压力容器用材料培训PPT参考课件

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1、压力容器材料及其选用培训,1,前言 材料是压力容器的物质基础，正确选用压力容器材料是保证压力容器长期安全使用的一个基本条件。压力容器应用很广泛；备行备业都有，工作条件多种多样，加上近年来石油化工、核能、宇航等工业的不断发展，工艺过程向高压、超高压、高温、低温和超低温开拓，由此对构成压力容器的材料提出了更高的要求。如何正确选用结构材料，保证压力容器长期安全远行，这是一个很重要的问题。 一. 压力容器的失效与材料的关系 1.压力容器的失效形式 压力容器常见有韧性断裂、脆性断裂、疲劳、蠕变、腐蚀等失效形式：,2,韧性断裂： 压力容器在压力的作用下，当器壁应力超过材料屈服点后，器壁材料会发生塑性变形。

2、随着应力的本断增加，当器壁上的应力超过材料的抗拉强度后，容器合产生明显的宏观塑性变形而至断裂失效。这种失效形式就是韧性断裂。 在韧性断裂失效的容器上，如果材料本身没有宏观的缺陷，内部裂纹很小，一船失效容器的圆周伸长率和容积增大率高达百分之十以上，容器断裂后没有碎片或偶然有少量碎片。断裂断口的宏现形貌可为剪切唇或纤维状。 如果材料没有宏观缺 陷和内部小裂纹，正确 设计和合理使用的压力容 器一般是不会发生韧性 断裂的。但如果容器超压 使用，维护不良等造成器 壁减薄，会导致韧性断裂。,3,脆性断裂:压力容器在压力的作用下，器壁材料没有发生宏观的塑性变形，其应力远远没有达到材料的抗拉强度，有的甚至还低

3、于屈服点而产生突然断裂的失效形式是脆性断裂。 脆性断裂时，容器的周长、体积没有变化或变化甚微，材料还处于弹性阶段，容器壁厚一般没有减薄。容器断裂后往往产生很多碎片，把碎片拼接起来，可恢 复原来容器的形状。断裂断口 呈金属光泽的结晶状，断口平 整，断裂的宏观表面与主应力 方向垂直。在器壁很厚的容器 脆断口上，常可看见人字形纹 路或放射花样，人字形纹路尖 端或放射点总是指向裂纹源的， 始裂点往往是在有缺陷或几何 形状突变而应力和应变集中处。,4,疲劳: 压力容器长期受到交变裁荷作用而出现的一种失效形式，且多为低周期高应力的疲劳，即局部应力接近或高于材料的屈服点，但载荷的交变次数却比较低，常为105

4、以下的次数。 容器发生低周疲劳断裂时，不管材料处于韧性状态还是脆性状抵一般都不产生明显的塑性交形。疲劳断裂时，容器直径不会明显增大，壁厚不会明显减薄，断裂 状态往往是先开裂一个断口， 使容器泄漏。疲劳断裂断口 与脆性断裂断口明显不同， 其断口一般都存在比较明显 的两个区域：一个是较平滑 的疲劳裂纹萌生及扩展区， 另一个是凹凸不平的最后断 裂区。在低周废劳的裂纹萌 生及扩展区比较难发现其宏 观形貌特征，而断口的微观 特征疲劳辉纹却比较明 显，电子金相中常可见到象 贝壳一样的花纹，即裂纹扩 展的弧形纹路，又称“年轮” 条纹。在断裂区，若为韧性 断裂，断口里暗灰色纤维状，若为脆性断裂，断口为租粒结晶

5、状。,5,d. 蠕变: 压力容器长期在恒温、桓应力作用下工作(即使应力低于屈服点)，由于材料产生缓慢而连续的塑性变形，使容器几何尺寸逐渐增大，从出现滑移带和扭挤带至形成微裂纹，最后导致断裂的一种失效形式。蠕变在低温下也会产生，但只有当温度高于0.3TM(以绝对温度表示材料的熔点)时才比较明显。在高温或低应变速度下产生脆性沿晶断裂，断口呈现冰糖状，在温度不很高或高应变速度下产生韧性穿晶断裂。 压力容器蠕变断裂不常见，但个别零部件 的甥变断裂则常有发生。产生蠕变的原因常 因选材不当，错用抗蠕变性能不好的材料， 结构不合理导致过热；使用温度高于材料的 再结晶软化温度；或制造工艺不当降低材料 的抗蛹变

