壓力容器用材

1、壓力容器用材3.3.1 溫度溫度3.3.2 介質(zhì)介質(zhì)3.3.3 加載速率加載速率2不同用途的壓力容器的工作溫度不同。不同用途的壓力容器的工作溫度不同。鋼材在鋼材在低溫低溫中溫中溫高溫高溫下，性能不同下，性能不同高溫下，鋼材性能往往與作用時(shí)間有關(guān)高溫下，鋼材性能往往與作用時(shí)間有關(guān)介紹幾種情況介紹幾種情況的影響的影響一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材力學(xué)性能二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材力學(xué)性能三、高溫下材料性能的劣化三、高溫下材料性能的劣化3一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響1、高溫下、高溫下圖

2、3-3 溫度對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響在溫度較高時(shí)，僅僅根據(jù)常溫在溫度較高時(shí)，僅僅根據(jù)常溫下材料抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)來決下材料抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)來決定許用應(yīng)力是不夠的，一般還定許用應(yīng)力是不夠的，一般還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服點(diǎn)。點(diǎn)。42、低溫下、低溫下 隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌性降低。當(dāng)溫度低于性降低。當(dāng)溫度低于20時(shí)，鋼材可采用時(shí)，鋼材可采用20時(shí)的許用應(yīng)時(shí)的許用應(yīng)力。力。 韌脆性轉(zhuǎn)變溫度韌脆性轉(zhuǎn)變溫度（或脆性轉(zhuǎn)變溫度）（或脆性轉(zhuǎn)變溫度）當(dāng)溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖擊吸收功大幅度當(dāng)溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖

3、擊吸收功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度常地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。5圖圖3-4 低碳鋼沖擊吸收功和溫度的關(guān)系曲線低碳鋼沖擊吸收功和溫度的關(guān)系曲線6低溫變脆的金屬：低溫變脆的金屬：具有體心立方晶格的金屬具有體心立方晶格的金屬如碳素鋼和低合金鋼如碳素鋼和低合金鋼低溫仍有很高韌性的金屬：低溫仍有很高韌性的金屬：面心立方晶格材料如銅、鋁和奧氏體不銹鋼，沖面心立方晶格材料如銅、鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有高的韌性。具有高的

4、韌性。78二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材性能二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材性能蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象在高溫和恒定載荷的作用下，金屬材料會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間而發(fā)展在高溫和恒定載荷的作用下，金屬材料會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間而發(fā)展的塑性變形，這種現(xiàn)象被稱為蠕變現(xiàn)象。蠕變發(fā)生的三要素：的塑性變形，這種現(xiàn)象被稱為蠕變現(xiàn)象。蠕變發(fā)生的三要素：高溫、應(yīng)力、時(shí)間。高溫、應(yīng)力、時(shí)間。碳素鋼碳素鋼420400-500oC低合金鋼低合金鋼一定的應(yīng)力作用一定的應(yīng)力作用發(fā)生蠕變發(fā)生蠕變?nèi)渥兊慕Y(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕蠕變的結(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。變變形和蠕變斷裂。因此因此,高溫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取

5、措施防止蠕變破壞發(fā)高溫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施防止蠕變破壞發(fā)生。生。蠕變的危害蠕變的危害91、蠕變曲線、蠕變曲線蠕變曲線三階段蠕變曲線三階段減速蠕變減速蠕變恒速蠕變恒速蠕變加速蠕變加速蠕變圖圖3-5 蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系一定溫度和一定應(yīng)力條件下一定溫度和一定應(yīng)力條件下10cd為蠕變的第三階段為蠕變的第三階段ab為蠕變的第一階段為蠕變的第一階段即蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低，因此也稱為蠕即蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低，因此也稱為蠕變的減速階段變的減速階段.bc為蠕變的第二階段為蠕變的第二階段在此階段，材料以接近恒定蠕變速率進(jìn)行變形，故也

