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压力容器设计压力容器设计- -材料材料 (2) (2)本章主要内容●　　压力容器常用材料压力容器常用材料 ●　　加工工艺和环境对材料性能的影响加工工艺和环境对材料性能的影响 ●　　压力容器选材的基本原则压力容器选材的基本原则2、、 钢管钢管用于过程设备较高压力的流体输送，材料通常为用于过程设备较高压力的流体输送，材料通常为10、、20号钢 l根根据据用用途途和和材材质质，，有有多多个个无无缝缝钢钢管管标标准准，，对对所所使使用用的的无无缝缝钢钢管管，，应应 注明属于哪个标准过程设备常用无缝钢管标准：注明属于哪个标准过程设备常用无缝钢管标准： GB8163-87《《输送流体用无缝钢管》输送流体用无缝钢管》 GB9948-88《《石油裂化用无缝钢管》石油裂化用无缝钢管》 GB6479-86《《化肥设备用高压无缝钢管》化肥设备用高压无缝钢管》 l钢钢管管使使用用时时要要用用法法兰兰、、管管件件、、阀阀门门等等连连接接，，相相连连接接的的两两个个构构件件必必须须具具有相同的公称直径（有相同的公称直径（DN） eg：：DN200的钢管和法兰连接，钢管外径的钢管和法兰连接，钢管外径φ219，，法兰内直径法兰内直径φ220。

（2）焊接钢管 输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力的流体（输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力的流体（p<0.6Mpa））,材料材料可用可用Q235制造 3、、 锻件锻件（（1）根据锻件检验项目和数量的不同，锻件分为）根据锻件检验项目和数量的不同，锻件分为Ⅰ、、Ⅱ、、Ⅲ、、Ⅳ四个级别四个级别 （（2）需焊接的碳钢锻件，材料用）需焊接的碳钢锻件，材料用20号钢，不需焊接的碳钢号钢，不需焊接的碳钢锻件，材料用锻件，材料用35或或45号钢 （（3）压力容器上使用的锻件不得低于）压力容器上使用的锻件不得低于Ⅱ级，若锻件截面尺级，若锻件截面尺寸大于寸大于300mm，，或容器盛装高度或极度危害介质，且锻件或容器盛装高度或极度危害介质，且锻件截面尺寸达截面尺寸达50mm时，级别不得低于时，级别不得低于Ⅲ级 4、、 圆钢、型钢圆钢、型钢●用于制作支承件、加强圈等，圆钢还可用于制作小尺寸用于制作支承件、加强圈等，圆钢还可用于制作小尺寸的紧固件的紧固件●圆钢材料为圆钢材料为Q235-A、、20、、35号钢等，型钢材料多为号钢等，型钢材料多为Q235-A 钢材类型 按化学成分，压力容器用钢分为三类：按化学成分，压力容器用钢分为三类：1、碳素钢（、碳素钢（C%＜＜2.06%））● 普通碳素钢的普通碳素钢的Q235系列钢板和优质碳素钢均可用于制系列钢板和优质碳素钢均可用于制作压力容器作压力容器 2、低合金钢、低合金钢 在在优优质质碳碳素素钢钢的的基基础础上上，，加加入入一一种种或或多多种种合合金金元元素素（（合合金金元元素素总含量在总含量在3%以下），以提高钢的强度和改善综合性能。