6、性能等。图示为热处理加热炉工件 输送带材料为Cr25Ni20Si2铸件。使用温度 850，炉内介质气氛有氮和甲醇。输送带连 续使用一年左右发生断裂。,6,腐蚀: 腐蚀是压力容器常见的失效形式。容器失效约有三分之一是腐蚀原因造成的。压力容器常见的腐蚀失效类型有均匀腐蚀、点腐蚀、晶问腐蚀、应力腐蚀开裂、氢腐蚀和腐蚀疲劳等，而其中最常见又最危险的是应力腐蚀开裂。 均匀腐蚀：又称称全面腐蚀，指在器壁整个暴露表面上或者是大面积上产生程度基本相同的腐蚀。压力容器在设计时考虑足够的腐蚀裕度，则能在设计寿命内安全使用。 点腐蚀：在器壁表面出现个别深坑或密集斑点的腐蚀。大多数点蚀是由于氯化物，溴化物、次氯酸盐及

7、含氯离子的溶液腐蚀而引起的。 晶间腐蚀：一般是指不锈钢在晶粒之间产生的一种沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展的腐蚀。晶间腐蚀降低金属晶粒之间的结合力，容易造成晶粒脱落或使材料强度明显下降。晶间腐蚀不易被发现，常常造成容器突然断裂，危害性很大。 形成晶间腐蚀的原因：一般产生在焊接接头的热影响区、焊缝或熔合线上，不锈钢具有耐腐蚀能力的必要条件是铬的质量分数必须大于10-12%。当温度升高时，碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散，并和铬化合，在晶间形成碳化铬的化合物，而内部的铬来不及向晶界扩散，所以在晶间所形成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部，而是

8、来自晶界附近，结果就使晶界附近的含铬量大为减少，形成所谓的“贫铬区”，在腐蚀介质作用下，贫铬区就会失去耐腐蚀能力，而产生晶间腐蚀。,7,防止晶界腐蚀的措施有： 调整焊缝的化学成份，加入稳定化元素减少形成碳化铬的可能性，如加入钛或铌等。 减少焊缝中的含碳量，可以减少和避免形成铬的碳化物，从而降低形成晶界腐蚀的倾向，含碳量在004%以下，称为“超低碳”不锈钢，就可以避免铬的碳化物生成。 工艺措施，控制在危险温 度区的停留时间，防止过 热，快焊快冷，使碳来不 及析出。,8,f . 应力腐蚀 :材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象. 应力腐蚀的机理是：零件或构件

9、在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。 预防晶界腐蚀的措施有： 合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。 合理设计零件和构件，减少应力集中。 改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采

10、用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。 采用阴极保护法也可减小或停止应力腐蚀。,9,图示： 高温高压锅炉，其额定蒸发量为410 t/h，出口蒸汽压力为9.8MPa，出口蒸汽温度540。锅炉采用四角喷燃器切圆燃烧方式，水冷壁采用膜式结构，其规格为D605 mm，材质为20 G。1993年12月投运，自投产至1999年4月已累计运行近40000 h。1998年11月至1999年4月锅炉水冷壁管爆管达5次之多。爆口特征：爆口断面粗糙、且未减薄，无明显的胀粗，爆口有脱碳现象，内壁可见明显的腐蚀坑和腐蚀沟槽，并有微量白色的积盐。 事故分析： 水冷壁管内水有硬度及氧腐蚀产物在水冷壁管表面产生水垢和

11、附着物，,10,碱性炉水渗入其中并在其中发生浓缩，在附着于金属表面的沉积物和腐蚀产物层中形成高浓度的碱性炉水浓缩物，并且可以达到饱和或使盐类结晶析出的浓度，从而造成碱性腐蚀。在腐蚀过程中，晶粒边界处首先受到腐蚀，而且容易沿晶粒边界发展，同时会产生氢气和甲烷，这些气体产物虽可被压缩，但因为气体体积远大于被腐蚀掉的钢铁，因而在晶界上产生巨大的应力，这种内应力足以迫使晶粒彼此分离而形成晶间裂纹，从而产生由碱性腐蚀引起的应力腐蚀破裂，造成脆性爆管。,11,氢腐蚀 :指钢暴露在高温、高压的氢气环境中，氢原子在设 备表面或渗入钢内部与不稳定的碳化物发生反应生成甲烷，使钢脱碳，机械强度受到永久性的破坏。在钢