6、稱為蠕變?cè)诖穗A段，材料以接近恒定蠕變速率進(jìn)行變形，故也稱為蠕變的恒速階段的恒速階段.在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。oa線段線段試樣加載后的瞬時(shí)應(yīng)變。試樣加載后的瞬時(shí)應(yīng)變。a點(diǎn)以后的線段點(diǎn)以后的線段從從a點(diǎn)開始隨時(shí)間增長(zhǎng)而產(chǎn)生的應(yīng)變才屬于蠕變。點(diǎn)開始隨時(shí)間增長(zhǎng)而產(chǎn)生的應(yīng)變才屬于蠕變。蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率。蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率。11對(duì)于同一材料，改變溫度或改變應(yīng)力，蠕變曲線都會(huì)不同：對(duì)于同一材料，改變溫度或改變應(yīng)力，蠕變曲線都會(huì)不同：當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時(shí)，第二階段的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至無第三階當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時(shí)

7、，第二階段的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，甚至無第三階段；段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，第二階段持續(xù)時(shí)間短，甚至完相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，第二階段持續(xù)時(shí)間短，甚至完全消失。全消失。122、蠕變極限與持久強(qiáng)度、蠕變極限與持久強(qiáng)度a、蠕變極限、蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷作用下，材料對(duì)變形的抗力。是高溫長(zhǎng)期載荷作用下，材料對(duì)變形的抗力。蠕變極限蠕變極限表示法表示法在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的第二在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的第二階段蠕變速率的應(yīng)力值階段蠕變速率的應(yīng)力值在給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一在給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定量的蠕變總伸長(zhǎng)率的應(yīng)力值（常用）定量的蠕變總伸長(zhǎng)率的應(yīng)力值（常用）b、

8、持久強(qiáng)度、持久強(qiáng)度在給定的溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生斷裂時(shí)構(gòu)件所能在給定的溫度下，經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生斷裂時(shí)構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力。承受的最大應(yīng)力。13考慮蠕變極限和持久強(qiáng)度的場(chǎng)合：考慮蠕變極限和持久強(qiáng)度的場(chǎng)合：蠕變極限適用于在高溫運(yùn)行中要嚴(yán)格控制變形的零件的設(shè)計(jì)，如渦輪葉片蠕變極限適用于在高溫運(yùn)行中要嚴(yán)格控制變形的零件的設(shè)計(jì)，如渦輪葉片高溫壓力容器設(shè)計(jì)中，不僅要防止過大的變形，而且要確保在規(guī)定條件下不會(huì)高溫壓力容器設(shè)計(jì)中，不僅要防止過大的變形，而且要確保在規(guī)定條件下不會(huì)蠕變?nèi)渥償嗔褦嗔?，往往同時(shí)用蠕變極限和持久強(qiáng)度來確定許用應(yīng)力。（蠕變極限常用第二，往往同時(shí)用蠕變極限和持久強(qiáng)度來確定許用應(yīng)力。

9、（蠕變極限常用第二種表示法，且一般規(guī)定時(shí)間為種表示法，且一般規(guī)定時(shí)間為105h，總伸長(zhǎng)率為，總伸長(zhǎng)率為1%；確定持久強(qiáng)度的時(shí)間為；確定持久強(qiáng)度的時(shí)間為105h。）。）溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變斷裂形式有顯著的影響溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變斷裂形式有顯著的影響在高應(yīng)力、較低的溫度時(shí)，斷裂后伸長(zhǎng)率較高，斷口呈韌性形態(tài)；在高應(yīng)力、較低的溫度時(shí)，斷裂后伸長(zhǎng)率較高，斷口呈韌性形態(tài)；而在應(yīng)力低、溫度高時(shí)，斷裂前塑性變形小，斷裂呈脆性，斷后伸長(zhǎng)率較而在應(yīng)力低、溫度高時(shí)，斷裂前塑性變形小，斷裂呈脆性，斷后伸長(zhǎng)率較低，縮頸很小，低，縮頸很小， 在晶體內(nèi)部常發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋。在晶體內(nèi)部常發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋。14松弛松弛在常溫下工作

