过程设备设计第三章

3.1 压力容器材料
3.1.1 压力容器常用钢材
（1）钢材分类 钢材的形状包括板、管、棒、丝、锻件、铸件等。压力容器本体主要采用板材、管材和 锻件，其紧固件采用棒材。 ①钢板 钢板是压力容器最常用的材料，如圆筒一般由钢板卷焊而成，封头一般由钢板 通过冲压或旋压制成。在制造过程中，钢板要经过各种冷热加工，如下料、卷板、焊接、热 处理等，因此，钢板应具有良好的加工工艺性能。 ②钢管 压力容器的接管、换热管等常用无缝钢管制造。当压力容器直径较小时，可采 用无缝钢管作为容器的筒体。 ③锻件 高压容器的平盖、 端部法兰、 中 （低） 压设备法兰、 接管法兰等常用锻件制造。 根据锻件检验项目和数量的不同，中国压力容器锻件标准将锻件分为 I、II、III、IV 四个级 别。例如，I 级锻件只需逐件检验硬度，而 IV 级锻件却要逐件进行超声检测，并进行拉伸 和冲击试验。由于检验项目的不同，同一材料锻件的价格随级别的提高而升高。钢材及锻件 的本质质量并不因检验项目的增加而改变。 （2） 钢材类型 压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。 ①碳素钢 又称碳钢，是含碳量 0.02%—2.11%（一般低于 1.35%）的铁碳合金。 压力容器用碳素钢主要有三类：第一类是碳素结构钢，如 Q235-B 和 Q235-C 钢板；第 二类是优质碳素结构钢，如 10,20 钢钢管，20、35 钢锻件；第三类是压力容器专用钢板，如 Q245R（R 读音为容，表示压力容器专用钢板） 、20G（G 读音为高，表示高压无缝钢管） 。 Q245R 是在 20 钢基础上发展起来的，主要是对硫、磷等有害元素的控制更加严格，对钢材 的表面质量和内部缺陷控制的要求也较高。 碳素钢强度较低， 塑性和可焊性较好， 价格低廉， 故常用于常压或中、低压容器的制造，也用作支座、垫板等零部件的材料。 ②低合金钢 低合金钢是在碳素钢基础上加入少量合金元素的合金钢。 合金元素的加入 使其在热轧或热处理状态下除具有高的强度外，还具有优良的韧性、焊接性能、成形性能和 耐腐蚀性能。采用低合金钢，不仅可以减小容器的厚度，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、安装中因厚度太大所带来的各种困难。
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压力容器常用的低合金钢，包括专用钢板 Q345R、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、 09MnNiDR、 07MnCrMoNbR、 07MnCrMoNbDR； 钢管 16Mn、 09MnD； 锻件 16Mn、 20MnMo、 16MnD、09MnNiD、12Cr2Mo。符号 D 表示低温用钢。 i.Q345R 是屈服强度为 340MPa 级的压力容器专用钢板， 也是中国压力容器行业使用量 最大的钢板， 它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能， 主要用于制造中低压压力容器和 多层高压容器。 ii.16MnDR、 15MnNiDR 和 09MnNiDR 三种钢板是使用温度低于等于-20℃的压力容器 专用钢板。16MnDR 是制造-40℃压力容器的经济而成熟的钢板，可用于制造液氨储罐等设 备。在 16MnDR 的基础上，降低碳含量并加镍和微量钒而研制成功的 15MnNiDR,提高了低 温韧性，常用于制造-40℃级低温球形容器。09MnNiDR 是一种-70℃级低温压力容器用钢， 用于制造液丙烯储罐（- 47.7℃） 、液硫化氢储罐（-61℃）等设备。 iii.15CrMoR 属低合金珠光体热强钢， 是中温抗氢钢板， 常用于设计温度不超过 550℃ 的压力容器。 iv.20MnMo 锻件有良好的热加工和焊接工艺性能， 常用于设计温度为-19~470℃的重要 大中型锻件。09MnNiD 锻件有优良的低温韧性，用于设计温度为-70~45℃的低温容器。 12Cr2Mo1 锻件及其加钒的改进型锻件（如 2. 25Cr-1Mo-0.25V）具有较高的热强性、抗 氧化性和良好的焊接性能，常用于制造高温（350~480℃）,高压（约 25MPa） ，临氢压力容 器，如大型煤液化装置和热壁加氢反应器。中国已将此钢用于制造直径达 4800mm 、重达 2100t 的煤液化加氢反应器。 ③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， 主要 有铬钢、铬镍钢和铬镍钼钢。除铬钢外，高合金钢具有良好的低温性能。 铬钢 0Cr13（S11306）是常用的铁素体不锈钢，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，但不耐硫酸、盐酸、热磷 酸等介质的腐蚀。 0Cr18Ni9（S30408） 、0Cr18Ni10Ti（S32168） 、00Cr19Ni10（S30403）这三种钢均属于 奥氏体不锈钢。0Cr18Ni9 在固溶态下具有良好的塑性、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。但长期在高温水及蒸汽环境下，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。0Cr18Ni10Ti 具有较高的抗晶间腐蚀能 力。 0Cr18Ni10Ti 与 0Cr18Ni9 可在-196~600℃温度范围内长期使用。00Cr19Ni10 为超低 碳不锈钢，具有更好的耐蚀性和低温性能。 00Cr18Ni5Mo3Si2(S21953) 是奥氏体一铁素体双相不锈钢， 兼有铁素体不锈钢的强度与 耐氯化物应力腐蚀能力和奥氏体不锈钢的韧性与焊接性。 除上述钢材外，耐腐蚀压力容器还采用复合板。复合板由复层和基层组成。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、有色金属等耐腐蚀材料，其厚度一 般为基层厚度的 1/10~1/3。 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。 采用复合板制造耐腐蚀压力容器， 可节省大量昂贵的耐腐蚀材料， 从而降低压力容器的制造 成本。但复合钢板的冷热加工及焊接通常比单层钢板复杂。 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。

3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响
在压力容器制造中。往往先将钢板进行冷或热压力加工，使它变成所要求的零件形状， 再通过焊接等方法将各零部件连接在一起，必要时还应进行热处理。因此，需要了解冷或热 压力加工产生的塑性变形及焊接和热处理对钢材性能的影响规律。
