强度指标－抗拉强度、屈服点刚性－弹性模量韧性－抗断裂性能耐疲劳性能抗蠕变性能c.材料的耐腐(磨)蚀性能41.压力容器材料选用的因素d.材料的加工性能成形焊接锻造机加工热处理51.压力容器材料选用的因素e.特殊性能导热性硬化性等f.容器的结构g.标准系列尺寸常用规格h.材料的价格和来源i.同一工程设计中用材要统一62.压力容器材料选用的原则a.满足工艺要求；b.良好的综合性能；c.足够的强度、较大的塑性贮备和较好的韧性；d.良好的加工性和可焊性；e.良好的耐腐(磨)蚀性能或对介质无污染；f.适合于容器的结构；g.较好的经济性。72.压力容器材料选用的原则总之，选材时尚应根据介质的状态、流速、流态以及是否处于相变部位等因素，对设备局部结构和材料加大流通面积、降低流速、增加壳体壁厚、增设挡板、局部材料升级等防止局部严重腐蚀的措施。83.钢材选用思路a.以刚度或结构设计为主的容器，可选用碳素钢。b.以强度设计为主的容器，根据使用工况，可依次选用Q245R、Q345R等。当所需钢板厚度小于8mm时，宜采用碳素钢钢板(多层容器用材除外)；•碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压、低压容器，壁厚不大的中压容器。•低合金高强度钢用于介质腐蚀性不强、壁厚较大(≥8mm)的受压容器。93.钢材选用思路c.珠光体耐热钢(铬钼钢)可用作设计温度为350℃~575℃的耐热用钢、大于250℃的高温高压抗氢或高温抗硫化氢腐蚀用钢，使用时应尽量减少、合并钢材的品种、规格。珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于或等于350℃的耐热用钢。103.钢材选用思路15CrMoR等Cr-Mo钢制容器，若其设计温度高于300℃壳体一次薄膜应力大于500MPa时，需要采取措施避免回火脆化。113.钢材选用思路d.当所需不锈钢钢板厚度大于12mm时，宜采用衬里、复合、堆焊等结构形式。将不锈钢钢板价格与各种复合结构成本比较，综合考虑腐蚀裕量、设备的大型化、结构复杂程度、加工难度、重要程度等因素后，当所选复合结构成本明显低于不锈钢的成本时，选择该复合结构才是合理的。123.钢材选用思路e.奥氏体不锈钢可用作耐酸腐蚀用钢、防铁离子污染用钢、设计温度低于-70℃的低温用钢或大于500℃的耐热用钢。考虑到一些化工设备制造单位对加工珠光体耐热钢缺乏经验，故对单台、小批量高温设备，在设计温度低于500℃的工况下可选用高碳含钛、铌稳定化元素的奥氏体不锈钢，将其用作耐热用钢也是合理的。考虑到国内~-100℃工况条件下低温选材困难，故将奥氏体不锈钢的低温选择界从-100℃提高到-70℃。133.钢材选用思路f.晶间腐蚀环境下奥氏体不锈钢制容器应考虑设计温度的限制要求：①低碳不含钛、铌稳定化元素的奥氏体不锈钢小于或等于300℃；②钼含量不大于3％的超低碳奥氏体不锈钢小于或等于350℃；③钼含量大于3％的超低碳奥氏体不锈钢小于或等于400℃；④低碳含钛、铌稳定化元素的奥氏体不锈钢小于或等于400℃。143.钢材选用思路晶间腐蚀环境下奥氏体不锈钢制容器设计温度的限制要求是考虑到晶间腐蚀的不利影响力，将奥氏体不锈钢制容器设计温度在材料正常允许使用温度基础上有所降低(引自GB/T21433－2008《不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验》。)当存在冲刷腐蚀或腐蚀疲劳等不利因素时也应在材料正常允许使用温度基础上适当降低。153.钢材选用思路g.不含钛、铌稳定化元素，且含碳量大于0.03％的奥氏体不锈钢需经焊接400℃以上热加工时，不应使用于可能引起不锈钢晶间腐蚀的环境。16二.钢材基础知识1.钢材生产a.炼钢炉主要有氧气转炉、电弧炉、电渣炉、感应炉(真空感应炉)。b.炉外精炼(二次精炼)炉外精炼是把转炉或电炉中所炼的钢水移到另一个容器中（主要是钢包）进行精炼的过程。也叫“二次炼钢”或钢包精炼。