10、的零件，在發(fā)生彈性變形后，如果變形在常溫下工作的零件，在發(fā)生彈性變形后，如果變形總量保持不變，則零件內(nèi)的應(yīng)力將保持不變。但在高總量保持不變，則零件內(nèi)的應(yīng)力將保持不變。但在高溫和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，如果變形總量保溫和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，如果變形總量保持不變，因蠕變而逐漸增加的塑性變形將逐步代替原持不變，因蠕變而逐漸增加的塑性變形將逐步代替原來的彈性變形，從而使零件內(nèi)的應(yīng)力逐漸降低，這種來的彈性變形，從而使零件內(nèi)的應(yīng)力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為松馳。現(xiàn)象稱為松馳。如高溫壓力容器中的連接螺栓，可能因松弛而引起容器泄如高溫壓力容器中的連接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。漏。15三、高溫下材

11、料性能的劣化三、高溫下材料性能的劣化在高溫下長(zhǎng)期工作的鋼材性能的劣化主要有：在高溫下長(zhǎng)期工作的鋼材性能的劣化主要有：蠕變脆化（前面已經(jīng)講了）蠕變脆化（前面已經(jīng)講了）珠光體球化珠光體球化石墨化石墨化回火脆化回火脆化氫腐蝕和氫脆氫腐蝕和氫脆16a、珠光體球化、珠光體球化危害：危害：使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降和持久極限下降例如，中度球化會(huì)使碳素鋼常溫強(qiáng)度下降例如，中度球化會(huì)使碳素鋼常溫強(qiáng)度下降10%-15%;10%-15%;嚴(yán)重球化時(shí)下嚴(yán)重球化時(shí)下20%-30%20%-30%。已發(fā)生球化的鋼材可采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來的

12、組織。已發(fā)生球化的鋼材可采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來的組織。17b、石墨化、石墨化危害：危害：使金屬發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑性降低，沖擊值降低得更多。使金屬發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑性降低，沖擊值降低得更多。 產(chǎn)生環(huán)境：產(chǎn)生環(huán)境：石墨現(xiàn)象只出現(xiàn)在一定的高溫范圍。對(duì)碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度石墨現(xiàn)象只出現(xiàn)在一定的高溫范圍。對(duì)碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度425oC以上長(zhǎng)期工作時(shí)都有可能發(fā)生石墨化。溫度升高，使石墨以上長(zhǎng)期工作時(shí)都有可能發(fā)生石墨化。溫度升高，使石墨化加劇，但溫度過高，非但不出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，反而使己生成的化加劇，但溫度過高，非但不出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，反而使己生成的石墨與鐵化合成滲碳體。石墨與鐵化合成滲碳體。預(yù)

13、防：預(yù)防：要阻止石墨化現(xiàn)象，可在鋼中加入與碳結(jié)合能力強(qiáng)的合金元素，如要阻止石墨化現(xiàn)象，可在鋼中加入與碳結(jié)合能力強(qiáng)的合金元素，如鉻、鈦、釩等，但硅、鋁、鎳等卻起促進(jìn)石墨化的作用。鉻、鈦、釩等，但硅、鋁、鎳等卻起促進(jìn)石墨化的作用。18c、回火脆化、回火脆化高溫臨氫設(shè)備常使用的高溫臨氫設(shè)備常使用的12Cr1MoV12Cr1MoV等鉻鉬鋼，長(zhǎng)期在等鉻鉬鋼，長(zhǎng)期在325-575325-575o oC C下下使用，或者從此溫度范圍緩慢冷卻，脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)升高，韌性使用，或者從此溫度范圍緩慢冷卻，脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)升高，韌性降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆化。降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆化。研究表明：研究表明：影響影響2.

