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2011年辽宁省D级压力容器设计、审核人员培训班选材要求中国石油辽阳石化公司胡丽莉2011年4月讨论的主要内容一、选材原则二、材料性能三、常用材料四、材料问题讨论2一、选材原则1、选材依据：容器的使用条件；材料的机械性能；材料的耐蚀性能；材料的加工性能；材料的价格及来源；同一工程设计中用材要统一。3一、选材原则2、选材考虑因素1）选择压力容器受压元件用钢时应以下因素：容器的使用条件：设计温度、设计压力、介质特性和操作特点；材料的性能：力学性能、工艺性能、化学性能和物理性能；容器的制造工艺以及经济合理性。2）优选采用压力容器规范推荐的材料及国内材料标准中已有的材料。4二、材料性能3）压力容器材料不仅要具有高的屈服极限，而且具有一定的屈强比（ReL/Rm）。屈强比反映了材料承受外载能力的能力,屈强比愈小，结构零件的可靠性愈高。压力容器用材的屈强比一般为0.6~0.7。碳素钢的屈强比一般为0.6左右，低合金高强度钢为0.65~0.75，合金结构钢为0.85。4）要求压力容器材料具有良好的塑性，可以顺利地进行某些成型工艺，同时，良好的塑性使零件在使用时万一超载，能由于塑性变形使强度提高而避免突然袭击断裂。5一、选材原则5）由于冲击功AKV是金属材料各项机械性能标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材料脆性转变和断裂特性的重要指标，所以对压力容器用钢来说，尤其是低温压力容器冲击功是一项重要的性能指标。6）钢材要有良好的冶金质量。7）较好的成型性能和焊接性能。8）与受压元件相焊接的非受压元件用钢应是焊接性良好的钢材。6一、选材原则9）用于制造压力容器受压元件的焊接材料，应当保证焊缝金属的力学性能高于或等于母材规定的限制，当需要时，其他性能也不得低于母材的相应要求；10）压力容器受压元件用钢材使用温度上限：a)为标准各许用应力表中各钢号许用应力所对应的最高温度；b)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的石墨化倾向；c)奥氏体型钢材的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%。7一、选材原则3、选材一般原则1）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，以及其它由刚性或结构因素决定壁厚的场合。2）低合金高强钢用于介质腐蚀性不强，壁厚大于8mm的受压容器。3）珠光体耐热钢用于抗高温氢或硫化氢腐蚀或设计温度350℃~650℃的压力容器。4）不锈钢用于介质腐蚀性较高，防铁离子污染，或设计温度大于500℃或设计温度低于-100℃的容器。8一、选材原则5）不含稳定化元素且含碳量大于0.03%的奥氏体不锈钢需要经过焊接或400℃以上热加工时，不应以上热加工时，不应用于可能引起不锈钢晶间腐蚀的环境。6）在强大设计为主的场合，应根据使用条件依次选用Q235系列、Q245R、Q345R钢板。7）所需不锈钢厚度大于12mm时，应尽量采用复合、堆焊、衬里结构。9二、材料性能1、金属材料的性能：包括使用性能和制造工艺性能两个方面。1）使用性能——金属材料在使用条件下所表现的性能。它包括材料的力学性能和物理、化学性能。a)力学性能——是金属在外力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，或金属在外力作用时表现出来的性能。它是反映金属抵抗各种损伤作用能力的大小，是衡量金属材料使用性能的重要指标。力学性能指标主要包括强度、塑性、韧性、硬度和断裂力学等。10二、材料性能b)物理、化学性能——密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性、抗氧化性、耐腐蚀性等。2）制造工艺性能：材料承受各种冷、热加工的能力。a)冷加工：冷成型、切削性能等。达到规定的几何形状和尺寸，公差配合，表面粗糙度等的要求。b)热加工：压力加工性能（塑性变形）、焊接性能（连接）、热处理（性能潜力）等。11二、材料性能2、材料性能概念1）强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。a)抗拉强度(Rm):它表现材料在拉断前所能承受的最大应力值，超越此应力值材料就进入低应力破坏阶段，所以抗拉强度也表示材料抵抗断裂的能力,通过拉伸试验获得。