以下），以提高钢的强度和改善综合性能 低合金钢是目前制造压力容器的主要钢材，其强度、韧性、耐低合金钢是目前制造压力容器的主要钢材，其强度、韧性、耐腐蚀性等均优于相同含碳量的碳素钢，能够减轻装备的重量，可腐蚀性等均优于相同含碳量的碳素钢，能够减轻装备的重量，可节省钢材节省钢材1/3—2/3 GB150—1998《《钢制压力容器》推荐适用的低合金钢板有：钢制压力容器》推荐适用的低合金钢板有：16MnR、、15MnVR、、15MnVNR、、18MnMoNbR、、13MnNiMoNbR、、07MnCrMoVR其中其中16MnR是是σs340Mpa级的普通低合金高强度钢，具有优良的力级的普通低合金高强度钢，具有优良的力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，是中国压力容器学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，是中国压力容器专用钢板中用量最大的钢种专用钢板中用量最大的钢种3、高合金钢（合金元素总含量大于、高合金钢（合金元素总含量大于10%）） 主要有铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等，如主要有铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等，如0Cr13、、0Cr18Ni9、、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐腐蚀和耐高温等特殊场合，如不等，主要用于耐腐蚀和耐高温等特殊场合，如不锈钢、耐热钢等。

锈钢、耐热钢等 *不不锈锈钢钢中中的的主主要要元元素素是是Cr、、Ni、、Mo、、Ti，，其其中中Cr、、Ni含含量量较较高 *不不锈锈钢钢的的耐耐蚀蚀性性主主要要来来源源于于Cr，，实实验验证证明明，，只只有有当当Cr的的含含量量大大于于12%时时钢钢的的耐耐蚀蚀性性才才会会大大幅幅度度地地提提高高，，所所以以不不锈锈钢钢中中Cr的的含量均不低于含量均不低于12% Ni可以扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高抗碱腐蚀的能力可以扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高抗碱腐蚀的能力 Mo能提高不锈钢抗氯离子腐蚀的能力，并提高钢的耐热强度能提高不锈钢抗氯离子腐蚀的能力，并提高钢的耐热强度 Ti是为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加入的元素是为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加入的元素 复合钢板及其应用复合钢板及其应用复合钢板复合钢板基层基层—碳素钢或低合金钢碳素钢或低合金钢复层复层—不锈钢或有色金属等不锈钢或有色金属等铜及铜合金的特点铝及铝合金的特点镍及镍合金的特点钛及钛合金的特点i有色金属和非金属有色金属和非金属有色金属和非金属有色金属和非金属非金属材料的优点：资源丰富、耐蚀性好、品种多、价格便宜。

非金属材料的优点：资源丰富、耐蚀性好、品种多、价格便宜缺点：机械强度较低，耐热性不好，对温度波动比较敏感缺点：机械强度较低，耐热性不好，对温度波动比较敏感 非金属材料通常用于承压不高的结构材料、金属保护村里或非金属材料通常用于承压不高的结构材料、金属保护村里或涂层、密封材料、保温材料、耐火材料等涂层、密封材料、保温材料、耐火材料等 §3-2§3-2 制造工艺对钢材性能的影响制造工艺对钢材性能的影响 一、一、塑性变形塑性变形1、冷、热加工、冷、热加工2、应变硬化、应变硬化（加工硬化）（加工硬化）3、各向异性、各向异性4、应变时效、应变时效二、焊接对钢材性能的影响二、焊接对钢材性能的影响焊缝区焊缝区熔合区熔合区过热区过热区正火区正火区部分正火区部分正火区热影响区热影响区杂质偏析在焊缝区形成焊接热裂纹杂质偏析在焊缝区形成焊接热裂纹2、焊接应力与变形、焊接应力与变形3、减小焊接应力与变形的措施、减小焊接应力与变形的措施①① 合理的焊接接头设计合理的焊接接头设计 焊焊接接接接头头形形式式、、焊焊接接坡坡口口设设计计、、焊焊缝缝的的间间距距和和位置布置等位置布置等 ②② 焊接方法和焊接工艺焊接方法和焊接工艺③③ 焊前预热和焊后热处理焊前预热和焊后热处理5、焊接接头检验、焊接接头检验破坏性检验破坏性检验非破坏性检验非破坏性检验整体整体试验试验试板试板外观外观检查检查密封密封检查检查无损无损检验检验射线、超声波、射线、超声波、磁粉、渗透、涡流等磁粉、渗透、涡流等三、热处理对钢材性能的影响三、热处理对钢材性能的影响1、消除残余应力、消除残余应力2、改善组织结构和力学性能、改善组织结构和力学性能《工程材料》《工程材料》§3-3§3-3 环境对压力容器用钢性能的影响温度温度材料的低温脆化材料的低温脆化一、温度高温下钢的特点高温下钢的特点蠕变温度蠕变温度碳素钢：碳素钢：420°C低合金钢：低合金钢：400~500 °C蠕变结果蠕变结果 蠕变脆化、应力松弛蠕变脆化、应力松弛 蠕变变形、蠕变断裂蠕变变形、蠕变断裂—蠕变蠕变 高温下材料性能的劣化高温下材料性能的劣化珠光体球化珠光体球化石墨化石墨化氢腐蚀和氢脆氢腐蚀和氢脆回火脆化回火脆化2、材料的耐腐蚀能力、材料的耐腐蚀能力 工程上常按腐蚀深度三级标准来评定金属耐均匀腐蚀的能力工程上常按腐蚀深度三级标准来评定金属耐均匀腐蚀的能力* 不能采用平均腐蚀速率来评价材料耐局部腐蚀的能力，不能采用平均腐蚀速率来评价材料耐局部腐蚀的能力，应采用防腐材料及相应的防护措施。