3.2.1 塑性变形
在载荷作用下，材料将发生变形。当载荷卸除后能够恢复的变形为弹性变形，载荷卸除 后不能够恢复的变形称为塑性变形或永久变形。 （1）应变强化 金属在常温或者低温下发生塑性变形后， 随塑性变形量增加， 其强度、 硬度提高， 塑性、 韧性下降的现象称为应变强化或加工硬化。 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。奥氏体不锈钢的 屈强比低，其许用应力由屈服强度决定。采用应变强化技术，可以显著提高奥氏体不锈钢的 许用应力，降低容器重量。这种强化技术特别适合于以薄膜应力为主、结构简单的容器。中 国、德国、美国、澳大利亚等国家已成功地将应变强化技术用于低温容器产品制造中。 （2）热加工和冷加工 按照金属材料塑性加工时是否完全消除加工硬化，可分为冷加工和热加工。冷、热加工 的分界限是金属的再结晶温度， 高于再结晶温度的加工为热加工或热变形， 低于再结晶温度 的加工为冷加工或冷变形。例如，纯 Fe 的再结晶温度为 451℃，其在 400℃进行的加工属于 冷加工。 热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现.但加工硬化很快被再结晶软化所抵消，变形 后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。 冷变形时的加工硬化使塑性降低， 每次的冷变形程序不宜过大。 如冷加工工件的变形率过大， 应于成形后进行退火或固溶处理，以恢复材料的性能。 钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。例如，钢板冲压成半球形封 头后。底部变薄，边缘增厚。在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。 爆炸加工不锈钢复合钢板在压力容器的使用逐渐增多。 爆炸加工金属复合板的过程， 是 在金属表面施加能量的过程。在爆炸高速脉冲作用下，复材向基材倾斜碰撞，在金属射流状 态下，复层金属与基层金属间形成锯齿状的复合界面，达到原子间的结合。经过爆炸加工后 的基材碳素钢或低合金钢，经受了一次应变硬化的加工过程，使抗拉强度上升(屈服强度变 化不明显)，塑性指标下降，经过爆炸加工的复层不锈钢的耐蚀性能会受到削弱。爆炸复合 不锈钢需要经过校平、 剪边或切割， 通常经热处理后供货。 热处理对改善基材力学性能有利， 但会削弱复层不锈钢的耐腐蚀性能。 此外， 当压力容器用爆炸不锈钢复合钢板的基材厚度超 过一定值时， 需要对其产品进行焊后热处理以改善焊接接头性能， 这不可避免地又会削弱复 层不锈钢的耐腐蚀性能。为缓解上述问题，可以选择含有较多镍元素(扩大奥氏体区域)的奥 氏体不锈钢， 并选择低碳或超低碳奥氏体不锈钢或含钛或铌稳定化元素的奥氏体不锈钢作为 复层材料。 （3）各向异性 金属发生塑性变形时， 不仅外形发生变化， 内部的晶粒也相应地被沿着变形方向拉长或
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3. 1.2 有色金属和非金属
（1）有色金属 有色金属在退火状态下塑性好， 综合指标均衡且性能稳定， 所以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。中国《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。 ①铜和铜合金 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。 ②铝和铝合金 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℃；其他牌号的铝和铝合金，其设计温度范围为-269~200℃。设计压力应不大于 16MPa。铝很轻（密度约为钢的 1/3） ，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， 可用来制作压力较低的储罐、 塔、 热交换器，防止铁污染产品的设备及深冷设备。 ③镍和镍合金 设计温度范围为-268~900℃。 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，由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。 ④钛和钛合金 设计温度不高于 315℃。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、黏附力小等优点。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。 （2）非金属材料 非金属材料具有耐蚀性好、 品种多、 资源丰富的优点， 在容器上也有着广阔的应用前景。 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。 非金属材料用于压力容器，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有一定的强度、抗老化性 和良好的加工制造性能。其缺点一般是:大多数非金属材料耐高温性能不佳，对温度波动比 较敏感，与金属相比强度较低(除玻璃钢外)。 压力容器中常用的非金属材料有以下几种。 ①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。 ②工程塑料 工程塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。 热塑性塑料的特点是加热软化， 冷却硬化，过程可逆，可反复进行。如聚乙烯(PE),聚氯乙烯〔PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、 改性聚苯乙烯(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。热固性塑料在第一次加热可以软化流动且为不可逆过程。 ③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。 ⑤搪瓷 搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过 900℃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。 需要指出，由于复合材料具有重量轻、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瓶、液化石油气储罐等产品。