低温压力容器吊耳的垫板材料选取疑问

低温压力容器吊耳的垫板材料选取疑问
低温压力容器吊耳的垫板材料是否必须和筒体材料相同？能否替代？
一般的应该和筒体材料一致，但应该是具体问题具体对待，主要考虑适用温度的范围，应该有一定的韧、塑性，使其本身以及与筒体的焊缝在低温下不易产生脆性缺口和裂纹。

至于吊装都是常温下操作，无需考虑
制造压力容器如何选用材料
默认分类 2009-09-26 17:36 阅读59 评论0
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压力容器的用途极广，工作条件也千差万别，因此在容器的设计过程中正确地选择材料是一件极为复杂而又特别重要的工作。

很多压力容器造成事故的重要原因之一就是选用材料不当。

例如，采用焊接性差的钢材焊制压力容器时，就容易在焊接接头中产生裂缝；有些镍铬不锈钢的压力容器，常因钢号或成分选用不当，在使用中发生晶间腐蚀、应力腐蚀等形式的破坏；选用铁素体钢制造低温压力容器时，如钢的转变温度高于容器的工作温度，则容器工作时就容易发生脆性破坏。

所以，在选择压力容器用钢时，必须根据容器的工作条件(如壁温、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等)选择具有合适力学性能、物理性能和耐腐蚀性能的材料，所选用的材料还必须考虑加工工艺的影响(可焊
性、是否便于加工)，并考虑其经济合理性及来源等情况。

对于压力容器的设计者，充分了解各种材料的性能(物理性能、力学性能等)以及影响材料性能的
各种因素是十分必要的。

一、材料的性能
1．力学性能
材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。

压力容器用
材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和韧性等。

(1)强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。

强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，是材料抵抗外力作用能力的标志。

常用的强度指标有屈服强度σs或σ0．2和抗拉强度σb，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。

另外，材料的屈强比(σs／σb)也是反映材料承载能力的一个指标，不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料，
其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。

(2)塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。

塑性指标主要有伸长率δ、断面收缩率φ、冲击韧性ak等。

用塑性好的材料制造容器，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。

作为化工容器用的钢，要求伸长率δ不
低于14％，冲击韧性ak在使用温度下不低于35J／cm2。

(3)韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。

韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak 表示。

Ak值或ak值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。

而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。

表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。

(4)硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。

硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。

最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、维氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。

