《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》課件-3.壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對(duì)其性能的影響

《過程設(shè)備設(shè)計(jì)》壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對(duì)其性能的影響壓力容器設(shè)計(jì)正確的設(shè)計(jì)計(jì)算（包括強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性）計(jì)算，將力學(xué)響應(yīng)限制在材料的許用范圍內(nèi)。合理的材料選擇（充分考慮）時(shí)間、環(huán)境的劣化作用壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對(duì)其性能的影響目錄3.1壓力容器材料3.2壓力容器制造工藝對(duì)鋼材性能的影響3.3環(huán)境對(duì)壓力容器用鋼性能的影響3.4壓力容器材料選擇目錄3.1.1壓力容器常用鋼材3.1.2有色金屬和非金屬壓力容器常用鋼材1一、鋼材形狀板、管、棒、絲、鍛件、鑄件等。壓力容器本體主要采用板材、管材和鍛件，其緊固件采用棒材。主要用途：殼體、封頭、板狀構(gòu)件等。加工工藝：下料、卷板、沖壓、焊接、熱處理。性能要求：較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性、冷彎性能和焊接性能。1、鋼板GB/T3531低溫壓力容器用低合金鋼鋼板GB/T713鍋爐和壓力容器用鋼板主要用途：接管、換熱管等。主要類型：無縫鋼管、直縫鋼管和螺旋焊縫鋼管。加工要求：下料、焊接、熱處理。性能要求：較高的強(qiáng)度、良好的塑性、韌性、焊接性能。2、鋼管請(qǐng)比較各類鋼管的優(yōu)缺點(diǎn)主要用途：高壓容器的平蓋、端部法蘭與長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭等。分級(jí)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別。級(jí)別越高,要求檢驗(yàn)項(xiàng)目越多，越嚴(yán)格，價(jià)格越高。3、鍛件請(qǐng)比較各類鋼管的優(yōu)缺點(diǎn)二、鋼材類型按化學(xué)成分分類碳素鋼高合金鋼低合金鋼含碳量0.02～2.11％(一般低于1.35％)的鐵碳合金。1、碳素鋼壓力容器用碳素鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼壓力容器專用鋼板Q235-B、Q235-C鋼板Q245R、20G（R表示壓力容器專用鋼板、G表示高壓無縫鋼管）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

