壓力容器材料2023/12/7壓力容器材料第1頁，共44頁。壓力容器設計結構設計合理選材時間、環(huán)境的劣化作用（充分考慮）應力分析σmax≤σspmax≤[p]壓力容器材料第2頁，共44頁?！?.1壓力容器材料3.1.1壓力容器常用鋼材3.1.2有色金屬和非金屬●3.2壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響3.2.1塑性變形3.2.2焊接本章主要內容3.2.3熱處理壓力容器材料第3頁，共44頁?！?.4壓力容器材料選擇3.4.1壓力容器用鋼的基本要求3.4.2壓力容器鋼材的選擇●3.3環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響3.3.1溫度3.3.2介質3.3.3加載速率壓力容器材料第4頁，共44頁。3.1

壓力容器材料3.1.1壓力容器常用鋼材3.1.2有色金屬和非金屬壓力容器材料第5頁，共44頁。鋼材a.按化學成分分碳素鋼合金鋼工業(yè)純鐵C%≤0.04%低碳鋼C%≤0.25%（建筑和結構構件用）中碳鋼C%=0.25%~0.6%容器用鍛件和螺栓高碳鋼C%＞0.6%低合金鋼：合金元素總含量≤5%中合金鋼：5%~10%高合金鋼：＞10%也可按合金元素種類及組合分為：錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鉬鋼壓力容器材料第6頁，共44頁。b.按品質分普通鋼P≤0.045%,S≤0.055%或P.S≤0.05%優(yōu)質鋼P.S≤0.04%，Cu≤0.030%高級優(yōu)質鋼P≤0.035%,S≤0.03%,Cu≤0.025%c.按冶金方式分按爐別分：平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼按脫氧程度和澆注制度分沸騰鋼:不脫氧，鋼錠內產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象C≤0.025%,Si≤0.07%鎮(zhèn)靜鋼：脫氧較完全半鎮(zhèn)靜鋼：介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間Si≤0.17%壓力容器材料第7頁，共44頁。d.按金相組織分退火狀態(tài)正火狀態(tài)無相變或部分相變亞共析鋼：鐵+珠共析鋼：珠過共析鋼：滲碳體+珠珠、貝、馬、奧鐵、奧、復相鋼e.按用途分結構鋼：建筑及工程用鋼、機械制造用鋼、彈簧鋼、軸承鋼、超高強度鋼工具鋼：碳素鋼、高速工具鋼、合金工具鋼（刃具、量具、模具）特殊性能鋼：不銹耐熱鋼、耐熱鋼、電熱合金、耐磨鋼、低溫用鋼、電工用鋼專業(yè)用鋼：船舶用鋼、橋梁用鋼、鋼軌鋼、壓力容器用鋼、鍋爐用鋼壓力容器材料第8頁，共44頁。鐵碳合金圖溫度含碳量723℃1534℃900℃1147℃0.82.064.36.67奧氏體鐵+珠珠+滲奧+滲鐵+奧液體液+奧液+滲滲+萊奧+滲+萊珠+滲+萊滲+萊鐵珠光體萊氏體壓力容器材料第9頁，共44頁。3.1.1壓力容器常用鋼材一、鋼材形狀主要是板、管材和鍛件（棒、絲、鑄件）（1）鋼板殼體、封頭、板狀構件等下料、卷板、沖壓、焊接、熱處理較高的強度、良好的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能主要用途：加工要求:性能要求：GB3531低溫壓力容器用低合金鋼鋼板GB6654壓力容器用鋼板壓力容器材料第10頁，共44頁。（2）鋼管接管、換熱管等無縫鋼管、直縫鋼管和螺旋焊縫鋼管下料、焊接、熱處理較高的強度、良好的塑性、韌性、焊接性能主要用途：主要類型：加工要求:性能要求：請比較各類鋼管的優(yōu)缺點壓力容器材料第11頁，共44頁。