而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。

因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑
性、强度和韧性等的一种综合性能指标。

材料力学性能的各因素之间是相互联系又相互制约的。

有些材料强度较高，但它的伸长率及冲击韧性却很低。

因此，选材时不能只看其单一的性能指标，而应对材料力学性能的诸因素作全面分析。

2．物理性能
在容器设计中，应注意到材料的物理性能。

例如，在计算容器的温差应力时，就要用到材料的线胀系数α；在设计换热器及计算容器外壳热损失时，还要用到材料的热导率入等。

因此，材料的使用场合不同，对材料物理性能亦有不同的要求。

主要的物理性能指标有密度ρ，热导率λ，比热容c，熔点tm，
线胀系数α，电阻率ρr，弹性模量E等。

常用钢材的物理性能见表2—1。

3．耐腐蚀性能
化工厂中经常处理有腐蚀性的介质，故设计化工容器时，在很多场合下，耐腐蚀性对材料的选择起决定性的作用。

材料的耐蚀程度会影响设备使用寿命、产品的质量，有时甚至影响化学反应的进行。

因此，考虑材料的耐蚀性是化工容器材料选择中的一个重要问题。

材料的腐蚀速度在工程上常用Ka(mm／a)来表示，材料腐蚀速度在1mm／a以下的，可认为能
用于化工容器。

有关材料的耐蚀性可在材料腐蚀和防腐手册中查得。

4．制造工艺性能
材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性及研磨、冲压性能、热处理性能等。

对
制造化工容器的钢材来说，焊接性能和压力加工性能就显得更为重要。

(1)可焊性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下能否获得优良焊接接头的性能。

一种金属，如果能用较普通又简便的焊接工艺获得优质接头，则认为这种金属具有良好的可焊性；反之，如果要用很复杂或特殊的焊接工艺才能获得优质接头，则认为它的可焊性差。

通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。

钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。

而其中影响最大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。

钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。

钢中含碳量增加，淬硬倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。

所以含碳量越高，可焊性越差。

所以，常把钢中含碳量的多少作为判别钢材可焊性的主要标志。

含碳量小于0．25％的碳钢和低合金钢，一般都具有良好的可焊性。

含碳量增加，大大增加焊接的裂纹倾向，所以，含碳量大于0．25％的钢材不应用于制造锅炉、压力容器。

在特殊条件下，
如选用含碳量超过0．25％的材料(有些低合金钢可焊性较差，必须采取特殊的焊接工艺)，必须得到设计单位总技术负责人批准。

制造单位应对这类材料进行焊接性能试验和焊接工艺评定，合格后，报省级以上锅
炉压力容器安全监察机构备案。

制造一般受压容器所用钢材的含碳量最好不大于0．25％。

(2)其他材料成型的主要方法是滚卷与冲压。

材料中的夹渣、气孔等缺陷易在加工过程中形成裂纹或微裂纹。

材料的冷作硬化性会降低塑性指标，而且会在受热时出现结晶粗化，降低强度。

一般材料
的残余变形超过3％时，需经退火处理。

5．价格与采源
设备成本的很大一部分决定于材料的价格。

因此，在选用材料时，应了解它们的价格。

如果将碳素钢板Q235-A的价格定为1，其余的板材相对价格大致有如下关系，16MnR为1．4、20R(20g)为1．
8、铬钢(1Cr13，2Cr13)为5．1、高合金钢0Cr18Ni10为14．1。

当然，采用价廉的材料不一定在经济上就是合理的，因为价贵的材料可能具有较好的性能，用
它可以制成器壁较薄而轻的容器，而且使用年限也比较长，经济效果更好。

分析材料的经济性不能仅看它们的价格，同时要看国家的资源情况。

应多用普通易取的材料，
少用昂贵稀缺的材料；多用国产材料，少用或不用进口材料。

二、影响材料性能的因素
影响材料性能的因素主要有冶炼方法、合金元素、制造工艺、操作温度、介质的腐蚀性等。

1．冶炼方法
炼钢过程是把生铁中含有的大量有害杂质元素，在氧化反应作用下转变成氧化物进入炉气和炉渣中排除生产较纯金属的过程，所以炼钢过程也是氧化过程。

根据冶炼方法和使用设备不同，可分平炉钢、转炉钢、电炉钢和坩埚钢。

按炼钢炉炉衬不同，还可分为酸性钢和碱性钢。

根据钢锭型式和脱氧情况，又
可分镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。

目前，压力容器主要用碱性平炉钢和碱性电炉钢。

由于碱性炉熔炼去磷能力很好，因此厚截面钢板一般都采用这种方法冶炼，使钢中磷含量降至最低。

另外，电炉操作时，可以倾倒放渣，不断地调整炉渣量，使易氧化的元素，如铬和锰等具有较高的回收率，可以获得硫化物和氧化物夹杂很低的高纯净钢。

其次，由于压力容器的操作压力和容器容积不断增加，特大型锻件的需要量也随之增多，这种锻件的压缩
变形较小，热处理后不易获得此钢种应能达到的力学性能，因此提高钢的纯度是特别重要的。