b)屈服强度（ReL）：它表现材料发生塑性变形的最小应力,反映材料抗微量塑性变形的能力,通过拉伸试验获得。12二、材料性能2）塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形能力。常用的塑性判据是伸长率A。伸长率（A）：试样拉断后的伸长量与原长之比，表现材料被拉伸的程度，通过拉伸试验获得。3）韧性：金属在断裂前吸收变形能量的能力。判据是冲击功AKV。冲击功(AKV)：材料在受到外加冲击负荷的作用下,断裂时消耗的功除以试样缺口断面面积而得到的商值，即在规定温度下试样抵抗冲击载荷时所吸收的能量。通过冲击试验获得。13二、材料性能4)硬度(HB):材料表面抵抗较硬物体划刻或压入的能力。5)冷弯性能:用于衡量材料在室温时的塑性。6)蠕变:在规定温度及恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象。a)蠕变极限（Rn）：在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。b)持久强度（RD）：在给定的温度下,使材料经过规定时间发生断裂的应力,是材料在高温长期负荷作用下抵抗断裂的能力。14二、材料性能7)疲劳：材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积性损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。a)高周疲劳:材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经105以上循环次数而产生的疲劳。b)低周疲劳:材料在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下，经102～105塑性应变循环次数而产生的疲劳。c)热疲劳:温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳。15二、材料性能8）脆性转变温度TC：具有体心立方结构的金属都有冷脆性,随着温度的降低，断裂从韧性转变为脆性,这一转变温度称为脆性转变温度。9）断裂韧性KIC：第一类裂纹尖端应力强度因子的临界值,又称为平面应变条件下的断裂韧性。反映材料抵抗裂纹失稳扩展，即抵抗脆性断裂的能力。16二、材料性能3、影响金属材料性能的因素1）化学成分a)含碳量增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。b)合金元素各有不同的作用：Mn增加可提高强度（但应控制1.9%V、Ti、Nb等元素细化晶粒，提高韧性及材料致密度。Mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。Cr、Ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。17二、材料性能c)有害元素：P、S形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。2)组织结构奥氏体:强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁性。铁素体:强度硬度低，塑性韧性好。珠光体:性能介于铁素体与渗碳体之间。马氏体:具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。18二、材料性能3)晶粒度：常见1～8级。8级细小而均匀、综合力学性能好。4)状态供货:热轧、调质、正火状态供货，以正火状态组织性能最好。5)加工工艺对组织性能影响冷作变形会带来纤维组织、加工硬化及残余内应力。热变形会提高材料塑性变形能力及降低变形抗力。19二、材料性能6）温度对材料机械性能的影响a)材料的屈服极限、强度极限和弹性模量随温度的升高而降低。如果设备的操作温度较高，则必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的。b)低温情况下，通常塑性金属材料往往以脆性方式破坏。引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因素非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度，加工后的残余应力、结构缺陷以及材料的使用温度。以夏比v型缺口冲击试验来检验材料对脆性破坏的敏感性。