（3）鍛件高壓容器的平蓋、端部法蘭與長頸對焊法蘭等Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個級別。級別越高，要求檢驗項目越多，越嚴格，價格越高。主要用途：分級：僅需硬度檢測逐件超探、拉伸、沖擊試驗筒形、環(huán)形、餅形、碗形、長頸法蘭鍛件、條形、矩形壓力容器材料第12頁，共44頁。二、鋼板壓力容器材料第13頁，共44頁。1、碳素鋼板含碳量小于2.06％的鐵碳合金，含有少量的硫、磷、銅、氧、氮，以及硅、錳、鋁等元素。a.鋼號及標準優(yōu)質碳素結構鋼壓力容器專用鋼板Q235-B、Q235-C鋼板20R（R表示壓力容器專用鋼板）GB6654-1996強度低，塑性和可焊性較好，價格低廉；常用于常壓或中、低壓容器；也做墊板、支座等零部件材料。20R的特點和應用場合：GB912δ4mmGB3274δ>4mmp≤1.6MPa;t=0~350℃,δ≤20mm(殼體)，高毒勿用10、20鋼鋼管；20、35鋼鍛件。壓力容器材料第14頁，共44頁。2、低合金鋼板◆是一種低碳低合金鋼，合金元素含量較少（總量一般不超過3%），具有優(yōu)良的綜合力學性能，其強度、韌性、耐腐蝕性、低溫和高溫性能等均優(yōu)于相同含碳量的碳素鋼。特點及優(yōu)點◆采用低合金鋼，不僅可以減薄容器的壁厚，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗、運輸、安裝中因壁厚太厚所帶來的各種困難。壓力容器材料第15頁，共44頁。壓力容器常用低合金鋼：16MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR16Mn、09MnD;16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。（D表示低溫用鋼）鋼板鋼管鍛件壓力容器材料第16頁，共44頁。低合金鋼板（GB6654）鋼號生產(chǎn)情況使用情況備注16MnRδ=6-120mm多家生產(chǎn)大量采用-20~475℃σs=275~285MPa13MnNiMoNbR舞陽重點產(chǎn)品理想的單層厚板用鋼板-20~475℃σs=380~390MPa德國BHV35改進而成07MnCrMoVR武鋼：寬2600mm鞍山：寬3400mm球罐用鋼三峽閘門日本CF-62鋼改進而成，強度高，可焊性好，σs=490MPa18MnMoNbR盡量不用15MnVR已不普遍使用價格、生產(chǎn)、性能有問題15MnVNR已取消不用15MnNbR新增鋼種，相當日本SPV355σs≥350MPa，克服了16MnR兩大缺點：強度隨板厚增大而迅速減??；用于球罐強度不夠壓力容器材料第17頁，共44頁。3低溫用鋼板鋼號生產(chǎn)情況使用情況備注16MnDR重慶、武漢、舞陽、浦東四家大量使用-40~100℃σs=255~315MPa09MnNiDR武鋼、舞陽丙烯、硫化氫（L）儲罐-70℃~07MnNiCrMoVDR已有多家生產(chǎn)乙烯低溫球罐-40℃~490MPa15MnNiDR盡量少用09Mn2VDR已取消作為低溫容器用鋼壓力容器材料第18頁，共44頁。4中溫抗氫鋼板鋼號生產(chǎn)情況使用情況備注15CrMoR武漢、舞陽、重慶已得到較廣泛使用GB150-98GB6624-199655014Cr1MoR已有10年歷史GB150-98A2.312Cr2Mo1R已有10年歷史GB150-98附錄H壓力容器材料第19頁，共44頁。應用介紹1、16MnR◆屈服點為340MPa級的壓力容器專用鋼板◆是我國壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板◆具有良好的綜合力學性能、制造工藝性能◆主要用于制造中低壓壓力容器和多層高壓容器壓力容器材料第20頁，共44頁。