应采用防腐材料及相应的防护措施1、腐蚀的类型（按腐蚀机理）、腐蚀的类型（按腐蚀机理）① ① 全面腐蚀全面腐蚀 ② ② 局部腐蚀局部腐蚀 ● ● 晶间腐蚀晶间腐蚀 ● ● 小孔腐蚀小孔腐蚀 ● ● 缝隙腐蚀缝隙腐蚀③ ③ 应力腐蚀应力腐蚀二、介质二、介质§3-4§3-4 压力容器材料选择一、压力容器用钢的基本要求一、压力容器用钢的基本要求1、化学成分、化学成分（（C、、P、、S等）等）2、力学性能、力学性能（强度、刚度、（强度、刚度、塑性、韧性等）塑性、韧性等）3、制造工艺性能（机加、制造工艺性能（机加工性能、压力加工性能、工性能、压力加工性能、焊接性能、铸造性能、焊接性能、铸造性能、 热处理性能等）热处理性能等）二、压力容器钢材的选择原则二、压力容器钢材的选择原则 1、材料的使用性能、材料的使用性能①①分分析析构构件件的的工工作作条条件件（（P、、t、、介介质质等等）），，确确定定构构件件应应具具有的使用性能（强度、刚度、塑性、韧性等）有的使用性能（强度、刚度、塑性、韧性等） 。

②②通过失效分析，确定构件的主要使用性能通过失效分析，确定构件的主要使用性能③③从从构构件件主主要要使使用用性性能能要要求求出出发发，，提提出出对对材材料料使使用用性性能能的的要求 2、材料的加工工艺性能、材料的加工工艺性能 3、材料的经济性、材料的经济性 4、材料的选择应符合规范标准的要求、材料的选择应符合规范标准的要求 又称紫铜，具有较高的导电性、导热性和良好的塑性又称紫铜，具有较高的导电性、导热性和良好的塑性 纯铜纯铜特点特点低温下能保持较高的塑性和冲击韧性，低温下能保持较高的塑性和冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料是制造深冷设备的良好材料耐蚀性耐蚀性①① 在没有氧存在的情况下，在许多非氧化性酸中比较耐腐蚀在没有氧存在的情况下，在许多非氧化性酸中比较耐腐蚀②② 在氨和铵盐溶液中，当有氧存在时，由于生成可溶性的络离子，故不耐在氨和铵盐溶液中，当有氧存在时，由于生成可溶性的络离子，故不耐蚀所以在氨生产中使用的仪表、泵、阀门等均不能用铜制造所以在氨生产中使用的仪表、泵、阀门等均不能用铜制造③③ 铜在大气、水、中性盐及苛性碱中均相当稳定，但在氯、溴、二氧化硫、铜在大气、水、中性盐及苛性碱中均相当稳定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化氢等气体及潮湿大气中将会受到腐蚀。