炉外精炼把传统的炼钢分为两步(初炼和精炼)。主要有LF钢包精炼、VOD真空吹氧脱碳精炼、AOD氩氧脱碳精炼、RH真空处理、喂线、钢包吹氩搅拌以及喷粉等。171.钢材生产炉外精炼的冶金作用：使钢水温度和成分均匀化；微调成分使成品钢的化学成分控制在很窄的范围之内；把钢中的硫含量降得非常低，可达到小于0.005％甚至更低、改变钢中夹杂物形态和组成以及去除有害元素；降低钢中的氢氮等气体含量，如H含量可小于2ppm.。182.钢材的热处理a.退火将钢件加热到高于或低于Ac1点温度，保温一定的时间(压力容器用钢件一般加热到低于Ac1点)，然后缓慢冷却(通常随炉冷却)的一种热处理工艺。主要目的：(1)降低钢的硬度；(2)改善或消除坯料在铸造、锻造和焊接时所产生的成分或组织的不均匀性；(3)消除内应力，稳定尺寸；(4)细化晶粒，改善钢中碳化物的形态和分布(完全退火)。192.钢材的热处理b.正火将钢件加热到高于Ac1以上30℃～50℃或更高的温度，保温一定的时间，然后在炉外静止空气中冷却的一种热处理工艺。主要目的：(1)细化晶粒，提高钢材的韧性，稳定钢材的力学性能；(2)得到所要求的金相组织。202.钢材的热处理c.淬火将钢件加热到高于Ac3以上某一温度，保温一定的时间，使之奥氏体化后，急冷至室温，以获得淬硬组织，如马氏体组织的一种热处理工艺。主要目的：(1)提高钢的强度和硬度(2)能改善某些特区殊钢的力学和化学性能对压力容器用钢而言，淬火后钢件，通常是紧接着进行高温回火，以获得预期的最佳性能。212.钢材的热处理d.回火将淬硬后的钢件加热到高于Ac1以下某一温度，保温一定的时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热处理工艺。主要目的：(1)消除淬火或正火后所产的生的热应力和组织应力，降低脆性，以防变形和开裂；(2)能使淬火或正火后的淬硬组织（马氏体、贝氏体等）转变成较稳定的组织，以确保得到所要求的良好综合力学性能；(3)不同温度回火，可以获得不同的组织和性能，因此通过选择不同的回火温度，可以调整淬火或正火后钢件的力学性能。222.钢材的热处理d.回火低温回火：加热温度为150~200℃左右。目的是为了消除内应力，减少淬火钢的脆性，且保存其高硬度和耐磨性。适用于刃具。为回火马氏体组织。中温回火：加热温度为350~500℃。目的是为了获得高的弹性、强度和足够的韧性。适用于弹簧等。为回火托氏体组织。高温回火：加热温度为500~650℃。目的是为了获得最高的韧性和强度。适用于受力情况复杂及受冲击载荷的零件。为回火索氏体组织。回火往往是热处理的最后一道工序，最终确定产品的质量，故在操作中应严格控制其工艺规程。232.钢材的热处理e.调质在生产中一般将淬火后高温回火的联合热处理工艺称为调质处理。这种热处理获得的是回火索氏体组织，如07MnMoVR和07MnNiVDR钢板，具有较好的综合力学性能。242.钢材的热处理f.固溶奥氏体不锈钢加热到1000℃~1100℃，保温一定的时间后快速冷却，获得单相奥氏体组织的工艺方法称为固溶处理。这种处理的奥氏体不锈钢具有一定的强度，很高的韧性和优良的耐腐蚀牲。g.稳定化将含有Ti和Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢加热到850℃~950℃，保温一定的时间后水冷、油冷或空冷，使稳定化元素Ti、Nb和钢中的碳形成TiC和NbC，提高钢的耐晶间腐蚀等能力。253.一些元素在钢中的主要作用碳(C)碳是影响钢性能的主要元素，即使铁中含有极少量的碳，也能明显地改变其显微组织，而这种组织上的变化相应地对合金的力学性能与物理性能发生深刻的影响。碳是增加钢强度的廉价元素，碳含量越高，强度越高。碳影响钢材的焊接性和耐腐蚀性，碳含量越低，焊接性能越好，耐腐蚀性能也越好。263.一些元素在钢中的主要作用当出现石墨化倾向后，钢材的塑性和韧性就大大降低。