應用介紹2、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR◆低溫壓力容器用鋼，工作在-20℃及更低溫度的壓力容器專用鋼板16MnDR可用于-40℃的鋼種液氨儲罐等設備（降低碳含量，并加鎳和微量釩）15MnNiDR提高了低溫韌性-40℃級低溫球形容器09MnNiDR-70℃級低溫壓力容器用鋼用于制造液丙烯（-47.7℃）、液硫化氫（-61℃）等設備壓力容器材料第21頁，共44頁。應用介紹3、15CrMoR◆低合金珠光體熱強鋼◆中溫抗氫鋼板◆用于制造壁溫不超過560℃的壓力容器壓力容器材料第22頁，共44頁。應用介紹4、20MnMo、09MnNiD、2.25Cr-1Mo鍛件20MnMo常制造使用溫度為-40～470℃的重要大中型鍛件良好的熱加工和焊接工藝性能09MnNiD良好的低溫韌性常制造使用溫度為-40～45℃的低溫容器較高的熱強性、抗氧化性和良好的焊接性能常制造高溫（350～480℃）、高壓（～25MPa）、臨氫壓力容器2.25Cr-1Mo壓力容器材料第23頁，共44頁。5不銹鋼板----高合金鋼板（GB150-98）壓力容器中采用的低碳或超低碳高合金鋼大多是耐腐蝕、耐高溫鋼鉻鋼鉻鎳鋼鉻鎳鉬鋼生產(chǎn)單位：太原、浦東壓力容器材料第24頁，共44頁。（1）鉻鋼但不耐硫酸、鹽酸、熱磷酸等介質的腐蝕0Cr13是常用的鐵素體不銹鋼有較高的強度、塑性、韌性和良好的切削加工性能在室溫的稀硝酸以及弱有機酸中有一定的耐腐蝕性壓力容器材料第25頁，共44頁。（2）鉻鎳鋼0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10這三種鋼均屬于奧氏體不銹鋼。但長期在水及蒸汽中工作時，0Cr18Ni9有晶間腐蝕傾向，并且在氯化物溶液中易發(fā)生應力腐蝕開裂。0Cr18Ni9在固溶態(tài)，具有良好的塑性、韌性、冷加工性，在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質中耐腐蝕性亦佳具有較高的抗晶間腐蝕能力，可在-196℃～600℃溫度范圍內長期使用。0Cr18Ni10Ti為超低碳不銹鋼，具有更好的耐蝕性。00Cr19Ni10（相當于SUS304）（相當于SUS304L，但比304L更好：加Ti提高了抗蝕性能，節(jié)約Ni）壓力容器材料第26頁，共44頁。（3）鉻鎳鉬鋼：耐應力腐蝕、小孔腐蝕的性能良好，適用于制造介質中含氯離子的設備。00Cr18Ni5Mo3Si2是奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼壓力容器材料第27頁，共44頁。不銹鋼復合板基層：與介質不接觸，主要起承載作用，通常為碳素鋼和低合金鋼。復層：與介質直接接觸，要求與介質有良好的相容性，通常為不銹鋼、鈦等耐腐蝕材料，其厚度一般為基層厚度的1/10~1/3。復合板應用特點：①用復合板制造耐腐蝕壓力容器，可大量節(jié)省貴重金屬，從而降低壓力容器的制造成本。②復合板的焊接比一般鋼板復雜，焊接接頭往往是耐腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，因此壁厚較薄、直徑小的壓力容器最好不用復合板。GB150-98采用：復合界面剪切強度不小于200MPa的復合板。標準：GB8165軋制法生產(chǎn)復合板；JB4733爆炸法生產(chǎn)復合板生產(chǎn)單位：四川宜賓6不銹鋼復合鋼板壓力容器材料第28頁，共44頁。三、鋼管標準：GB8163流體管GB8162結構管GB150-98鋼號：10、20G、16Mn、09MnD（江陰興澄）四、鍛件●標準：JB4726~JB4728-2000（為GB150-98采用）。使用：低溫、高溫、高壓場合優(yōu)點：熱加工性能和焊接性能良好。壓力容器材料第29頁，共44頁。