10、20鋼鋼管；20、35鋼鍛件Q245R的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合強(qiáng)度低，塑性和可焊性較好，價(jià)格低廉；常用于常壓或中、低壓容器；也用作墊板、支座等零部件材料。Q245R碳素結(jié)構(gòu)鋼類鋼主要保證力學(xué)性能，故其牌號(hào)體現(xiàn)其力學(xué)性能。符號(hào)用Q+數(shù)字，其中“Q”為屈服強(qiáng)度“屈”字的漢語拼音字首，數(shù)字表示屈服強(qiáng)度的數(shù)值。例如，Q235表示屈服強(qiáng)度為235MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。若牌號(hào)后面標(biāo)注字母A、B、C、D，則表示鋼材質(zhì)量等級(jí)不同，即硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同。其中A級(jí)鋼中硫、磷含量最高，D級(jí)鋼中硫、磷含量最低。若在牌號(hào)后面還標(biāo)注字母“F”、“Z”、“TZ”等，則分別表示沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。特殊鎮(zhèn)靜鋼在冶煉時(shí)的脫氧程度最高，鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度中等，沸騰鋼脫氧程度最低。例如Q235AF表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。1、碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素鋼的牌號(hào)及命名優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示，例如，鋼號(hào)“20”即表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.20%（萬分之二十）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，若鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，則在鋼號(hào)后面加“Mn”，如15Mn、45Mn等。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼、特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼分別以A、E表示，優(yōu)質(zhì)鋼不用字母表示。保證淬透性用鋼用H表示。如45AH表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%的保證淬透性的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.65%~1.35%之間，鋼號(hào)用平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示，數(shù)字之前冠以“T”（“碳”的漢語拼音字頭）。例如，T9表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%（即千分之九）的碳素工具鋼。碳素工具鋼均為優(yōu)質(zhì)鋼，若含硫、磷更低，為高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼號(hào)后面標(biāo)注A字。例如，T12A表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。3、碳素工具鋼2、低合金鋼低合金鋼是在碳素鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素的合金鋼。合金元素的加入使其在熱軋或熱處理狀態(tài)下除具有高的強(qiáng)度外，還具有優(yōu)良的韌性、焊接性能、成形性能和耐腐蝕性能。采用低合金鋼，不僅可以減薄容器的壁厚，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝中因壁厚太大所帶來的各種困難。2、低合金鋼壓力容器常用低合金鋼鋼板鍛件Q345R、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR、07MnCrMoNbR、07MnCrMoNbDR16Mn、20MnMo、16MnD，09MnNiD、12Cr2Mo鋼管16Mn、09MnD屈服點(diǎn)為340MPa級(jí)的壓力容器專用鋼板是我國(guó)壓力容器行業(yè)使用量最大的鋼板具有良好的綜合力學(xué)性能、制造工藝性能主要用于制造中低壓壓力容器和多層高壓容器1、Q345R應(yīng)用介紹低溫壓力容器用鋼，工作在-20℃及更低溫度的壓力容器專用鋼板2、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR16MnDR可用于-40℃的鋼種液氨儲(chǔ)罐等設(shè)備（降低碳含量，并加鎳和微量釩）09MnNiDR-70℃級(jí)低溫壓力容器用鋼用于制造液丙烯（-47.7℃）、液硫化氫（-61℃）等設(shè)備15MnNiDR提高了低溫韌性-40℃級(jí)低溫球形容器3、15CrMoR低合金珠光體熱強(qiáng)鋼中溫抗氫鋼板用于制造壁溫不超過550℃的壓力容器4、20MnMo、09MnNiD、2.25Cr-1Mo-0.25V、SA508Ⅲ鍛件20MnMo良好的熱加工和焊接工藝性能。常制造使用溫度為-19～470℃的重要大中型鍛件。09MnNiD良好的低溫韌性。常制造使用溫度為-70～45℃的低溫容器。2.25Cr-1MoSA508Ⅲ較高的熱強(qiáng)性、抗氧化性和良好的焊接性能。常制造高溫（350～480℃）、高壓（≈25MPa）、臨氫壓力容器。較高的高溫強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度和良好的低溫性能，中子輻照引起的脆化傾向小。可在高溫、高壓流體沖刷和腐蝕，以及強(qiáng)烈中子輻照等惡劣條件下使用，常用于制造核壓力容器筒體、法蘭和封頭。3、高合金鋼壓力容器中采用的低碳或超低碳高合金鋼大多是耐腐蝕、耐高溫鋼。鉻鋼鉻鎳鋼鉻鎳鉬鋼0Cr13（S11306）有較高的強(qiáng)度、塑性、韌性和良好的切削加工性能是常用的鐵素體不銹鋼在室溫的稀硝酸以及弱有機(jī)酸中有一定的耐腐蝕性但不耐硫酸、鹽酸、熱磷酸等介質(zhì)的腐蝕1、鐵素體類不銹鋼：鉻鋼0Cr18Ni9（S30408)、0Cr18Ni10Ti（S32168)、00Cr19Ni10（S30403)這三種鋼均屬于奧氏體不銹鋼。2、奧氏體類不銹鋼：鉻鎳鋼0Cr18Ni9在固溶態(tài)，具有良好的塑性、韌性、冷加工性，在氧化性酸和大氣、水、蒸汽等介質(zhì)中耐腐蝕性亦佳。但長(zhǎng)期在水及蒸汽中工作時(shí)，0Cr18Ni9有晶間腐蝕傾向，并且在氯化物溶液中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。0Cr18Ni10Ti00Cr19Ni10具有較高的抗晶間腐蝕能力，可在-196℃～600℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。為超低碳不銹鋼，具有更好的耐蝕性。3、雙相不銹鋼：鉻鎳鉬鋼耐應(yīng)力腐蝕、小孔腐蝕的性能良好，適用于制造介質(zhì)中含氯離子的設(shè)備。