《固容规》2.3条规定，用于焊接的碳素钢和低合金钢钢材,其碳含量不应大于0.25%。GB150第3.6.2条规定“碳素钢和碳锰钢钢材在高于425℃温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物相中的石墨化倾向》273.一些元素在钢中的主要作用锰(Mn)作脱碳和脱硫剂因为FeS熔点低,在晶间引起热脆，为防止这种脆化，钢中Mn与S可以形成熔点很高的MnS。提高高温塑性和可锻性能(MnS)降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织，以改善其力学性能。当含量1～1.5%时,能获得较高的强度和韧性283.一些元素在钢中的主要作用随着Mn量增加,其耐酸、耐氧化性同时下降提高钢的淬透性作用强有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向。回火脆性－指某些钢材在较高温度范围内回火，其冲击韧性反而比较低温度回火后显著下降的现象。293.一些元素在钢中的主要作用铬(Cr)增加钢的淬透性，有二次硬化作用，极易与碳化合形成碳化物，加10%以上就成为不锈钢提高高温抗氧化性能和耐氧化性介质腐蚀作用改善抗硫化性能增加钢的热强性，防止低温脆化及氢脆含量高时，易产生σ相和475℃脆性303.一些元素在钢中的主要作用铬是一种十分有用的合金元素σ相－铬镍奥氏体不锈钢在400℃~850℃长时间受热作用下形成的一种铁和铬原子形成的Fe－Cr金属间化合物，一种既脆又硬的相。475℃脆性－高铬(Cr≥12％)不锈钢，在450℃~500℃长时间受热作用下产生的严重脆化，脆化最大速率发生在475℃，其特征是钢的硬度显著提高，其严重性随着铁素体含量和铬含量的增加而增加。313.一些元素在钢中的主要作用镍(Ni)固溶在奥氏体和铁素体中，使钢强化，稳定奥氏体提高淬透性细化铁素体晶粒，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性与Cr组织合成为良好的奥氏体不锈钢和耐热钢与Cr、Mo一起可提高钢的淬透性能。对钢的可焊性、可锻性方面不起有害作用镍是一种十分有用的合金元素323.一些元素在钢中的主要作用硅(Si)为常用的脱氧剂添加0.4%以下,它可以强化铁素体,提高硬度,提高钢的高温抗氧化性能和耐酸性能和Cr、Ni共存时，可以改善淬透性能，可以提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合力学性能，特别是弹性极限有利Si增加时，铁素体会脆化，组织变粗，可焊性变差硅含量受到一定限制333.一些元素在钢中的主要作用钼(Mo)贝氏体高强度钢的主要合金化元素在一般钢中，钼的含量是0.1-0.5%左右。其阻抑奥氏体到珠光体转变的能力很强，从而提高钢的淬透性含量约0.2％时，能降低或抑止其他合金元素导致的回火脆性在较高的回火温度下，形成弥散分布的特殊碳化物，有二次硬化作用，可提高钢的热强性含量2％~3％时，能增加耐蚀钢抗有机酸和还原性介质腐蚀的能力343.一些元素在钢中的主要作用钛(Ti)固溶强化作用极强，但同时降低固溶体的韧性，固溶于奥氏体中，可提高钢淬透性的作用强化合钛，由于其细微颗粒形成新相的晶核从而促进奥氏体分解，降低钢的淬透性，提高钢的回火稳定性，并有二次硬化作用有防止和减轻不锈耐酸钢晶间腐蚀和应力腐蚀的作用由于细化晶粒和固定碳，对钢的焊接性有利353.一些元素在钢中的主要作用钒(V)固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性以化合物状态存在的钒，由于这类化合物的细小颗粒形成新相的晶核，将降低钢的淬透，将降低钢的淬透性增加钢的回火稳定性，并有强烈的二次硬化作用固溶于铁氏体中有极强的固溶强化作用有细化晶粒作用，故对低温冲击韧性有利363.一些元素在钢中的主要作用钒通过细小碳化物颗粒的弥散分布，可以提高钢的蠕变和持久强度，并提高钢抗高温高