c1超高压容器用钢及典型结构.ppt

C1.1 超高压容器用钢 超高压容器除了要承受高温高压之外，还常常伴有重复载荷或冲击载荷，或腐蚀等，因此，为了确保超高压容器的安全使用，除了正确选择合理的设计准则及设计计算公式、安全系数及结构外，还必须正确合理地选用合适的结构材料。 选择超高压容器的结构材料主要应考虑：容器承受工作压力的大小、操作壁温、载荷性质、循环次数、工艺介质、结构特点等等。因此，作为超高压容器的用钢必须满足下列的基本要求：机械强度高，塑性韧性好，断裂韧性值高，疲劳强度高，可锻性、淬透性好。 超高压容器用钢的主要性能指标： (一)强度与塑性 选择超高压容器材料时，往往容易只从强度方面考虑，认为材料强度愈高愈好，或者通过热处理调质，把屈服强度、抗拉强度提得很高。但是，必须注意，材料的强度提高后，往往会使塑性和韧性降低，导致产生脆断的危险。因此，提高强度要有个极限，使屈强比在0.8～0.9的范围内，有时甚至要降低强度以满足塑性、韧性的要求，使材料有足够的韧性储备，以便于吸收局部的高峰值应力和抵抗冲击性载荷。 目前国内外锻造的单层超高压容器对塑性的设计要求为：延伸率δ5≥10％～15％(化学工业中要求δ5 ≥12％～15％)；断面收缩率φ≥35％，具体数据视操作条件、钢种、结构以及设计经验、习惯不同而异。 冲击韧性αK 对超高压容器的安全性有重要的意义。 首先是αK值能够最敏感地反映出金属材料内部的缺陷，偏析和晶粒度的影响。有严重缺陷(例如白点)的钢材，其αK值必然显著降低。因此，通过αK值可以检验钢材的完善程度 其次是具有较高的αK值，能使容器在低温下冷脆破坏可能减少。至于遇到载荷波动等冲击情况时，αK值的作用更大。 我国《超高压容器安全监察规程》要求材料的夏比(V型缺口)冲击功应≥34J。 (二)断裂韧性 表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。 当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大。 断裂韧性测试方法 测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值（KIC）。 超高压容器在制造加工和使用过程中，不可避免地会产生一些缺陷，由于缺陷的存在，难以预料的低应力脆断倾向便会增加，为了避免容器低应力脆断的发生，必须要求材料有较高的断裂韧性。一般情况下，随着强度的提高、温度的降低及加载速度的增加，金属的断裂韧性值将降低，这也说明了愈是高强度钢，在低温下和在动载荷下愈容易发生低应力脆性破坏。 根据对强度及断裂韧性的试验，发现不同的冶炼方法对材料强度的影响较小，而对断裂韧性却有较大的影响。在空气中冶炼的钢，其断裂韧性最差，而真空冶炼加电渣重溶或真空自耗电极重溶的钢其断裂韧性最高，因此选择材料时必须注意钢材的冶炼方法。通常要求材料的断裂韧性KIC≥120MPa／m1/2。 (三)疲劳强度 在超高压容器设计中，器壁应力水平较高，选择疲劳强度高的材料变得十分重要。 钢材中非金属夹杂物的含量以及磷、硫的含量，都会大幅度地降低材料的疲劳强度。因为在金属内的夹杂物处，正是大的应力集中点，交变应力时，这些应力集中点上最初以微小范围，然后以较大范围开始疲劳。 据推断，当钢材所含的夹杂物缺陷大于壁厚的3％时，将使其疲劳强度下降33％，对于椭圆形或球形夹杂物尤其应加以注意。更不允许有延伸型的夹杂物。因此，选择材料时，必须尽可能地减少夹杂物的含量，而采用真空冶炼则是减少夹杂物含量最有效的手段。 钢材中磷、硫含量对钢材的韧性及各向异性亦有显著的影响。对于AIS4340钢，若将其磷、硫含量减至0.02％以下，则可显著改善钢材的韧性及缩小各向异性的程度。在高强度钢中，夹杂物的数量越多，各向异性程度亦越大。 此外，钢中存在的化学成分的偏析也是构成各向异性的一个因素。因此，超高压容器锻件中的磷、硫含量应严格控制，均应≤0.015％。钢中的气体(如氢、氧、氮等)、有害杂质(如铜、钛等)及有害痕量元素，(如砷、锡、锑；铅、铋等)也应严格控制到尽可能地少。 二、材料的冶炼及热处理 (一)冶炼 由于不同的冶炼方法对超高压容器用钢的断裂韧性及疲劳强度有显著的影响，因此；目前超高压容器用钢大都采用新的冶炼方法，如真空冶金、喷射冶金、炉外精炼和电渣重溶等。甚至有的冶炼是几种方法的综合。 1．电炉(平炉)+真空铸锭 采用电炉或平炉初炼钢水，出钢后通过中间包注入真空室的钢锭中，在铸造过程中达到钢水的脱气处理。 重型锻件中出现白点主要是由氢引起，为了除去氢气，才引入真空脱