00Cr18Ni5Mo3Si2（S21953)是奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼基層：與介質(zhì)不接觸，主要起承載作用，通常為碳素鋼和低合金鋼。復(fù)層：與介質(zhì)直接接觸，要求與介質(zhì)有良好的相容性，通常為不銹鋼、鈦等耐腐蝕材料，其厚度一般為基層厚度的1/10-1/3。復(fù)合板復(fù)合板應(yīng)用特點(diǎn)用復(fù)合板制造耐腐蝕壓力容器，可大量節(jié)省昂貴的耐腐蝕材料，從而降低壓力容器的制造成本。復(fù)合板的焊接比一般鋼板復(fù)雜，焊接接頭往往是耐腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)，因此壁厚較薄、直徑小的壓力容器最好不用復(fù)合板。壓力容器零部件間焊接還需要焊條、焊絲、焊劑、電極和襯墊等焊接材料。一般應(yīng)根據(jù)待連接件的化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接性能，結(jié)合壓力容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件綜合考慮選用焊接材料，必要時(shí)還應(yīng)通過試驗(yàn)確定。壓力容器用鋼的焊接材料可參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。焊接材料有色金屬和非金屬2一、有色金屬在退火狀態(tài)下的強(qiáng)度比較穩(wěn)定，所以一般都在退火狀態(tài)下使用。選用時(shí)應(yīng)注意選擇同類有色金屬中的合適牌號(hào)。使用狀態(tài)銅及其合金鎳及鎳合金鋁及其合金鈦及鈦合金壓力容器常用有色金屬純銅和黃銅的設(shè)計(jì)溫度不高于200℃。純銅的導(dǎo)熱率是壓力容器用各種金屬材料中最高的。在沒有氧存在的情況下，銅在許多非氧化性酸中都是比較耐腐蝕的。但銅最有價(jià)值的性能是在低溫下保持較高的塑性及沖擊韌性，是制造深冷設(shè)備的良好材料。1、銅及其合金2、鋁及其合金特性鋁很輕（密度約為鋼的三分之一），耐濃硝酸、醋酸、碳酸、氫銨、尿素等，不耐堿；在低溫下具有良好的塑性和韌性；有良好的成型和焊接性能。應(yīng)用可用來制作壓力較低的貯罐、塔、熱交換器，防止污染產(chǎn)品的設(shè)備及深冷設(shè)備。含鎂量大于或者等于3％的鋁合金（如5083、5086），其設(shè)計(jì)溫度范圍為-269℃～65℃；其他牌號(hào)的鋁和鋁合金，其設(shè)計(jì)溫度范圍為-269℃～200℃。設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不大于16MPa。3、鎳及鎳合金特性設(shè)計(jì)溫度范圍為-268~900℃，在強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中比不銹鋼有更好的耐腐蝕性，比耐熱鋼有更好的抗高溫強(qiáng)度。應(yīng)用由于價(jià)格高，一般只用于制造特殊要求的壓力容器。4、鈦及鈦合金特性對(duì)中性、氧化性、弱還原性介質(zhì)耐腐蝕，如濕氯氣、氯化鈉和次氯酸鹽等氯化物溶液；具有密度小（=4510kg/m3）、強(qiáng)度高（相當(dāng)于Q245R）、低溫性能好、粘附力小等優(yōu)點(diǎn)；但單位質(zhì)量?jī)r(jià)格高，比一般鋼材高20倍左右；應(yīng)用設(shè)計(jì)溫度不高于315℃。在介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)的設(shè)備中應(yīng)用，可獲得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效果。二、非金屬材料既可單獨(dú)用作結(jié)構(gòu)材料，也可用作金屬材料保護(hù)襯里或涂層,還可用作設(shè)備的密封材料、保溫材料和耐火材料。用途除要求有良好的耐腐蝕性外，還應(yīng)有一定的強(qiáng)度，抗老化性，良好的加工制造性能。壓力容器用非金屬材料要求缺點(diǎn)：大多數(shù)材料耐熱性不高，對(duì)溫度波動(dòng)比較敏感，與金屬相比強(qiáng)度較低(除玻璃鋼外)。涂料不透性石墨工程塑料搪瓷壓力容器常用非金屬材料陶瓷涂料是一種有機(jī)高分子膠體的混合物。將其均勻地涂在容器表面上能形成完整而堅(jiān)韌的薄膜，起耐腐蝕和保護(hù)作用。1、涂料2、工程塑料熱塑性塑料加熱軟化，冷卻硬化，過程可逆，可反復(fù)進(jìn)行。聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯(PTFE)、改性聚苯乙烯（ABS）等可用作制造低壓容器的殼體、管道,也可用作密封元件、襯里等的材料。熱固性塑料在第一次加熱時(shí)可軟化流動(dòng)且為不可逆過程。典型非金屬管道主要連接方式聚乙烯管電熔接頭熱熔接頭延時(shí)響應(yīng)聚乙烯吸收和散射聲波，頻散現(xiàn)象嚴(yán)重。響應(yīng)時(shí)差長(zhǎng)，銳度小，高噪聲下缺陷難檢測(cè)。時(shí)間t科學(xué)問題——延時(shí)性延時(shí)連接聚烯烴接頭強(qiáng)度需要分子鏈充分交纏。聚烯烴焊接接頭特有的冷焊缺陷難以表征和評(píng)定。t延時(shí)破壞時(shí)間、溫度、載荷對(duì)管道服役性能的影響機(jī)制復(fù)雜。聚烯烴及其復(fù)合管壽命預(yù)測(cè)困難。微秒宏觀微觀數(shù)秒數(shù)年浙江大學(xué)于2002年在國(guó)內(nèi)率先開展了聚烯烴及其復(fù)合管相關(guān)研究，攻克了設(shè)計(jì)制造、無損檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自主技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化與標(biāo)準(zhǔn)化，保障了惡劣工況用聚烯烴及其復(fù)合管道系統(tǒng)安全，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。3、不透性石墨良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，可用于制造熱交換器。5、陶瓷良好的耐腐蝕性能，一定的強(qiáng)度，被用來制造塔、貯槽、反應(yīng)器和管件。4、搪瓷搪瓷設(shè)備是由含硅量高的瓷釉通過9000C左右的高溫鍛燒，使瓷釉密著于金屬胎表面而制成的。具有優(yōu)良的耐蝕性，較好的耐磨性，廣泛用作耐腐蝕、不掛料的反應(yīng)罐、貯罐、塔和反應(yīng)器等。Akeycomponentinhydrogensupplysystemsoffuelcellvehicles(FCV)44復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的壓力容器材料，已用于制造天然氣氣瓶、液化石油氣儲(chǔ)罐等產(chǎn)品。中國(guó)Ⅲ型氫氣瓶發(fā)展歷程GB/T29126-2012《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)試驗(yàn)方法》40MPa、1.25L樣機(jī)GB/T34544-2017《小型燃料電池車用低壓儲(chǔ)氫裝置安全試驗(yàn)方法》GB/T35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》40MPa、74L樣機(jī)