为了提高低合金钢的可焊性，消除白点和开裂，必须降低钢锭(尤其是大型锻件的钢锭)中的氢含量。

目前，一般采用真空除气技术降低氢含量，改善锻件(尤其是特大型锻件)的纯度。

除此而外，真空除气还能减少钢中的氧和氮含量。

减少含氧量也就是减少了脱氧剂的用量，使钢更加纯净。

经真空去气处理
的钢，因非金属夹杂物减少，改善了钢的疲劳特性。

2．合金元素
为了提高钢的力学性能，必须在钢中添加一些合金元素，其中最主要的有锰、硅、铬、镍、钼、钛、铌、钒、铝和铜等。

这些元素添加在钢中后，对钢的物理性能和力学性能影响很大。

根据元素加入量
多少和搭配关系，可以产生下述三种情况。

①强度与碳钢相同时，韧性大大提高。

②强度提高，韧性仍不低于碳钢。

③强度和韧性都提高。

(1)锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。

作为合金元素加入钢中的锰，能够提高钢的强度性能和奥式体钢的组织稳定性，截面较大的工件可以获得较均匀的
细化组织。

如锰含量增加到10％～15％时，可获得韧性和强度都好的奥式体钢，耐腐蚀性也很好，因此压力容器用碳素钢锰含量都很高。

锰的
不利影响是增加钢的过热敏感性和回火脆性。

锰是最便宜的合金元素，资源丰富，我国常用锰钢代替镍铬钢。

(2)硅通常钢中硅含量在0．2％～0．3％范围内。

如钢中硅的含量超过0．5％时，则认为硅是作为特殊的合金元素加人的。

硅能提高钢的强度、耐腐蚀性和耐热性。

硅含量高达15％～20％时，即高硅铸铁，具有特别好的耐酸腐蚀性能。

含硅钢在氧化气氛中加热时，表面形成一层SiO2，从而提高钢在高温时的抗氧化能力，因此在铬、铬铝、铬镍钢中加入一定量的合金元素硅，将增加这些钢的高温抗氧化能力。

锰钢加硅也能提高它的抗氧化性能，但含量过高时，钢表面脱碳倾向加剧。

硅易在钢中产生带状组织，从
而使钢材横向性能低于纵向性能，脆性转变温度升高，韧性和可焊性降低。

(3)铬能提高钢的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，铬钢具有良好的综合力学性能，经淬火回火处理的铬钢，铬元素一般不降低其韧性。

铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，钢中铬含量越高，其
抗腐蚀性能越好。

通常，不锈钢的铬含量高于13％。

由于铬能提高铬镍调质钢和高铬高碳钢的淬透性，因此冷却时要防止由组织应力而产生裂纹。

高铬钢(含铬量超过12％～14％时)的导热性能很差，在热加工加热时应注意缓慢地升温，并有足够的保温
匀热时间。

高铬钢在成型加工时，每次变形量要小些。

(4)镍能使钢具有很高的强度、塑性和韧性。

当镍含量少于20％时，其强度随镍含量增高而增加，塑性随镍含量增高而降低。

当镍含量高于20％时，强度逐渐降低，但塑性提高。

镍能提高钢的抗疲劳性能，减少钢对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度。

镍能够提高钢对大气、海水、酸(当镍含量超过15％～20％时，对硫酸、盐酸均有很高的耐腐蚀能力)、碱、盐等耐腐蚀性能。

镍对钢的耐腐蚀性能的影响，通常是使它与铬配合时才能充分地表现出来。

因为镍是形成奥氏体的合金元素，若在钢中只加入镍，而不加入铬，要使低碳镍钢获得纯的奥式体组织，只有镍含量超过24％时才能比较明显地提高钢的耐腐蚀性能。

若镍和铬配合加入钢中，如在铁素体铬不锈钢中加入少量的镍，使金相组织由单相铁素体变为奥氏体和铁素体双相组织，从而显著地提高钢的耐腐蚀性。

若对此钢进行热处理，则可提高强度。

铬钢中加人的镍元素多一些，奥氏体和铁素体双相组织就变为单相奥式体钢(Cr18Ni9)。

这种钢具有特别好的耐腐蚀性
能和良好的形变、焊接性能。

镍虽然属于稀贵金属，但是它是炼制高级合金钢的主要元素之一。

在腐蚀条件下工作的压力容器以及需要保持被处理物质不变质的储槽或装置(如食品工业用)，还应当用铬镍钢制造。

(5)钼主要使钢具有耐热性和很高的高温力学性能。

在结构钢中，钼的作用是消除回火脆性、细化晶粒，同时强烈提高钢的淬透性，使截面厚度较大的部件可以淬透、淬深。

在含有导致回火脆性的元素，如锰、铬等钢中加入钼，能防止和减少钢的回火脆性，提高冲击韧性。

在不锈钢中，加入钼后能进一
步提高钢对有机酸、过氧化氢、亚硫酸、硫酸、酸性染料、漂白粉等的耐腐蚀性能。

钼是较贵重的元素，用途也很广，因此钼钢(一般和铬配合使用)只能用于高温工作条件下的部件
或重要的大截面构件，如高温高压容器的受力部件。

(6)钛是最好的脱氧剂和除气剂。

若在钢中加入0．1％～0．2％的钛，可加强熔炼时钢的精练
作用，降低钢热处理的过热趋势。

钛能改善钢的热强性。

在碳素钢和低合金钢中加入钛，能提高持久极限和蠕变极限。

含铬量在4％～6％的铬钢中加入钛后，能提高高温时的抗氧化性能。

不锈耐酸钢中加入钛，能避免晶界贫铬，减少晶间腐蚀倾向，提高钢的耐腐蚀性能和韧性，抑制钢在高温时晶粒长大倾向，改善钢的焊接性能。

在锰钢中，加入少量的钛，能提高它的力学性能，特别是屈服极限；在铸钢中加入约0．2％的钛，可以细化铸态组织，
提高铸钢的强度和韧性。

(7)钒在钢中的主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性。

钒在高温溶入奥氏体时，能提高钢的淬透性。

相反，若以碳化物形态存在时，将降低钢的淬透
性。

其次钒能增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。

(8)钨其硬度和熔点都高，一般用来制造合金工具钢和高速钢。

钨能增加钢的回火稳定性、红硬性和热强性，如在结构钢中加入0．2％～0．4％的钨，便能防止热处理时晶粒长大和粗化，降低回火脆化倾向，显著地提高钢的强度和韧性。

在不锈钢中，如15A13MoWTi(钨含量为0．4％～0．6％)是一种不含铬镍的耐腐蚀钢，用于常压加热炉、裂化加热炉、减压加热炉、催化加热炉辐射段炉管和裂化分馏塔、
焦化分馏塔内构件等，耐腐蚀性能很好，优于0Cr13钢。