12、内部生成的甲烷无法外溢而集聚在钢内部形成巨大的局部压力，从而发展为严重的鼓包开裂。氢腐蚀主要发生在石油加氢、裂解等钢制装置中。高温高压下，气相中氢以氢原子形式渗入钢中，与钢中的碳结合生成甲烷，造成钢表层脱碳，使强度、塑性降低，严重时导致表面鼓泡或开裂。 钢材发生氢腐蚀有两个阶段即氢脆阶段和氢浸蚀阶段: 氢脆阶段:在高强钢中金属晶格高度变形，氢原子进入金属后使晶格应变增大，因而降低韧性及延性，引起脆化. 氢脆预防措施:选用含Ni、Mo的合金钢。在制造过程中，尽量避免或减少氢的产生。 氢浸蚀阶段:在高温高压环境下，氢进入金属内与一种组分或元素产生化学反应使金属破坏.氢浸蚀预防措施：可选用16MnR

13、（HIC）、15CrMoR（相当于1Cr-0.5Mo）、14Cr1MoR（相当于1.25Cr-0.5Mo）、2Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、2.25Cr-1Mo-0.25V、3Cr-1Mo-0.25V等。抗氢钢中的Cr和Mo能形成稳定的碳化物，这样就减少了氢与碳结合的机会，避免了甲烷气体的产生。,12,h. 腐蚀疲劳:当金属受到酸碱的腐蚀，一些部位的应力就比其他部位高得多，加速裂缝的形成.,13,二.材料的基本性能 1.材料的力学性能 1）常温力学性能指标 强度指标 强度是材料抵抗变形和断裂的能力，压力容器的材料，最主要的强度指标是屈服强度s和抗拉强度b，屈服强度是材料抵抗塑性变形的

14、能力，抗拉强度是材料抵抗断裂的能力。 塑性指标 塑性是材料断裂前发生理性变形的能力。压力容器的材料，最主要的塑性指标是伸长率、断面收缩率和屈强比。伸长率和断面收缩率以材料断裂后的伸长变形和截面积变形大小表示，数值愈大，塑性愈好。屈强比是屈服点与抗拉强度之比值，即 s b ， 值愈小表示材料塑性愈好。制造压力容器的材料，屈强比不能太高，以使容器有较大的塑性。 c. 韧性指标,14,韧性是表示材料塑性变形和断裂全过程个吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。制造压力容器用材料要求常温v形缺口试样夏比冲击功值：Akv1.82.8kgf-m。 硬度指标 硬度是材料抵抗硬物在表面局部压入的能力，是衡量

15、材料软硬的一个指标。硬度高的材料耐磨性能好。硬度和材料强度还有一定的关系，只要知道材料的硬度值，就能大概判断材料的强度值。工程上往往以硬度测定估算现场压力容器材料的强度，或作为压力容器材料因组织改变而导致性能变化的分析依据，如低合金钢在高温的石墨化、氢腐蚀等。常用硬度表示方法有布氏硬度HB和洛氏硬度HRC，两种硬度只是试验硬物材质与测试表示方法不同而已，较软材料用布氏硬度，较硬的材料用洛氏硬度。,15,2）.温度对力学性能的影响 温度升高对材料力学性能的影响 以一般常用碳钢和低合金钢为例。随着温度升高，力学性能变化的总趋势是强度下降、塑性提高。其次，若温度进入高温，裁荷持续时间对力学性能的影响

16、也是很大的，因此材料高温力学性能要考虑温度和时间因素，此时用蠕变极限、持久强度和松弛稳定性衡量材料的力学性能。蠕变极限是高温长期负荷作用下材料对塑性变形抗力的招标；持久强度则是高温长期负荷作用下材料对断裂抗力的指标，而材料在高温长期负荷作用下抵抗应力松弛的性能，则被称为松弛稳定性。 低温对材料力学性能的影响 温度降低，通常会提高金属材料的强度而降低它的塑性。即温度下降时，抗拉强度、屈服强度上升，但伸长率、断面收缩率、冲击韧性下降。 低温对材料性能的影响主要是使村料的韧性下降，即产生冷脆性。如压力容器常用的低碳钢、低合金钢在常温以上一般是韧性材料，然而随着温度的降低，当低于一定温度时，韧性材料可以变为脆性材料。此时，若容器在压力作用下，容器发生的破坏是在小变形或无变形情况下突然地全面破裂，并伴随有巨大响声和爆破碎片。材料由韧性状态向脆性