70MPa、15L樣機(jī)35MPa、28L/74L/128L產(chǎn)品70MPa、74L2002年2005年2009年2010年2016年2017年局部/整體耐火性能預(yù)測(cè)疲勞壽命評(píng)估爆破壓力預(yù)測(cè)快充熱響應(yīng)機(jī)制研究是否可以使用境外牌號(hào)材料？討論可以，但應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)文件中充分說明其必要性和經(jīng)濟(jì)性。境外牌號(hào)材料應(yīng)當(dāng)是境外壓力容器現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范允許使用并且境外已經(jīng)有使用實(shí)例的材料，其使用范圍應(yīng)當(dāng)符合境外相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，其技術(shù)要求不得低于境內(nèi)相近牌號(hào)材料的技術(shù)要求。壓力容器材料的質(zhì)量如何控制？討論設(shè)采購(gòu)訂貨、驗(yàn)收入庫(kù)、材料保管、材料代用、材料發(fā)放和材料使用等6個(gè)控制環(huán)節(jié)。采購(gòu)訂貨采購(gòu)計(jì)劃審批、合格及供方確認(rèn)驗(yàn)收入庫(kù)質(zhì)量證明書審查、實(shí)物檢查、補(bǔ)項(xiàng)及復(fù)驗(yàn)、材料代號(hào)編制和標(biāo)記、材料入庫(kù)審查材料保管保管質(zhì)量檢查、標(biāo)記恢復(fù)確認(rèn)材料代用材料代用審批材料發(fā)放實(shí)物復(fù)核材料使用附加檢驗(yàn)、使用前復(fù)核、下料時(shí)標(biāo)記移植焊接材料應(yīng)建立材料驗(yàn)收、復(fù)驗(yàn)、保管、烘干、發(fā)放和回收制度。材料代用有什么規(guī)定？討論壓力容器制造單位對(duì)主要受壓元件的材料代用，原則上應(yīng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，并在竣工圖上做詳細(xì)記錄。代用材料的性能應(yīng)優(yōu)于被代用材料，如Q345R、Q245R、Q235系列鋼板；16Mn、10、20鍛件或鋼管的代用等。什么是壓力容器本體中的主要受壓元件？討論壓力容器本體中主要受壓元件包括殼體、封頭（端蓋）、膨脹節(jié)、設(shè)備法蘭、球罐的球殼板、換熱器的管板和換熱管，M36以上（含M36)的設(shè)備主螺栓以及公稱直徑大于等于250mm的接管和管法蘭。材料質(zhì)量證明書的內(nèi)容是什么？討論材料制造標(biāo)準(zhǔn)、牌號(hào)及規(guī)格、爐（批）號(hào)、國(guó)家安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)認(rèn)可標(biāo)志、材料生產(chǎn)單位名稱及檢驗(yàn)印鑒標(biāo)志、化學(xué)成分、力學(xué)性能等。目錄3.2.1塑性變形3.2.2焊接3.2.3熱處理壓力容器制造壓力容器制造工藝對(duì)鋼材性能的影響冷、熱加工焊接組對(duì)熱處理（必要時(shí)）需要了解冷或熱壓力加工造成的塑性變形以及焊接工藝和熱處理對(duì)鋼材性能的影響。塑性變形1塑性變形材料在載荷下的變形彈性變形（卸載后能夠恢復(fù)）塑性變形或永久變形（卸載后不能恢復(fù)）一、應(yīng)變強(qiáng)化二、熱加工和冷加工★三、各向異性四、本構(gòu)模型塑性變形對(duì)材料性能的影響一、應(yīng)變強(qiáng)化金屬在常溫或者低溫下發(fā)生塑性變形后，隨塑性變形量增加，其強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為應(yīng)變強(qiáng)化或加工硬化。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的塑性，在室溫下進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化處理，可以顯著提高其屈服強(qiáng)度。在深冷下強(qiáng)化時(shí)，效果尤為顯著。采用應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)，可顯著提高奧氏體不銹鋼的許用應(yīng)力，降低容器重量。二、熱加工和冷加工按金屬材料塑性加工時(shí)是否完全消除加工硬化，可分為冷加工和熱加工。冷、熱加工的分界是金屬的再結(jié)晶溫度。熱加工高于再結(jié)晶溫度。熱變形時(shí)加工硬化和再結(jié)晶現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)，但加工硬化被再結(jié)晶消除，變形后具有再結(jié)晶組織，因而無加工硬化現(xiàn)象。冷加工低于再結(jié)晶溫度。冷變形中無再結(jié)晶出現(xiàn)，因而有加工硬化現(xiàn)象。由于冷變形時(shí)有加工硬化現(xiàn)象，塑性降低，每次的冷變形程度不宜過大，否則，變形金屬將產(chǎn)生斷裂破壞。鋼板沖壓成各種封頭后，由于塑性變形，厚度會(huì)發(fā)生變化。例如，鋼板沖壓成半球形封頭后，底部變薄，邊緣增厚。在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意這種厚度的變化。三、各向異性因勢(shì)利導(dǎo)纖維組織的穩(wěn)定性高，不能用熱處理方法加以消除。壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使零件在工作時(shí)產(chǎn)生的最大正應(yīng)力與纖維方向重合，最大切應(yīng)力方向與纖維方向垂直。非金屬夾雜物熱加工呈纖維狀金屬材料力學(xué)性能產(chǎn)生方向性平行纖維組織方向的強(qiáng)度、塑性和韌性提高垂直方向的塑性和韌性降低變形越大，性能差異越明顯纖維組織金屬再結(jié)晶帶狀組織第二項(xiàng)合金四、本構(gòu)模型常用本構(gòu)模型雙線性模型冪指數(shù)模型Ramberg-Osgood模型本構(gòu)模型是一種用數(shù)學(xué)形式來描述材料在不同條件下變形過程中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的方法。它是壓力容器彈塑性分析的重要基礎(chǔ)。常用的本構(gòu)模型有：a、雙線性模型b、冪指數(shù)模型C、R-O模型n─硬化系數(shù)；

