壓力容器的用材

1、3.3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響3. 壓力容器用材以及環(huán)境和 時間對其材料性能的影響MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS13.3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響3.3.1 溫度3.3.2 介質(zhì)3.3.3 加載速率23.3.1 溫度不同用途的壓力容器的工作溫度不同。鋼材在低溫中溫高溫下，性能不同高溫下，鋼材性能往往與作用時間有關(guān)介紹幾種情況的影響一、短期靜載下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響二、高溫、長期靜載下鋼材力學(xué)性能三、高溫下材料

2、性能的劣化3一、短期靜載下溫度對鋼材力學(xué)性能的影響1、高溫下圖3-3 溫度對低碳鋼力學(xué)性能的影響在溫度較高時，僅僅根據(jù)常溫下材料抗拉強度和屈服點來決定許用應(yīng)力是不夠的，一般還應(yīng)考慮設(shè)計溫度下材料的屈服點。42、低溫下 隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強度提高，而韌性降低。當(dāng)溫度低于20時，鋼材可采用20時的許用應(yīng)力。 韌脆性轉(zhuǎn)變溫度（或脆性轉(zhuǎn)變溫度）當(dāng)溫度低于某一界限時，鋼的沖擊吸收功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。5圖3-4 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：具有體心立方晶格的金屬如碳素鋼和低合金鋼低溫仍有很高韌性的金屬：面

3、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，在很低的溫度下仍具有高的韌性。78二、高溫、長期靜載下鋼材性能蠕變現(xiàn)象在高溫和恒定載荷的作用下，金屬材料會產(chǎn)生隨時間而發(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：高溫、應(yīng)力、時間。碳素鋼420400-500oC低合金鋼一定的應(yīng)力作用發(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、蠕變變形和蠕變斷裂。因此,高溫壓力容器設(shè)計時應(yīng)采取措施防止蠕變破壞發(fā)生。蠕變的危害91、蠕變曲線蠕變曲線三階段減速蠕變恒速蠕變加速蠕變圖3-5 蠕變應(yīng)變與時間的關(guān)系一定溫度和一定應(yīng)力條件下10cd為蠕變的第三階段ab為蠕變的第一階

4、段即蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時間的增長而逐漸降低，因此也稱為蠕變的減速階段.bc為蠕變的第二階段在此階段，材料以接近恒定蠕變速率進行變形，故也稱為蠕變的恒速階段.在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。oa線段試樣加載后的瞬時應(yīng)變。a點以后的線段從a點開始隨時間增長而產(chǎn)生的應(yīng)變才屬于蠕變。蠕變曲線上任一點的斜率表示該點的蠕變速率。11對于同一材料，改變溫度或改變應(yīng)力，蠕變曲線都會不同：當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時，第二階段的持續(xù)時間長，甚至無第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時，第二階段持續(xù)時間短，甚至完全消失。122、蠕變極限與持久強度a、蠕變極限是高溫長期載荷作用下，材料對變形的抗力。蠕變極

5、限表示法在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的第二階段蠕變速率的應(yīng)力值在給定溫度和規(guī)定時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定量的蠕變總伸長率的應(yīng)力值（常用）b、持久強度在給定的溫度下，經(jīng)過一定時間后發(fā)生斷裂時構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力。13考慮蠕變極限和持久強度的場合：蠕變極限適用于在高溫運行中要嚴(yán)格控制變形的零件的設(shè)計，如渦輪葉片高溫壓力容器設(shè)計中，不僅要防止過大的變形，而且要確保在規(guī)定條件下不會蠕變斷裂，往往同時用蠕變極限和持久強度來確定許用應(yīng)力。（蠕變極限常用第二種表示法，且一般規(guī)定時間為105h，總伸長率為1%；確定持久強度的時間為105h。）溫度和應(yīng)力對蠕變斷裂形式有顯著的影響在高應(yīng)力、較低的溫度時，斷裂后伸長

6、率較高，斷口呈韌性形態(tài)；而在應(yīng)力低、溫度高時，斷裂前塑性變形小，斷裂呈脆性，斷后伸長率較低，縮頸很小， 在晶體內(nèi)部常發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋。14松弛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。但在高溫和應(yīng)力作用下，隨著時間的增長，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。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。15三、高溫下材料性能的劣化在高溫下長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）珠光體球化石墨化回火脆化氫腐蝕和氫脆16a、珠光體球化危害：使材料

7、的屈服點、抗拉強度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降例如，中度球化會使碳素鋼常溫強度下降10%-15%;嚴(yán)重球化時下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)原來的組織。17b、石墨化危害：使金屬發(fā)生脆化，強度和塑性降低，沖擊值降低得更多。 產(chǎn)生環(huán)境：石墨現(xiàn)象只出現(xiàn)在一定的高溫范圍。對碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度425oC以上長期工作時都有可能發(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，反而使己生成的石墨與鐵化合成滲碳體。預(yù)防：要阻止石墨化現(xiàn)象，可在鋼中加入與碳結(jié)合能力強的合金元素，如鉻、鈦、釩等，但硅、鋁、鎳等卻起促進石墨化的作用。18c、回火脆化高溫臨

