3-压力容器材料及环境和时间

1第三章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响为使压力容器在全寿命周期内安全可靠地运行，设计师不但要了解原材料性能，而且要了解制造工艺、使用环境和时间对材料性能的影响规律。应力分析是压力容器选材和确定结构尺寸的基础，但应力分析本身并不能提高其安全性。决定压力容器安全性的内在因素是结构和材料性能，外在因素是载荷、时间和环境条件。材料是构成设备的物质基础，压力容器设计师必须掌握材料知识。合理选材是压力容器设计的基本任务之一。影响材料性能的因素很多，合理选材更依赖于定性分析和经验积累，往往是压力容器设计的难点。2第三章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器设计正确的应力分析和强度计算合理的材料选择时间效应、环境作用（充分考虑）33.1压力容器材料教学重点：压力容器常用钢材。教学难点：高合金钢。43.1.1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、管材和锻件壳体、封头、板状构件等下料、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（1）钢板主要用途加工要求性能要求3.1压力容器材料5接管、换热管等无缝钢管、卷制下料、焊接、热处理较高的强度、塑性和良好的焊接性能（2）钢管主要用途主要来源加工要求性能要求3.1.1压力容器常用钢材一、钢材形状6Ⅰ、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。（3）锻件高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等主要用途分级3.1.1压力容器常用钢材一、钢材形状注意：钢材及锻件的本质质量并不因检验项目的增加而改变。7二、钢材类型碳素钢低合金钢高合金钢（按化学成分分类）3.1.1压力容器常用钢材81、碳素钢含碳量0.02%～2.11％的铁碳合金。以及少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。如Q235-B和Q235-C钢板；如Q245R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。Q245R的特点和应用场合R----压力容器专用钢板3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型压力容器用钢碳素结构钢压力容器专用钢板优质碳素结构钢如10、20钢钢管;20、35钢锻件。老标准为20R92、低合金钢◆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。3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型10Q345R、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR、07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR;压力容器常用低合金钢：16Mn、09MnD;16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr2Mo。钢板钢管锻件D----低温用钢3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型老标准为16MnR11应用介绍1、Q345Rs◆屈服点为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3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型12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3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型13应用介绍3、15CrMoR◆低合金珠光体热强钢◆中温抗氢钢板◆常用于设计温度不超过550℃的压力容器3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型14应用介绍4、20MnMo、09MnNiD20MnMo常制造使用温度为-19～470℃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-70～45℃的低温容器3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型153、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3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型16（1）铬钢06Cr13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是常用的铁素体不锈钢但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀0Cr13旧牌号——06Cr13新牌号——S11306统一数字代号见教材P37917（2）铬镍钢0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10三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。0Cr18Ni10Ti为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。00Cr19Ni103.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型18（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奥氏体-铁素体双相不锈钢3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型19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1/10~1/3。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。3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型20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。焊接材料3.1.1压力容器常用钢材一、钢材类型213.1.2有色金属和非金属一、有色金属使用状态在退火状态下塑性好，综合指标均衡且性能稳定，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。我国《固定式压力容器安全技术监察规程》中的有色金属主要有以下几种。压力容器常用有色金属：铜及其合金铝及其合金镍和镍合金钛和钛合金3.1压力容器材料22纯铜和黄铜的设计温度不高于200℃。纯铜的导热率是压力容器用各种金属材料中最高的。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。1、铜及其合金特性：3.1.2有色金属和非金属232、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；◆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3.1.2有色金属和非金属含镁量大于或者等于3%的铝合金（如5083/5086），其设计温度范围为-269~65℃；其它牌号的铝和铝合金，其设计温度范围为-269~200℃。设计压力应不大于16MPa。243、镍和镍合金特性：应用：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，设计温度范围为-268~900℃。由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。3.1.2有色金属和非金属254、钛及钛合金特性：应用：◆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Q245R）、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；◆设计温度不高于315℃。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。3.1.2有色金属和非金属26二、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)。3.1.2有色金属和非金属27压力容器常用非金属材料涂料工程塑料不透性石墨搪瓷陶瓷3.1.2有色金属和非金属281、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。3.1.2有色金属和非金属29热塑性塑料热固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；——可逆性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。2、工程塑料3.1.2有色金属和非金属第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应——交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。最常用的是锅把手和高低压电器。热固性塑料不能用于压力容器中的受压零件。303、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。3.1.2有色金属和非金属315、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。3.1.2有色金属和非金属32▲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。复合材料3.1.2有色金属和非金属33第三章压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响压力容器制造冷、热加工焊接热处理（必要时）343.2压力容器制造工艺对钢材性能的影响教学重点：钢材的焊接。教学难点：无。研究冷或热压力加工造成的塑性变形、焊接工艺和热处理对钢材性能的影响353.2.1塑性变形塑性变形的特点：当载荷卸除后，只有一部分变形消失，还有一部分变形不消失。弹性变形的特点：当载荷卸除后，变形消失。材料在载荷作用下的变形弹性变形塑性变形或永久变形36一、应变强化二、热加工和冷加工★三、各向异性四、应变时效材料在塑性变形中内部性能的变化：3.2.1塑性变形37一、应变强化见应力-应变曲线图d卸载后，d′g----消失的弹性变形od′------不再消失的塑性变形。卸载后，在短时间内再次加载，应力应变关系按照dd′变化，到了d以后，按照def变化。d以前材料是弹性的，以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。可见第2次加载时，比例极限提高，塑性变形和延伸率有所减低，表明，在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象叫做加工硬化或应变强化冷做硬化经退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低3.2.1塑性变形38一、应变强化3.2.1塑性变形奥氏体不锈钢具有优良的塑性，在室温下进行应变强化处理，可以显著提高其屈服强度。在深冷下强化时，效果尤为显著，常用于低温容器。39热加工或热变形:凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形在再结晶温度以下进行的塑性变形冷加工或冷变形:热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。特点特点冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