硫化氢等气体及潮湿大气中将会受到腐蚀 具具有有较较高高的的机机械械性性能能，，价价格格较较便便宜宜，，可可用用于于制制作深冷设备筒体、管板、法作深冷设备筒体、管板、法兰及螺母等黄铜黄铜（铜（铜-锌合金）锌合金）青铜青铜1、锡青铜（铜、锡青铜（铜-锡合金）锡合金） 具有很高的耐蚀性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件具有很高的耐蚀性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件（如轴瓦、轴套、蜗轮等）和与酸、碱等腐蚀性介质接触的零件如轴瓦、轴套、蜗轮等）和与酸、碱等腐蚀性介质接触的零件古代的青铜器即是用锡青铜制造古代的青铜器即是用锡青铜制造2、无锡青铜（铜中加入铅、铝等其它元素）、无锡青铜（铜中加入铅、铝等其它元素） 强度好、耐蚀性好，价格低廉，常用于制造在蒸气和海水工强度好、耐蚀性好，价格低廉，常用于制造在蒸气和海水工作条件下的零件及受摩擦耐腐蚀零件作条件下的零件及受摩擦耐腐蚀零件特点特点特点特点密密度度小小、、重重量量轻轻（（ρ约约为为钢钢的的1/3）），，导导电电、、导导热热性性能能好好，，强强度度较较差差，，塑塑性性好好，，有有极极好好的的耐耐蚀蚀性性（（但但不不耐耐碱碱及及盐盐水水）），，可可用用于于制制作作储储罐罐、、塔塔、、热热交交换换器器等等设设备备，，也也可可用用于于制制作作防防止污染的设备和深冷设备。

止污染的设备和深冷设备 纯铝纯铝特点特点具具有有适适中中的的强强度度、、优优良良的的塑塑性性和和耐耐蚀蚀性性，，多多用用于于制制作作深深冷冷设设备备入入液液空空吸吸附附过过滤滤器器、、分馏塔等分馏塔等铝合金铝合金1、防锈铝（、防锈铝（LF）：）：Al-Mn、、Al-Mg合金合金强度较高，可用于制作深冷设备中的螺强度较高，可用于制作深冷设备中的螺栓及其它受力构件栓及其它受力构件 2、硬铝（、硬铝（LY）：）： Al-Cu-Mg合金合金特点特点特点特点耐耐蚀蚀性性、、耐耐磨磨性性和和硬硬度度都都很很高高，，但但价价格格很很贵贵，，很少用于制作压力容器很少用于制作压力容器纯镍纯镍特点特点具有很好的耐腐蚀性能和抗高温性能，但价具有很好的耐腐蚀性能和抗高温性能，但价格较高，一般只用于制造特殊要求的压力容格较高，一般只用于制造特殊要求的压力容器 镍合金镍合金（（Ni-Mn、、Ni-Cu合金）合金）特点特点①① 密度小、强度高密度小、强度高②② 工工作作温温度度范范围围宽宽，，可可在在-196-350℃范范围围内使用③③ 钛是具有强烈钝化倾向的金属，在氧化钛是具有强烈钝化倾向的金属，在氧化性和中性介质中具有优良的耐蚀性，特别性和中性介质中具有优良的耐蚀性，特别是钛不发生晶间腐蚀的特点。

是钛不发生晶间腐蚀的特点 纯钛纯钛特点特点（（1）钛合金可以承受锻造、冲压等压力加工钛合金可以承受锻造、冲压等压力加工2））钛钛合合金金的的焊焊接接应应在在惰惰性性气气体体的的保保护护下下或或在在真真空空中中进进行行，，以以防防止止氢氢、、 氮氮、、氧氧等等进进入入焊焊缝缝，，保护焊缝的塑性保护焊缝的塑性钛合金钛合金（（Ti-0.2Pd、、Ti-0.3Mo-0.8Ni合金）合金）特点特点。