Rp0.2─規(guī)定塑性延伸率0.2%時(shí)的應(yīng)力，MPa。k─強(qiáng)度因子，MPa;m─硬化指數(shù)。E─楊氏彈性模量，MPa；ET─塑性段的切線模量，MPa；σ─應(yīng)力，MPa；ε─應(yīng)變。焊接2焊接是壓力容器制造過程的重要環(huán)節(jié)和質(zhì)量必須得到保證的環(huán)節(jié)。焊接方法熔焊釬焊壓焊壓力容器制造中應(yīng)用最廣熔焊機(jī)理融化的母材填充金屬熔池冷卻結(jié)晶后形成牢固的原子間結(jié)合，使待連接件成為一體焊接接頭加熱至熔化一、焊接接頭的組織和性能焊接接頭組成焊縫熱影響區(qū)熔合區(qū)由熔池的液態(tài)金屬凝固結(jié)晶而成，通常由填充金屬和部分母材金屬組成。因結(jié)晶是從熔池邊緣的半熔化區(qū)開始的，低熔點(diǎn)的硫磷雜質(zhì)和氧化鐵等易偏析集中在焊縫中心區(qū)，影響焊縫的力學(xué)性能。1、焊縫組織：熔合區(qū)的加熱溫度在合金的固相和液相線之間，其化學(xué)成分和組織性能有很大的不均勻性。性能：塑性差、強(qiáng)度低、脆性大、易產(chǎn)生焊接裂紋，是焊接接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。2、熔合區(qū)焊接接頭中，焊縫向熱影響區(qū)過渡的區(qū)域。組織及性能：在熱影響區(qū)內(nèi)，各處離開焊縫金屬距離不同，材料被加熱和冷卻速度也不同，從而形成了多種金相組織區(qū)，使其力學(xué)性能也不同。以低碳鋼為例加以說明熱影響區(qū)的各個(gè)金相組織區(qū)：3、熱影響區(qū)是焊縫兩側(cè)母材因焊接熱作用（但未熔化）而發(fā)生金相組織和力學(xué)性能變化的區(qū)域。過熱區(qū)：對(duì)于焊接剛度大的結(jié)構(gòu)或含碳量高的易淬火鋼，常在此區(qū)產(chǎn)生裂紋正火區(qū)：焊接接頭中組織和性能最好的區(qū)域部分正火區(qū)：力學(xué)性能不均勻二、焊接應(yīng)力與變形接頭組織和性能的不均勻焊接應(yīng)力和應(yīng)變焊接焊接件產(chǎn)生溫度梯度焊接應(yīng)力和變形：分別是指焊接過程中焊件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。焊接殘余應(yīng)力：焊后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力，它是沒有外載荷作用時(shí)就存在的應(yīng)力焊接殘余應(yīng)力局部區(qū)域應(yīng)力過高，使結(jié)構(gòu)承載能力下降，引起裂紋，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效與外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力疊加焊接變形的危害：焊接變形使焊件形狀和尺寸發(fā)生變化，需要進(jìn)行矯形。變形過大會(huì)因無法矯形而報(bào)廢。由于焊縫和近焊縫區(qū)的熱變形受到約束，會(huì)產(chǎn)生焊接殘余變形。如果在焊接過程中，焊件能較自由伸縮，則：焊后的變形較大而焊接應(yīng)力?。环粗?，變形小，焊接應(yīng)力大。此外，焊接前壓力容器成形不符合要求，例如筒體的不圓度，也會(huì)產(chǎn)生焊接裝配應(yīng)力，使局部區(qū)域應(yīng)力升高。平板對(duì)接焊縫焊接殘余應(yīng)力分布見下圖所示。三、減少焊接應(yīng)力和變形的措施設(shè)計(jì)焊接工藝措施盡量減少焊接接頭數(shù)量相鄰焊縫間應(yīng)保持足夠的間距盡可能避免交叉，避免出現(xiàn)十字焊縫焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)焊前預(yù)熱等等當(dāng)焊接造成的殘余應(yīng)力會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行時(shí)，還需設(shè)法消除焊接殘余應(yīng)力。四、焊接接頭常見缺陷圖3-3常見焊接缺陷a、裂紋形成：在焊接應(yīng)力及其它致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的縫隙。特點(diǎn)：它具有尖銳的裂端和大的長(zhǎng)寬比。位置：裂紋多數(shù)發(fā)生在焊縫中，也有的產(chǎn)生在焊縫熱影響區(qū)。危害：裂紋是焊接接頭中最危險(xiǎn)的缺陷，壓力容器的破壞事故多數(shù)是由裂紋引起的。根據(jù)裂紋的形成條件、時(shí)間和溫度的不同，焊接裂紋一般可分為：熱裂紋再熱裂紋冷裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋層狀撕裂b、夾渣定義：殘留在焊縫金屬中的熔渣稱為夾渣。危害：因夾渣的幾何形狀不規(guī)則，存在棱角或尖角，易造成應(yīng)力集中，它往往是裂紋的起源，過長(zhǎng)和密集的夾渣是不允許存在的。c、未焊透定義：焊接接頭根部未完全熔透而留下空隙的現(xiàn)象稱為未焊透。危害：它減少了焊縫的有效承載面積，在根部處產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易引起裂紋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。d、未熔合定義：對(duì)于厚截面結(jié)構(gòu)，熔焊時(shí)需要多道焊接。焊道與母材之間，或焊道與焊道之間，未能完全熔化結(jié)合的部分稱為未熔合。危害：它類似于裂紋，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，是危險(xiǎn)缺陷。e、焊瘤定義：是焊接過程中，熔化金屬流到焊縫以外未熔化的母材上所形成的金屬堆積。危害：易造成應(yīng)力集中，并在下面伴隨著未熔合、未焊透等缺陷。f、氣孔定義：是焊接過程中，熔池金屬中的氣體在金屬凝固時(shí)未來得及逸出，而在焊縫金屬中殘留下來所形成的孔穴。危害：它在一定程度上減少了焊縫的承載面積，但由于沒有尖銳的邊緣，危害性相對(duì)較小。g、咬邊定義：沿著焊趾的母材部位產(chǎn)生的凹陷或構(gòu)槽，稱為咬邊。危害：它不僅會(huì)減少母材的承載面積，還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，危害較為嚴(yán)重，較深時(shí)應(yīng)予消除。五、焊接接頭檢查破壞性檢查非破壞性檢查外觀檢查密封性檢驗(yàn)無損檢測(cè)直觀檢驗(yàn)量具檢驗(yàn)射線透照檢測(cè)超聲檢測(cè)表面檢測(cè)磁粉檢測(cè)滲透檢測(cè)渦流檢測(cè)測(cè)內(nèi)部缺陷測(cè)表面和近表面缺陷設(shè)計(jì)中要給出相應(yīng)的檢測(cè)方法（用水、氣、油等）測(cè)內(nèi)部缺陷熱處理3熱處理壓力容器熱處理是專業(yè)性與實(shí)踐性都很強(qiáng)的一項(xiàng)工作。按熱處理目的可以分為焊后熱處理、恢復(fù)或改善性能（力學(xué)性能、耐腐蝕性能、加工性能）熱處理兩類；按處理對(duì)象可分為原材料熱處理、零部件熱處理、產(chǎn)品熱處理等三種。