14、25Cr-1Mo鋼回火脆化的主要因素為化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l鋼回火脆化的主要因素為化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件。件。P、Sb、Sn和和As等雜質(zhì)元素越多，奧氏體化溫度越高，等雜質(zhì)元素越多，奧氏體化溫度越高，2.25Cr-1Mo鋼對(duì)回火脆化越敏感。鋼對(duì)回火脆化越敏感。19d、氫腐蝕和氫脆、氫腐蝕和氫脆氫能引起材料多種類型的性質(zhì)劣化，但加氫反應(yīng)器等壓力容器中常氫能引起材料多種類型的性質(zhì)劣化，但加氫反應(yīng)器等壓力容器中常見的是氫腐蝕和氫脆。見的是氫腐蝕和氫脆。20d-1.d-1.氫腐蝕氫腐蝕 是指高溫高壓下氫與鋼中的碳形成甲烷的化學(xué)反應(yīng)，又稱為氫蝕。是指高溫高壓下氫與鋼中的碳形成甲烷的化學(xué)反應(yīng)，又稱為氫蝕。氫腐蝕

15、有兩氫腐蝕有兩種形式：種形式：一是和鋼表面的碳化合生成甲烷，引起鋼表面一是和鋼表面的碳化合生成甲烷，引起鋼表面脫碳，脫碳， 使力學(xué)性能惡化；使力學(xué)性能惡化；二是滲透到鋼內(nèi)部，與滲碳體反應(yīng)生成甲烷。二是滲透到鋼內(nèi)部，與滲碳體反應(yīng)生成甲烷。裂紋裂紋21一般情況下，碳素鋼在一般情況下，碳素鋼在200200以上的高壓氫環(huán)境中才會(huì)發(fā)生氫腐蝕。鋼以上的高壓氫環(huán)境中才會(huì)發(fā)生氫腐蝕。鋼 中加入鉻、釩、鈦、鎢等能形成穩(wěn)定碳化物的元素含量，可提高鋼抗氫中加入鉻、釩、鈦、鎢等能形成穩(wěn)定碳化物的元素含量，可提高鋼抗氫 腐蝕的能力。奧氏體不銹鋼可以很好地抵抗氫腐蝕。腐蝕的能力。奧氏體不銹鋼可以很好地抵抗氫腐蝕。目前，一

16、般按照目前，一般按照NesonNeson曲線選用抗氫用鋼。根據(jù)該曲線，碳素鋼在氫分曲線選用抗氫用鋼。根據(jù)該曲線，碳素鋼在氫分 壓小于壓小于3.45MPa3.45MPa時(shí)，允許的使用溫度約為時(shí)，允許的使用溫度約為250; 1.25Cr-0.5Mo250; 1.25Cr-0.5Mo鋼在氫鋼在氫 分壓小于分壓小于6.9MPa6.9MPa時(shí)的允許使用溫度大約為時(shí)的允許使用溫度大約為520520。影響氫腐蝕影響氫腐蝕的因素主要有：的因素主要有：溫度、溫度、氫分壓、氫分壓、時(shí)間、時(shí)間、合金成分、合金成分、應(yīng)力等應(yīng)力等22在高溫、高氫分壓環(huán)境下工作的壓力容器，在停車時(shí)，應(yīng)先降壓，保溫消在高溫、高氫分壓環(huán)境下

17、工作的壓力容器，在停車時(shí)，應(yīng)先降壓，保溫消氫（氫（200200以上）后，再降至常溫。切不可先降溫后降壓。以上）后，再降至常溫。切不可先降溫后降壓。d-2.d-2.氫脆氫脆指鋼因吸收氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象。指鋼因吸收氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象。氫的來源氫的來源內(nèi)部氫，指鋼在冶煉、焊接、酸洗等過程中吸收的氫；內(nèi)部氫，指鋼在冶煉、焊接、酸洗等過程中吸收的氫；外部氫，指鋼在氫環(huán)境中使用時(shí)所吸收的氫。外部氫，指鋼在氫環(huán)境中使用時(shí)所吸收的氫。23鋼材長(zhǎng)時(shí)間在高溫下，還會(huì)發(fā)生合金元素在固溶體和碳化物相鋼材長(zhǎng)時(shí)間在高溫下，還會(huì)發(fā)生合金元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配，那些對(duì)固溶體起強(qiáng)化作用的合金元素，如鉻、之