3．制造工艺
压力容器用的钢材，除极个别的采用铸件外，绝大多数都是经轧制、锻造、成型、焊接和热处理等加工后才投入使用的。

因此，了解加工过程对钢的综合性能影响，对正确选用材料是必不缺少的。

(1)轧制、锻造钢板轧制是在钢坯上进行的。

轧制钢材越厚，钢材(钢坯或钢锭)的压缩变形量越
小。

锻造也是在钢坯上进行的。

目前压力容器用锻件主要有两种，一种是芯棒锻造，另一种是环形轧制。

芯棒锻造是使锻件逐渐拔长和扩孔的加工过程；环形轧制如普通轧制一样，是连续加工的过程。

一般地说来，用环形轧制钢材与用芯棒锻造加工的钢材相比，其组织更为均匀，质量更好。

这个影响，对于
大型锻件尤为突出。

(2)焊接目前，绝大部分压力容器都是由基本零件如圆筒、封头、接管、支座等焊接而成，而基本零件也是由钢板、锻件等焊接制造的。

选择焊接容器材料时，可焊性是决定性的因素。

对于碳素钢，当含碳量低于0．25％时，其焊接性能很好，可以用各种焊接方法和工艺获得优质的焊缝接头，能够做到焊缝接头的金属性能与母材完全一样。

然而对于含碳量大于0．28％的碳素钢和合
金钢，其焊接性能就差得很远。

通常会在焊缝中产生气孔或在焊缝和热影响区产生裂纹。

冷裂是一种最危险的裂纹，能导致压力容器在液压试验时产生突然性破坏。

所以，必须采取一切可能的措施防止冷裂的产生。

就材料选择而言，首先应避免采用含碳量高于0．3％的碳钢或碳钼钢，以及含碳量超过0．2％的合
金钢。

此外，由于应力松弛而产生的裂纹也是焊接过程中常见的缺陷。

其产生的主要原因是焊接接头
设计不合理。

焊接对钢的耐腐蚀性能起着不良的影响。

一般有两个问题，一个是不稳定奥氏体铬镍钢的“焊缝蜕变”，另一个是奥氏体钢的应力腐蚀裂纹。

焊缝蜕变主要是由于18-8不锈钢熔化焊缝热影响区中晶内碳化物析出而引起的，此敏感区在酸性介质中易被腐蚀。

焊缝蜕变可以采用下述两种办法解决。

第一，把碳含量降到0．03％以下；第二，在钢中加入少量的钛和铌。

前者称超低碳钢，后者称稳定钢。

防止奥氏体不锈钢焊缝应力腐蚀裂纹的惟一方法是使这种材料不直接同含有氯化物或氢氧化钠的水相接触，或者在900～1000℃消除应力。

消除应力对于管子是可行的，而对于容器来说困难很大，有的根本办不到。

因此，
以防止与这些介质接触最为适宜。

4．腐蚀
有些压力容器常常要同强烈的腐蚀介质如酸、碱、盐、有机质溶液和腐蚀气体相接触，这些介质强烈地腐蚀容器材料，使容器寿命缩短。

同时，不少操作过程是
在高温、高压和高流速下进行的，这就加快了金属材料的腐蚀速率。

因此，设计容器时，必须根据具体操作情况，参考国内外同类型设备的使用
经验和选材准则，合理地选择材料。

除了介质腐蚀以外，压力容器经常碰到的、危害特别大的两种腐蚀分别为晶间腐蚀和应力腐蚀。

①晶间腐蚀主要出现在奥氏体不锈钢中。

防止其产生的措施有两个，其一为降低钢的含碳量，
其二为添加能够形成稳定碳化物的元素，如钛、铌等。

②应力腐蚀的产生主要是由于容器制造过程中产生的残余应力和工作应力。

表2—2为产生应力
腐蚀开裂的环境。

解决的办法有很多，可参看有关资料，此处不再赘述。

5．钢的氢破坏(氢脆)
氢破坏主要有局部裂纹(或氢鼓泡)和氢脆化两种形式。

对金属起破坏作用的主要是原子氢。

在金属材料中受原子氢侵入的条件很多，如酸腐蚀、阳极保护、与石油接触、在潮湿天气中焊接和电镀等都能在金属中产生原子氢，或者常受氢气作用的设备在一定的条件(即一定的压力和温度)下，也会发生严重的
氢破坏(腐蚀)。

提高钢材抗氢脆能力的方法如下。

①在钢中加入一些合金元素，如铬、钼、钨、钴、钒、铌等，形成稳定的碳化物，防止氢与钢
中的碳作用。

②降低钢中的碳含量，以减轻氢对碳的作用。

③控制容器壁温，使金属的温度低于氢脆的开始温度。

6．温度
温度对钢材性能的影响是非常复杂的。

在选择压力容器用钢材时，对温度的考虑主要从高、常、
低温三个层次考虑。

①对于高温容器，其材料的选择主要考虑强度和金相组织稳定性两个问题。

②对于常温容器，其材料的选择主要考虑保证常温使用寿命和避免产生脆性断裂。

③对于低温容器，主要考虑材料的低温脆性断裂。

三、材料的选用
1．一般原则
①选择压力容器用钢材必须考虑设备的操作条件(如设计压力、设计温度、介质的特性)、材料的
焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构等。

②选择压力容器用钢材必须在满足第①条的前提下，考虑经济合理性。

一般情况下，下列规定
是经济合理的。

a．所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳素钢钢板(多层
容器用材除外)。

b．在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。

在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235A、Q235B、20R(当20R供应有困难时，可采用20g)、16M
nR等钢板。

c．所需不锈钢厚度大于12mm时，应尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式。

d．不锈钢应尽量不用作设计温度小于等于500℃的耐热用钢。

e．珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于等于350℃的耐热用钢。

在必须使用珠光体耐热钢
作耐热或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种、规格。

③本条所列的各类钢材选用对象是设计的指导准则，通常情况下应予执行。

a．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，锻件、承压钢管、非
受压元件以及其他由刚性或结构因素决定壁厚的场合。

b．低合金高强度钢用于介质腐蚀性不强、壁厚较大(不小于8mm)的受压容器。

c．珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀，或设计温度在350～650℃的压力容器用耐热钢。

d．不锈钢用于介质腐蚀性较高(电化学腐蚀、化学腐蚀)、防铁离子污染、设计温度大于500℃
或设计温度小于～100℃的耐热或低温用钢。

e．不含稳定化元素，且含碳量大于0．03％的奥氏体不锈钢需经焊接或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。

④钢材应符合有关标准要求。

⑤用作设备法兰、管法兰、管件、人手孔、液面计等化工设备标准零部件的钢材，应符合有关
零部件的国家标准、行业标准对钢材的技术要求。

2．碳素钢
压力容器用碳素钢一般是含磷、硫杂质少，塑性好，焊接性能优异，抗冷脆性能高，时效倾向
小的镇静钢。

碳素钢是压力容器常用的材料，供应方便，价格低廉。