8、氫設(shè)備常使用的12Cr1MoV等鉻鉬鋼，長期在325-575oC下使用，或者從此溫度范圍緩慢冷卻，脆性轉(zhuǎn)變溫度會升高，韌性降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆化。研究表明：影響2.25Cr-1Mo鋼回火脆化的主要因素為化學(xué)成分和熱處理條件。P、Sb、Sn和As等雜質(zhì)元素越多，奧氏體化溫度越高，2.25Cr-1Mo鋼對回火脆化越敏感。19d、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)器等壓力容器中常見的是氫腐蝕和氫脆。20d-1.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。氫腐蝕有兩種形式：一是和鋼表面的碳化合生成甲烷，引起鋼表面脫碳， 使力學(xué)性能惡化；二是滲透到鋼內(nèi)部，與

9、滲碳體反應(yīng)生成甲烷。裂紋21一般情況下，碳素鋼在200以上的高壓氫環(huán)境中才會發(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 腐蝕的能力。奧氏體不銹鋼可以很好地抵抗氫腐蝕。目前，一般按照Neson曲線選用抗氫用鋼。根據(jù)該曲線，碳素鋼在氫分 壓小于3.45MPa時，允許的使用溫度約為250; 1.25Cr-0.5Mo鋼在氫 分壓小于6.9MPa時的允許使用溫度大約為520。影響氫腐蝕的因素主要有：溫度、氫分壓、時間、合金成分、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，應(yīng)先降壓，保溫消氫（200以上）后，再降至常溫。切不可先降溫后降壓。d-2.氫脆指鋼

10、因吸收氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象。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；外部氫，指鋼在氫環(huán)境中使用時所吸收的氫。23鋼材長時間在高溫下，還會發(fā)生合金元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配，那些對固溶體起強化作用的合金元素，如鉻、鉬、錳等，都會不斷脫溶，從而使材料高溫強度下降。除低溫、高溫外，中子輻照也會引起材料輻照脆化。在設(shè)計階段，預(yù)測材料性能是否會在使用中劣化，并采取有效的防范措施，對提高壓力容器的安全性具有重要意義。除以上4種劣化外，還要注意：243.3.2 介質(zhì)一、腐蝕概述1、按腐蝕的機理來分金屬腐蝕分類：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)，無電流晶間腐蝕：

11、危害大 2、按金屬腐蝕的形勢來分全面腐蝕局部腐蝕小孔腐蝕縫隙腐蝕應(yīng)力腐蝕：拉應(yīng)力特定腐蝕介質(zhì)對于埋地設(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長輸管道安全風(fēng)險辨識、評價和控制，化學(xué)工業(yè)出版社，200425二、應(yīng)力腐蝕1、應(yīng)力腐蝕的特征三個階段孕育階段是逐步形成應(yīng)力腐蝕裂紋時期；裂紋穩(wěn)定擴展階段在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，裂紋緩慢擴展；裂紋失穩(wěn)階段最終發(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，因而很難預(yù)防，是一種危險性很大的破壞形式。值得注意的是第三階段不一定總會發(fā)生，因為在第二階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)生未爆先漏（L

12、eak Before Break）。26應(yīng)力腐蝕開列的特征：a拉伸應(yīng)力b特定合金和介質(zhì)的組合c一般為延遲脆性斷裂272、常見的應(yīng)力腐蝕a. 堿溶液b.濕硫化氫c.液氨d. 硝酸鹽溶液有關(guān)選材、制造、檢驗的要求見HG20581“鋼制化工容器材料選用規(guī)定”283、應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施 一般從選材、設(shè)計、改善介質(zhì)條件和防護等幾個方面采取措施，預(yù)防應(yīng)力腐蝕引起的壓力容器失效。 a. 合理選擇材料 b.減少或消除殘余拉應(yīng)力c. 改善介質(zhì)條件 d. 涂層保護e. 合理設(shè)計293.3.3 加載速率加載速率的表示應(yīng)力速率（Pa/s）或應(yīng)變速率（1/s）通常，應(yīng)變速率在10 410-1s-1范圍內(nèi)，金屬材料的力學(xué)性能沒有明顯變化。當(dāng)應(yīng)變速率在10-1s-1以上時，它對鋼材力學(xué)性能有顯著的影響： 加載速率較高時，材料沒有充分的時間產(chǎn)生正常的滑移變形，從而使材料繼續(xù)處于一種彈性狀態(tài)，使屈服點隨