壓力容器零部件間焊接還需要焊條、焊絲、焊劑、電極和襯墊等焊接材料。一般應根據(jù)待連接件的化學成分、力學性能、焊接性能，結合壓力容器的結構特點和使用條件綜合考慮選用焊接材料，必要時還應通過試驗確定。壓力容器用鋼的焊接材料可參閱有關標準。五、焊接材料壓力容器材料第30頁，共44頁。3.1.2有色金屬和非金屬一、有色金屬使用狀態(tài)：在退火狀態(tài)下的強度比較穩(wěn)定，一般都在退火狀態(tài)下使用選用時應注意選擇同類有色金屬中的合適牌號壓力容器常用有色金屬：銅及其合金鋁及其合金鎳及鎳合金鈦及鈦合金壓力容器材料第31頁，共44頁。在沒有氧存在的情況下，銅在許多非氧化性酸中都是比較耐腐蝕的。但銅最有價值的性能是在低溫下保持較高的塑性及沖擊韌性，是制造深冷設備的良好材料。退火狀態(tài)下使用1、銅及其合金特性：尚無專門標準《容規(guī)》第17、18條，GB151-1999有相關內容壓力容器材料第32頁，共44頁。2、鋁及其合金特性：◆鋁很輕（密度約為鋼的三分之一），耐濃硝酸、醋酸、碳酸、氫銨、尿素等，不耐堿；◆在低溫下具有良好的塑性和韌性；◆使用溫度范圍為-269~200℃；壓力范圍為p≤8MPa◆有良好的成型和焊接性能。應用：可用來制作壓力較低的貯罐、塔、熱交換器，防止污染產(chǎn)品的設備及深冷設備標準：JB4734《鋁制鋼制焊接容器》，《容規(guī)》17、18條壓力容器材料第33頁，共44頁。3、鎳及鎳合金特性：在強腐蝕介質中比不銹鋼有更好的耐腐蝕性，比耐熱鋼有更好的抗高溫強度，最高使用溫度可達900℃。如蒙乃爾合金（一種鎳銅合金）應用：由于價格高，一般只用于制造特殊要求的壓力容器。標準：JB4741-474《壓力容器鎳銅合金管板鍛件》、《壓力容器用鎳銅合金》、《容規(guī)》17、21條壓力容器材料第34頁，共44頁。4、鈦及鈦合金特性：◆對中性、氧化性、弱還原性介質耐腐蝕，如濕氯氣、氯化鈉和次氯酸鹽等氯化物溶液；◆具有密度小（=4510kg/m3）、強度高（相當于20R）、低溫性能好、粘附力小等優(yōu)點；◆但單位質量價格高，比一般鋼材高20倍左右；◆使用溫度僅限于350℃以內。應用：在介質腐蝕性強、壽命長的設備中應用，可獲得較好的綜合經(jīng)濟效果。標準：JB4745《鈦制焊接容器》《容規(guī)》17、19條：退火狀態(tài)下使用，純鈦板的使用溫度不高于230℃，鈦合金不高于250

℃。壓力容器材料第35頁，共44頁。二、非金屬材料用途：它既可以單獨用作結構材料，也可用作金屬材料保護襯里或涂層,還可以用作設備的密封材料、保溫材料和耐火材料。壓力容器用非金屬材料要求：除要求有良好的耐腐蝕性外，還應有足夠的強度，好的熱穩(wěn)定性，良好的加工制造性能。缺點：大多數(shù)材料耐熱性不高，對溫度波動比較敏感，與金屬相比強度較低(除玻璃鋼外)。壓力容器材料第36頁，共44頁。壓力容器常用非金屬材料：涂料工程塑料不透性石墨搪瓷陶瓷壓力容器材料第37頁，共44頁。1、涂料涂料是一種有機高分子膠體的混合物，將其均勻地涂在容器表面上能形成完整而堅韌的薄膜，起耐腐蝕和保護作用。壓力容器材料第38頁，共44頁。熱固性塑料熱塑性塑料在一定溫度下可以變軟，而不發(fā)生化學變化，冷卻后又變硬，再加熱又軟化；Eg.如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等；可用作制造低壓容器的殼體、管道,也可用作密封元件、襯里等的材料。2、工程塑料壓力容器材料第39頁，共44頁。3、不透性石墨具有良好的化學穩(wěn)定性、導電性和導熱性，可用于制造熱交換器。4、陶瓷具有良好的耐腐蝕性能，且有一定的強度，被用來制造塔、貯槽、反應器和管件。壓力容器材料第40頁，共44頁。5、搪瓷◆搪瓷設備是由含硅量高的瓷釉