一、焊后熱處理焊后熱處理：利用金屬在高溫下屈服強(qiáng)度的降低，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流變，從而達(dá)到消除或者降低焊接殘余應(yīng)力目的一種熱處理，屬去應(yīng)力退火。主要作用：消除或者降低焊接殘余應(yīng)力和冷作硬化，提高接頭抗脆斷能力；改善焊接接頭的塑性和韌性，提高抗應(yīng)力腐蝕能力；穩(wěn)定焊接構(gòu)件形狀，避免或者減少在焊后機(jī)加工和使用過程中的變形；促使焊縫中的氫向外擴(kuò)散。1、焊后熱處理對(duì)那些安全性能有較高要求的壓力容器，進(jìn)行焊后熱處理可提高其安全性。有時(shí)，焊后熱處理可以與消氫處理、恢復(fù)及改善性能熱處理合并進(jìn)行。焊后立即將焊件加熱到較高溫度，提高氫在鋼中的擴(kuò)散系數(shù)，使焊縫金屬中過飽和狀態(tài)的氫原子加速擴(kuò)散逸出，以降低容器產(chǎn)生延遲裂紋可能性的一種熱處理。需要消氫處理的容器，如焊后隨即進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，可免做焊后消氫處理，但保溫時(shí)間要控制在16~24h以內(nèi)。一般需要進(jìn)行消氫處理的壓力容器需要進(jìn)行焊后熱處理，而需要焊后熱處理的設(shè)備不一定都需要消氫處理。2、消氫處理二、恢復(fù)或改善性能熱處理1、冷成形及中溫成形后恢復(fù)性能熱處理2、熱加工后恢復(fù)性能熱處理3、固溶處理4、穩(wěn)定化處理5、調(diào)質(zhì)（淬火加高溫回火）6、中間退火當(dāng)冷成形及中溫成形受壓元件變形量較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工硬化，使鋼材的塑性、韌性降低，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。為恢復(fù)鋼材的性能，消除或降低殘余加工應(yīng)力，必要時(shí)應(yīng)對(duì)冷成形及中溫成形受壓元件進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理。對(duì)于碳素鋼和低合金鋼制受壓元件，這種熱處理相當(dāng)于去應(yīng)力退火或再結(jié)晶退火。必要時(shí)，可以將恢復(fù)性能熱處理與焊后熱處理合并進(jìn)行。1、冷成形及中溫成形后恢復(fù)性能熱處理熱加工可能改變鋼材供貨狀態(tài)，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求的鋼材使用狀態(tài)對(duì)熱加工后的受壓元件進(jìn)行必要的熱處理。熱軋狀態(tài)使用的鋼材，熱加工后的一般可不重新進(jìn)行熱處理；正火狀態(tài)使用的鋼材，熱加工后需重新進(jìn)行正火處理，如果熱加工時(shí)的加熱溫度與鋼材的正火溫度相當(dāng)，且隨爐的熱加工工藝試板經(jīng)評(píng)定合格，可不重新進(jìn)行正火處理;2、熱加工后恢復(fù)性能熱處理2、熱加工后恢復(fù)性能熱處理正火加回火使用狀態(tài)的鋼材，熱加工后需重新進(jìn)行正火加回火處理，如果熱加工時(shí)的加熱溫度與鋼材的正火溫度相當(dāng)，且隨爐的熱加工工藝試板經(jīng)回火處理后評(píng)定合格，則該受壓元件熱加工后可僅作回火處理;調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用的鋼材，受壓元件熱加工后應(yīng)重新進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理;經(jīng)電渣焊的焊縫組織，應(yīng)進(jìn)行正火處理，以恢復(fù)力學(xué)性能和消除應(yīng)力。固溶處理：是將奧氏體不銹鋼加熱到1010~1120℃左右，經(jīng)適當(dāng)保溫使碳化物盡量溶入奧氏體基體，然后快速冷卻至室溫使碳化物來不及析出呈過飽和狀態(tài)固溶在基體中，以獲得單相奧氏體組織的一種熱處理。奧氏體不銹鋼的正常交貨狀態(tài)就是固溶狀態(tài)。主要作用：對(duì)于非超低碳奧氏體不銹鋼，固溶處理是防止晶間腐蝕的重要手段；對(duì)于經(jīng)熱成形的受壓元件可采用固溶處理達(dá)到恢復(fù)原有性能的目的；對(duì)于冷成形或使用工況改變了其奧氏體組織狀況時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況通過固溶處理予以恢復(fù)原有性能。3、固溶處理穩(wěn)定化處理是將含有穩(wěn)定化元素（Ti或Nb）的奧氏體不銹鋼加熱到850～930℃的高溫，經(jīng)充分保溫后，使已在鋼中加入的穩(wěn)定化元素等比較充分地從基體中析出，以TiC、NbC等碳化物的形式沉淀于晶粒邊界，使穩(wěn)定化元素充分發(fā)揮作用的一種熱處理。穩(wěn)定化處理只適用于在晶間腐蝕環(huán)境下選用含穩(wěn)定化元素（Ti或Nb）奧氏體不銹鋼的場(chǎng)合。4、穩(wěn)定化處理可以使低合金鋼具有較好的綜合力學(xué)性能。如高壓緊固件通常采用的40MnB、35CrMoA等合金鋼通過調(diào)質(zhì)處理才能達(dá)到要求的力學(xué)性能。5、調(diào)質(zhì)（淬火加高溫回火）為消除工件形變強(qiáng)化效應(yīng),改善塑性,便于實(shí)施后續(xù)工序而進(jìn)行的工序間退火。如,在非應(yīng)力腐蝕環(huán)境下,換熱管與管板采用強(qiáng)度脹接連接方式時(shí),可以采用管端局部退火方式降低換熱管的硬度,以滿足換熱管材料的硬度低于管板材料硬度的脹接工藝要求。6、中間退火三、原材料熱處理、零部件熱處理、產(chǎn)品熱處理的區(qū)別正火(加回火)、淬火(加回火)、固溶處理(加穩(wěn)定化處理)的共同特點(diǎn)是在高溫適當(dāng)保溫后快速冷卻,對(duì)于具有密閉空間的壓力容器產(chǎn)品是難以實(shí)現(xiàn)的,其他冷卻速度較為平緩的熱處理過程在壓力容器產(chǎn)品中是可以實(shí)現(xiàn)的。要針對(duì)壓力容器制造過程中的兩類熱處理分別明確熱處理對(duì)象(原材料、零部件、產(chǎn)品),避免錯(cuò)將針對(duì)原材料或零部件的熱處理與壓力容器整體熱處理合并進(jìn)行。有些壓力容器制造過程中的熱處理難題可以通過改變選材方案、更新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、調(diào)整加工工藝、更換工裝設(shè)備等措施予以解決。目錄3.3.1溫度3.3.2介質(zhì)3.3.3加載速率溫度1溫度鋼材在低溫介紹幾種情況的影響一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材性能三、高溫下材料性能的劣化不同用途的壓力容器的工作溫度不同。中溫高溫下，性能不同高溫下，鋼材性能往往與作用時(shí)間有關(guān)一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響1、高溫