c)不同的温度对应不同的许用应力。20二、材料性能4、金属材料耐腐蚀性能耐腐蚀性能是金属材料抵抗介质腐蚀的能力。压力容器中处理的介质大多数具有腐蚀性的，在设计中必须根据操作介质来选择耐腐蚀材料。引起材料腐蚀的因素多种多样，工程中常将常见的腐蚀情况分为：均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、磨蚀等。21二、材料性能1）均匀腐蚀均匀腐蚀是整个金属表面均匀地发生腐蚀，这种腐蚀相对其它形式的腐蚀其危害最小。GB150中C2只考虑均匀腐蚀C2=KB其中B—设计寿命(年)K—腐蚀速率(mm/年)22不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀Bmm/年0.050.05~0.130.13~0.25≥0.25C2mm0≥1≥2≥3二、材料性能2）应力腐蚀应力腐蚀是指金属在持久拉应力和腐蚀性环境联合作用下产生腐蚀裂纹,并使裂纹迅速扩展,从而可能出现的早期性破坏的腐蚀形式。几种常见的应力腐蚀环境:a）碳钢及低合金钢焊制容器对NaOH的应力腐蚀与介质浓度、温度有关。当超过以下范围的碳钢、低合金钢材料产生应力腐蚀。23NaOH溶液重量%23510152030405060温度上限℃90888576706554484340二、材料性能b）湿H2S应力腐蚀介质同时符合下列条件时，即为湿H2S应力腐蚀环境：①温度小于等于（60+2P）℃；P为压力，MPa②H2S分压大于等于0.00035MPa即相当于常温在水中H2S溶解度大于等于10p.p.m；③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；④PH＜9或有氰化物(HCN)存在。24二、材料性能C）液氨应力腐蚀环境当容器接触的液氨介质同时符合下列各项条件时，即为液氨应力腐蚀环境：①介质为液态氨，含水量不高（≤0.2%）,且有可能受空气(O2或CO2)污染的场合；②使用温度高于－5℃。d）奥氏体不锈钢材料在氯化物溶液、高温水、高浓度NaOH等介质往往产生应力腐蚀。对于应力腐蚀环境的容器除进行焊后消除应力热处理，在焊接要求、焊接接头硬度等方面都要提出具体要求。25二、材料性能3）氢腐蚀环境引起这种腐蚀有合成氨、合成甲醇、石油加氢等工业生产。设计温度大于等于200℃与氢气氛相接触的压力容器用钢应按纳尔逊曲线选材，并应留有20℃以上的温度安全裕度。满足于曲线的碳素钢和珠光体耐热钢在氢气氛中使用须经过焊后消除应力热处理。奥氏体不锈钢在氢分压范围的氢气中使用都是满意的，焊后也无必要进行消除应力热处理。26二、材料性能4）晶间腐蚀可能引起晶间腐蚀环境必须是存在电解质的电化学腐蚀环境，奥氏体不锈钢晶间腐蚀的电解质主要是酸性介质。如：工业醋酸、甲酸硝酸、草酸、盐酸、硫酸、磷酸等。防晶间腐蚀的措施：a）固熔化处理;b）降低钢中碳含量c）添加稳定碳化物的元素（Nb.Ti.Ni）27二、材料性能5、制造工艺性能压力容器应考虑的制造工艺性能有焊接性、锻造性、切削加工性、热处理性及冲压性等。1）对压力容器来说重要的是材料的焊接性,一般控制材料的含碳量小于0.25%。材料的含碳量越高，热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。2）应变硬化：在常温下钢材经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿变形最大的方向被伸长，晶格被扭曲，降低钢材的塑性和韧性，提高了钢材的抗变形能力，这种现象称为应变硬化或加工硬化。28二、材料性能3）热处理常用的热处理工艺：A，退火；N，正火；T，回火；Q，淬火；Q+T，调质。压力容器常用热处理有两类:产品热处理：焊后热处理、焊后消氢处理。原材料的热处理：恢复材料力学性能热处理、改善材料力学性能热处理、固溶处理。恢复材料力学性能热处理也可以与产品热处理合并进行。29三、常用材料1、压力容器材料标准1）钢板GB713锅炉和压力容器用钢板GB3531低温压力容器用低合金钢钢板GB19189压力容器用调质高强度钢板GB24511承压设备用不锈钢钢板及钢带NB/T47002.1压力容器用爆炸焊接复合板第1部分：不锈钢—钢复合板NB/T47002.2压力容器用爆炸焊接复合板第2部分：镍—钢复合板30三、常用材料1）钢板NB/T47002.3压力容器用爆炸焊接复合板第3部分：钛—钢复合板NB/T47002.4压力容器用爆炸焊接复合板第4部分：铜—钢复合板2）钢管GB/T8163输送流体用无缝钢管GB9948石