过程设备设计第三章教材.docx

 PAGE \* MERGEFORMAT 98 3 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 应力分析是压力容器选材和确定结构尺寸的基础，但应力分析本身并不能提高其安全性。决定压力容器安全性的内在因素是结构和材料性能，外在因素是载荷、时间和环境条件，材料是构成设备的物质基础，压力容器设计师必须掌握材料知识。合理选材是压力容器设计的基本任务之一，影响材料性能的因素很多，合理选材更依赖于定性分析和经验积累，往往是压力容器设计的难点。为使压力容器在全寿命周期内安全可靠地运行，设计师不但要了解原材料性能，而且要了解制造工艺、使用环境和时间对材料性能的影响规律。 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、???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。 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4800m