圖3-4溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響在溫度較高時(shí)，僅僅根據(jù)常溫下鋼材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度來決定許用應(yīng)力是不夠的，一般還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服強(qiáng)度。抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)率溫度2、低溫

圖3-4溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高、韌性降低，奧氏體不銹鋼在強(qiáng)度提高的同時(shí)仍有良好的韌性。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于20℃時(shí)，通常采用鋼材20℃時(shí)的許用應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。降低溫度可顯著提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度，故奧氏體不銹鋼在低溫下可以取比常溫下更高的許用應(yīng)力。圖3-5Q345R沖擊吸收能量和溫度的關(guān)系曲線碳素鋼和低合金鋼的沖擊吸收能量隨溫度下降的變化曲線呈S形，且具有下平臺(tái)區(qū)、韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)和上平臺(tái)區(qū)。當(dāng)溫度低于某一值時(shí)，沖擊吸收能量開始大幅度地下降，從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈?。從韌性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈允窃谔囟囟确秶鷥?nèi)發(fā)生的，故韌脆轉(zhuǎn)變溫度的確定就有不同的方法和手段。2、低溫晶體結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)滑移面及滑移方向滑移系數(shù)目2、低溫注意：并非所有金屬都有明顯的低溫變脆現(xiàn)象。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。低溫仍有較高韌性的金屬：具有面心立方晶格的金屬,如銅、鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸收功隨溫度變化很小。LNG槽車氣化站子母罐子母罐輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備調(diào)峰站大型儲(chǔ)罐罐箱氣瓶輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備基本特點(diǎn)：內(nèi)容器設(shè)計(jì)溫度-162℃；三層結(jié)構(gòu)存在問題：設(shè)計(jì)溫度低于20℃時(shí)仍采用20℃的許用應(yīng)力（GB150、GB/T18442）研究目標(biāo)：輕量化輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化原理隨著溫度的降低，奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度提高，塑性有所下降，材料應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線逐漸由拋物線形向倒“S”形轉(zhuǎn)變，溫度降低到一定程度后，出現(xiàn)明顯的屈服平臺(tái)。不同溫度下S30408實(shí)測(cè)拉伸曲線輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化關(guān)鍵技術(shù)最大試驗(yàn)載荷動(dòng)態(tài)100kN，靜態(tài)150kN溫度控制范圍

-185℃～20℃

（可調(diào)）和-196℃極低溫材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化關(guān)鍵技術(shù)材料低溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化關(guān)鍵技術(shù)基于低溫性能和失效模式的設(shè)計(jì)方法輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)由多任務(wù)控制系統(tǒng)、在線自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)充水系統(tǒng)、自動(dòng)卸壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)專用軟件組成，采用工控機(jī)作為核心處理模塊，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反饋，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體的自動(dòng)控制過程。制造過程控制技術(shù)輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備輕量化效果應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)和常規(guī)設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力比較屈服強(qiáng)度提高，許用應(yīng)力提高，容器厚度減薄、重量減輕；容器容積增大，儲(chǔ)運(yùn)量增加，重容比（M/V）減小，輕量化程度提高；節(jié)省材料、容器加工制造運(yùn)輸能耗降低等。許用應(yīng)力提高率99-129%許用應(yīng)力提高率83-119%輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備設(shè)計(jì)實(shí)例常規(guī)設(shè)計(jì)方法應(yīng)變強(qiáng)化設(shè)計(jì)方法減薄38.9%減薄35%減輕39.2%增加8.5%降低44%材料成本減小、容器加工制造運(yùn)輸能耗降低，實(shí)現(xiàn)輕量化輕量化LNG儲(chǔ)運(yùn)裝備推廣應(yīng)用經(jīng)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局批準(zhǔn)，研制的輕量化深冷儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備已在全國(guó)20多個(gè)企業(yè)投入批量生產(chǎn)（容積3.5-500m3)。代表性產(chǎn)品參數(shù)為：容積，150m3；設(shè)計(jì)溫度，-196℃；產(chǎn)品重量，減輕40％以上；容積，約增加2-10％；重容比，可以降低50％左右。二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材性能蠕變的危害：蠕變使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。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。碳素鋼>300~350℃>400~550oC合金鋼一定的應(yīng)力作用蠕變現(xiàn)象明顯蠕變現(xiàn)象：金屬在長(zhǎng)時(shí)間的高溫、恒載荷作用下緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象稱為蠕變。只有當(dāng)溫度達(dá)到一定程度才會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。1、蠕變曲線蠕變曲線三階段減速蠕變恒速蠕變加速蠕變圖3-6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1、蠕變曲線圖3-6蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系oa線段——試樣加載后的瞬時(shí)應(yīng)變從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，蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率。ab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，因此也稱為蠕變的減速階段。1、蠕變曲線圖3-6蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系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(jìn)行變形，故也稱為蠕變的恒速階段。cd為蠕變的第三階段在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。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，甚至完全消失。2、蠕變極限與持久強(qiáng)度a、蠕變極限——是高溫長(zhǎng)期載荷作用下，材料對(duì)變形的抗力。蠕變極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(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）b、持久強(qiáng)度——在給定的溫度下，使材料經(jīng)過規(guī)定時(shí)間發(fā)生斷裂的應(yīng)力值，是材料在高溫長(zhǎng)期負(fù)荷作用下抵抗斷裂的能力?？紤]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。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)蠕變斷裂，往往同時(shí)用蠕變極限和持久強(qiáng)度來確定許用應(yīng)力。（蠕變極限常用第二種表示法，且一般規(guī)定時(shí)間為105h，總伸長(zhǎng)率為1%；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)率較低，縮頸很小，在晶體內(nèi)部常發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋。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(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。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蠕變脆化珠光體球化石墨化回火脆化氫脆危害：使材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降。例如，中度球化會(huì)使碳素鋼常溫強(qiáng)度下降10%-15%;嚴(yán)重球化時(shí)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。a、珠光體球化危害：使金屬發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑性降低，沖擊韌性降低得更多。產(chǎn)生環(huán)境：石墨現(xiàn)象只出現(xiàn)在一定的高溫范圍。對(duì)碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度425℃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(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。b、石墨化高溫臨氫設(shè)備常使用的12Cr1MoV等鉻鉬鋼，長(zhǎng)期在325-575℃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，韌性降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆化。研究表明：影響Cr-Mo回火脆化的主要因素為化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件。P、Sb、Sn和As等雜質(zhì)元素越多，奧氏體化溫度越高，Cr-Mo鋼對(duì)回火脆化越敏感。c、回火脆化d、氫脆d、氫脆氫燃料電池汽車