18、間的重新分配，那些對(duì)固溶體起強(qiáng)化作用的合金元素，如鉻、鉬、錳等，都會(huì)不斷脫溶，從而使材料高溫強(qiáng)度下降。鉬、錳等，都會(huì)不斷脫溶，從而使材料高溫強(qiáng)度下降。除低溫、高溫外，中子輻照也會(huì)引起材料輻照脆化。除低溫、高溫外，中子輻照也會(huì)引起材料輻照脆化。在設(shè)計(jì)階段，預(yù)測(cè)材料性能是否會(huì)在使用中劣化，并采取有效的防范措施，在設(shè)計(jì)階段，預(yù)測(cè)材料性能是否會(huì)在使用中劣化，并采取有效的防范措施，對(duì)提高壓力容器的安全性具有重要意義。對(duì)提高壓力容器的安全性具有重要意義。除以上除以上4種劣化外，還要注意：種劣化外，還要注意：24一、腐蝕概述一、腐蝕概述1、按腐蝕的機(jī)理來分、按腐蝕的機(jī)理來分金屬腐蝕分類：金屬腐蝕分類：電化學(xué)

19、腐蝕：形成微電池，有電流電化學(xué)腐蝕：形成微電池，有電流化學(xué)腐蝕：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，無電流化學(xué)腐蝕：發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，無電流晶間腐蝕：危害大晶間腐蝕：危害大 2、按金屬腐蝕的形勢(shì)來分、按金屬腐蝕的形勢(shì)來分全面腐蝕全面腐蝕局部腐蝕局部腐蝕小孔腐蝕小孔腐蝕縫隙腐蝕縫隙腐蝕應(yīng)力腐蝕：拉應(yīng)力特定腐蝕介質(zhì)應(yīng)力腐蝕：拉應(yīng)力特定腐蝕介質(zhì)對(duì)于埋地設(shè)備，還包括微生物腐蝕和電流干擾腐蝕，詳見鄭津洋等編著的鄭津洋等編著的長(zhǎng)輸長(zhǎng)輸管道安全管道安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)價(jià)和控制風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)價(jià)和控制，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，2004200425二、應(yīng)力腐蝕二、應(yīng)力腐蝕1、應(yīng)力腐蝕的特征、應(yīng)力腐蝕的特征三個(gè)三個(gè)階段階段孕育階段孕育階段

20、是逐步形成應(yīng)力腐蝕裂紋時(shí)期；是逐步形成應(yīng)力腐蝕裂紋時(shí)期；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，裂在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，裂紋緩慢擴(kuò)展；紋緩慢擴(kuò)展；裂紋失穩(wěn)階段裂紋失穩(wěn)階段最終發(fā)生的突然斷裂。最終發(fā)生的突然斷裂。斷裂前往往沒有明顯塑性變形，是突發(fā)性的，斷裂前往往沒有明顯塑性變形，是突發(fā)性的，因而很難預(yù)防，是一種危險(xiǎn)性很大的破壞形式。因而很難預(yù)防，是一種危險(xiǎn)性很大的破壞形式。值得注意的是第三階段不一定總會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵诘诙A段形成的裂紋有可能值得注意的是第三階段不一定總會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵诘诙A段形成的裂紋有可能使壓力容器泄漏，導(dǎo)致壓力（應(yīng)力）下降，而不出現(xiàn)第三階段，即發(fā)生未爆先使壓力容器泄漏，導(dǎo)致壓力（應(yīng)力）下降，而不出現(xiàn)第三階段，即發(fā)生未爆先漏（漏（Leak Before Break）。）。26應(yīng)力腐蝕開列的特征：應(yīng)力腐蝕開列的特征：a拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力b特定合金和介質(zhì)的組合特定合金和介質(zhì)的組合c一般為延遲脆性斷裂一般為延遲脆性斷裂272、常見的應(yīng)力腐蝕、常見的應(yīng)力腐蝕a. 堿