車載高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)高壓力

35/70MPa

輕量化

低成本氫能儲(chǔ)存

加氫站高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)高壓力

82/98MPa

大容量

低成本氫能輸配管網(wǎng)/拖車高壓力

21/45MPa

輕量化

低成本大規(guī)模氫儲(chǔ)能輸氫管道壓力10MPa溫度環(huán)境溫度石油加氫裂化加氫裂化反應(yīng)器壓力8~20MPa溫度380~450℃。。。。。。煤加氫液化加氫/費(fèi)托合成反應(yīng)器壓力1.5~30MPa重量2200t超臨界水制氫超臨界水反應(yīng)器壓力23-27MPa溫度650-800℃石油加氫精制加氫反應(yīng)器壓力1.6~8.5MPa溫度180~470℃d、氫脆42MPa47MPa77MPad、氫脆雜質(zhì)氫分子H2壓力氫原子H與空穴H與位錯(cuò)H與析出物/夾雜H與層錯(cuò)塑性鈍化應(yīng)力三軸度擴(kuò)散擴(kuò)散吸附H與晶界d、氫脆d、氫脆服役性能環(huán)境應(yīng)力制造殘余影響材料結(jié)構(gòu)加載方式溫度氫純度氫分壓化學(xué)成分組織結(jié)構(gòu)組織轉(zhuǎn)變裂紋殘余應(yīng)力d、氫脆氫侵入和擴(kuò)散造成的金屬性能劣化現(xiàn)象稱為氫脆，如氫鼓泡、高溫氫蝕、氫致塑性損減、氫壓裂紋、氫致滯后斷裂等。氫的來源內(nèi)部氫：鋼在冶煉、焊接、酸洗等制造過程中吸收的氫；外部氫：鋼在含硫化氫或氫氣的服役環(huán)境中所吸收的氫。圖3-7高壓（87.5MPa）氣體環(huán)境中S30408拉伸試樣的斷口形貌氬氣氫氣d、氫脆氫在金屬中的存在形式原子氫；第二相（氫氣、甲烷和金屬氫化物）。原子氫既可以遍布金屬，也可以在裂紋尖端附近富集。金屬內(nèi)的原子氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散、富集達(dá)到臨界值后，會(huì)導(dǎo)致裂紋過早地形核和擴(kuò)展，直至氫致滯后斷裂。滯后是指氫擴(kuò)散富集到臨界值需要經(jīng)過一段時(shí)間，故加載后要經(jīng)過一定時(shí)間后，氫致裂紋才會(huì)形核和擴(kuò)展。一旦原子氫除去，氫致裂紋就不再形核。這種由原子氫擴(kuò)散、富集引起的氫脆稱為可逆氫脆。d、氫脆目前還沒有一種理論可以解釋所有的氫脆現(xiàn)象。比較有影響的理論是氫致鍵合力降低理論和氫致局部塑性變形理論。氫致鍵合力降低理論認(rèn)為，氫的侵入傾向于降低原子鍵之間的合力，從而促進(jìn)裂紋的形核和擴(kuò)展；裂紋尖端附近氫含量、壓力及氫陷阱等均會(huì)影響裂紋擴(kuò)展過程。氫致局部塑性變形理論認(rèn)為，氫促進(jìn)位錯(cuò)的發(fā)射和運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)局部塑性變形而導(dǎo)致低應(yīng)力下的氫致開裂。對(duì)于高壓氫氣環(huán)境中服役的承載件（如壓力高達(dá)70MPa的車載高壓儲(chǔ)氫容器），如何提高其抗氫脆能力？一是選擇與高壓氫氣相容性優(yōu)良的材料，如鋁合金6061-T6、S31603等；二是根據(jù)高壓氫氣環(huán)境下原位測(cè)量獲得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于失效模式的設(shè)計(jì)。氫在金屬中的存在形式原子氫；第二相（氫氣、甲烷和金屬氫化物）。第二相當(dāng)金屬中有氣孔、夾雜、微裂紋等空腔存在時(shí)，固溶在金屬中的氫原子將通過擴(kuò)散、脫附過程在空腔處析出并結(jié)合成氫氣。材料內(nèi)部充滿氫氣（從而帶有壓力）的空腔稱為氫鼓泡。當(dāng)鼓泡處于構(gòu)件表面時(shí)，塑性變形使鼓泡鼓出表面。當(dāng)氫壓足夠大時(shí)，其周圍就會(huì)產(chǎn)生微裂紋，如鋼中白點(diǎn)、H2S浸泡裂紋。在高壓高溫氫氣環(huán)境下使用較長(zhǎng)時(shí)間后，氫滲透到鋼內(nèi)部，與鋼中的碳（來源于Fe3C或其它碳化物）反應(yīng)生成甲烷。生成的甲烷分子，聚集在晶界或夾雜界面的縫隙，形成壓力很高的氣泡，從而導(dǎo)致鋼材脫碳和微裂紋的形成。在高溫高壓氫氣環(huán)境中通過形成甲烷而引起的氫損傷稱為高溫氫蝕。d、氫脆何如預(yù)防高溫氫蝕？一般情況下，碳素鋼在250℃以上的高壓氫氣環(huán)境中才會(huì)發(fā)生高溫氫蝕。鋼中加入鉻、鉬、釩、鈦、鎢、鈮等能形成穩(wěn)定碳化物的元素，可提高鋼的抗高溫氫蝕能力。奧氏體不銹鋼沒有碳化物，不存在高溫氫蝕。設(shè)計(jì)時(shí)一般按照Nelson曲線選用鋼材。根據(jù)該曲線，碳素鋼在氫分壓小于3.45MPa時(shí)，允許的使用溫度約為250℃;1.25Cr-0.5Mo鋼在氫分壓小于6.9MPa時(shí)的允許使用溫度大約為520℃。制造時(shí)通過采用低氫型焊材、焊后熱處理等措施來控制“內(nèi)部氫”含量。氫的溶解度隨溫度的降低而降低，容器在停車時(shí)，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。工程上，對(duì)于石油加氫煉制、煤加氫制清潔能源用高壓高溫容器，通常在設(shè)計(jì)、制造和使用等環(huán)節(jié)采取措施，預(yù)防高溫氫蝕。除以上材料性能劣化外，還要注意鋼材長(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、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。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。介質(zhì)2一、腐蝕概述1、按腐蝕的機(jī)理來分電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕應(yīng)力腐蝕晶間腐蝕2、按金屬腐蝕的形勢(shì)來分全面腐蝕局部腐蝕小孔腐蝕縫隙腐蝕對(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《長(zhǎng)輸管道安全——風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)價(jià)和控制》，化學(xué)工業(yè)出版社，2004金屬腐蝕分類二、應(yīng)力腐蝕開裂金屬在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)共同作用下導(dǎo)致的脆性開裂，稱為應(yīng)力腐蝕開裂，以SCC（stresscorrosioncracking)表示。應(yīng)力腐蝕開裂的特征：1、應(yīng)力腐蝕開裂的特征拉伸應(yīng)力特定合金和介質(zhì)的組合一般為延遲脆性斷裂二、應(yīng)力腐蝕開裂裂紋擴(kuò)展的三個(gè)階段孕育階段——逐步形成應(yīng)力腐蝕裂紋；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段——在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，裂紋緩慢擴(kuò)展；裂紋失穩(wěn)階段——最終發(fā)生的突然斷裂。1、應(yīng)力腐蝕開裂的特征二、應(yīng)力腐蝕開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(xiǎn)性很大的破壞形式。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)生未爆先漏（LeakBeforeBreak）。1、應(yīng)力腐蝕開裂的特征堿溶液（堿脆）濕硫化氫（硫裂）液氨（氨脆）氯化物溶液（氯脆）2、常見的應(yīng)力腐蝕開裂有關(guān)選材、制造、檢驗(yàn)的要求見HG/T20581“鋼制化工容器材料選用規(guī)定”3、應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施一般從選材、設(shè)計(jì)、改善介質(zhì)條件和防護(hù)等幾個(gè)方面采取措施，預(yù)防應(yīng)力腐蝕引起的壓力容器失效。合理選擇材料減少或消除殘余拉應(yīng)力改善介質(zhì)條件涂層保護(hù)合理設(shè)計(jì)三、流動(dòng)腐蝕流動(dòng)腐蝕即腐蝕與流動(dòng)的耦合作用,需考慮化學(xué)腐蝕與流體動(dòng)力學(xué)行為的相互影響,要綜合分析過程工藝、運(yùn)行工況、流動(dòng)過程及多相流中的腐蝕性介質(zhì)在設(shè)備或管道的壁面對(duì)材料發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕。流動(dòng)腐蝕具有臨界特性,流動(dòng)腐蝕失效具有局部性。通?？焖倭鲃?dòng)會(huì)加劇腐蝕失效，但由于過程工藝與腐蝕機(jī)理的復(fù)雜性,現(xiàn)實(shí)中許多失效案例是由慢速流動(dòng)造成的。通常,介質(zhì)的腐蝕性越強(qiáng),其允許的流動(dòng)范圍越窄。1、流動(dòng)腐蝕的特征沖蝕：流體快速流動(dòng)時(shí)，腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜易發(fā)生破損或剝落，使裸露的金屬本體再次發(fā)生腐蝕與沖蝕。磨蝕：含固體顆粒的腐蝕性流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，擊穿邊界液膜并使腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜破損，甚至直接損傷金屬本體。氣蝕：液體中的氣泡潰滅形成高速射流和沖擊波，對(duì)壁面造成嚴(yán)重的機(jī)械破壞。垢下腐蝕：固體顆粒或易結(jié)晶組分沉積，在腐蝕性介質(zhì)協(xié)同作用下導(dǎo)致局部的垢下腐蝕。露點(diǎn)腐蝕：腐蝕性介質(zhì)溶于冷卻過程中析出的液態(tài)水，形成腐蝕性水滴，進(jìn)而對(duì)壁面形成化學(xué)和電化學(xué)腐蝕。2、流動(dòng)腐蝕的類型材料的優(yōu)化選擇結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作的優(yōu)化運(yùn)行3、流動(dòng)腐蝕的預(yù)防措施四、輻照損傷材料的物理化學(xué)性質(zhì)因受電離輻射的照射而引起的有害變化被稱為輻照損傷，工程中最重要的是中子的輻照損傷。輻照引起金屬材料斷后伸長(zhǎng)率和沖擊吸收功下降、韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高的現(xiàn)象為輻照脆化；輻照引起蠕變速率增加的現(xiàn)象為輻照蠕變；材料因輻照引起形狀改變而無明顯的體積改變的現(xiàn)象為輻照生長(zhǎng)；材料在輻照條件下體積增加的現(xiàn)象為輻照腫脹；由高能粒子輻照誘發(fā)的相變?yōu)檩椪照T發(fā)相變。加載速率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10–4～10-1s-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(shí)，它對(duì)鋼材力學(xué)性能有顯著的影響：加載速率較高時(shí)，材料沒有充分的時(shí)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(diǎn)隨應(yīng)變速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韌性下降，即脆性斷裂的傾向增加。如果材料中有缺口或裂紋等缺陷，還會(huì)加速這種脆性斷裂的發(fā)生。加載速率較高時(shí)，材料沒有充分的時(shí)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(diǎn)隨應(yīng)變速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韌性下降，即脆性斷裂的傾向增加。如果材料中有缺口或裂紋等缺陷，還會(huì)加速這種脆性斷裂的發(fā)生。加載速率對(duì)鋼的韌性影響還與鋼的強(qiáng)度水平有關(guān)通常，在一定的加載速率范圍內(nèi)，隨著鋼材強(qiáng)度水平的提高，韌性的降低減弱。也就是說，在一定的加載速率范圍內(nèi)，加載速率的大小對(duì)某些高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的韌性影響是很小的，但對(duì)中、低強(qiáng)度鋼的韌性影響則很明顯。目錄3.4.1壓力容器用鋼的基