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1、浅谈不锈钢及复合钢板的压力容器设计与施工技术摘要：本文介绍不锈钢及复合钢板的压力容器设计与施工技术。关键字：不锈钢及复合钢板；设计；施工方案。1. 前言不 锈 钢 及 复 合 钢 板 是 一 种 以 碳 钢 为 基 体 单 面 或 双 面 整 体 连 续 地 包 覆 216mm 不 锈 钢的 金 属 高 效 材 料 。 它 充 分 发 挥 两 种 材 料 特 性 优 势 ， 既 具 有 不 锈 钢 的 耐 腐 蚀 、 耐 磨 性 、 抗 磁性 、 豪 华 性 和 装 饰 性 ； 又 具 有 碳 钢 良 好 的 可 焊 性 、 成 型 性 、 拉 延 性 和 导 热 性 ， 因 而 它 是 一种
2、 多 功 能 材 料 。 同 时 由 于 它 可 节 约 不 锈 钢 ， 可 降 低 成 本 ， 价 格 低 廉 ， 因 而 被 广 泛 用 于 石 油 、化 工 、 制 盐 制 碱 等 国 民 经 济 各 行 各 业 ， 用 于 取 代 全 不 锈 钢 ， 甚 至 取 代 B30 铜 和 蒙 及 尔 合金 ， 具 有 巨 大 的 社 会 经 济 效 益 。2. 不锈钢复合钢板压力容器设计2.1 材料的选择及要求a) 基 材 基 材 主 要 作 用 是 是 承 受 载 荷 的 部 分 ， 其 技 术 要 求 （ 如 交 货 状 态 、 力 学 性 能 检 验 率 、超 声 波 检 测 ） 应
3、该 符 合 GB 150 或 JB 4732 的 规 定 ， 以 锻 件 为 基 材 时 ， 应 采 用 级 或 级锻 件 。 基 材 的 标 准 抗 拉 强 度 下 限 值 大 于 或 等 于 540MPa 的 复 合 板 ， 须 经 技 术 评 定 后 才 能 使用 1。b) 覆 材 覆 材 是 与 介 质 直 接 接 触 的 部 分 ， 主 要 利 用 其 耐 腐 蚀 、 耐 磨 性 、 抗 磁 性 等 特 点 。覆 材 选 用 的 不 锈 钢 板 ， 对 不 计 入 强 度 计 算 的 奥 氏 体 型 不 锈 钢 覆 材 ， 可 选 用 GB24511 以 外的 国 家 标 准 中 的
4、 钢 材 ， 该 覆 材 钢 号 的 技 术 要 求 （ 如 磷 、 硫 含 量 ， 强 度 指 标 等 ） 允 许 低 于GB 24511 相 应 钢 号 的 规 定 2。 选 择 覆 材 时 ， 应 考 虑 容 器 内 的 介 质 对 覆 层 不 锈 钢 的 影 响 ， 比如 应 力 腐 蚀 和 晶 间 腐 蚀 等 。c) 常 见 复 合 钢 板 选 取 可 按 表 一 进 行 选 择 ：表一 覆材和基材 1覆材 基材标准号 牌号示例 标准号 牌号示例GB 713 Q245R,Q345R,15CrMoRJB 4726 16Mn,20MnMo,15CrMoGB 3531 16MnDRJB 4
5、727 16MnDGB 24511 S31603GB/T 2054YB/T 5253YB/T 5253N5N6N7NCu30NS111NS112NS142NS312NS334NS335 JB 4728 00Cr17Ni14Mo22.2 设计及技术要求的提法1）按照工艺专业所提委托，选择合适的基材和覆材，并且根据所提设计参数计算基层材料的厚度。确定基层名义厚度时应考虑容器的强度以及刚度等问题，须留有适当的安全余量。在确定覆层厚度时应满足以下两点的要求： 覆材厚度为 2mm16mm1； 基材最小厚度为 6mm，且基材厚度与覆材厚度之比通常不小于 31。2）复合钢板压力容器设计中常常需要涉及的对制造
6、、检验和验收的要求主要有：钢板的超声复验、焊接接头无损检测比例、力学性能、冲击试验、结合状态检验及弯曲性能检验、是否需要做焊接试板、是否需要进行热处理等。 超声波检测 复合板应经超声波检测，扫查方式采用 100%扫查。其结合状态应符合表二的规定。表二 结合状态 1级别代号 单个未结合指示长度，mm 单个未结合区面积，cm 2 未结合率， %B1 0 0 0B2 50 20 2B3 75 45 5 力学性能 复合板复合界面的结合剪切强度不小于 210MPa，对于双面复合板，分别保留不同侧覆材进行剪切试验。复合板一般只保留一种覆材进行拉伸试验，当基材厚度大于40mm 或需方指定时，只进行基材的拉伸
7、试验。复合板只进行基材的冲击试验，冲击温度和冲击功应符合基材标。 准的规定。如基材标准中无冲击试验要求，则复合板不进行冲击试验。 弯曲性能 单面复合板内弯曲（覆材表面受压）和外弯曲（覆材表面受拉）试验，双面复合板外弯曲（两种覆材表面分别受拉）试验，其结果应符合表三的规定。基材为锻件的复合板不进行弯曲试验。表三 弯曲性能 1弯曲角度 弯曲直径 合格标准180内弯曲按基材标准的规定，外弯曲d=4a（d 为弯曲直径，a 为试样厚度）在弯曲部分的外侧不得有裂纹，复合界面不得有分层3. 不锈钢复合钢板焊接3.1 焊前准备 下料 不锈钢复合钢板的下料宜采用机械加工方法，也可以采用等离子弧切割、氧熔剂切割、
8、气割（从基层表面起割）等方法。采用这些方法下料时，应留有适当的加工余量。 接头形式 不锈钢复合钢板焊接接头主要采用对接和角接两种形式。 焊前清理 焊前应采用机械方法及有机溶剂清除焊丝表面和焊接坡口应不小于 20mm 范围内的油污、锈迹、金属屑、氧化膜及其它污物。多层焊道时，应清除前道焊缝表面的熔渣和缺陷等。3.2 焊条选择由于不锈钢复合钢板自身所具有的特点，其焊接材料的选择可按表四进行选择表四 焊接材料 3母材 埋弧焊 气体保护焊类别 牌号焊条电弧焊焊丝 焊剂 焊丝 气体A1 Q235B、 Q235C、 20、 Q245R、 CCS-A、 CCS-BE4303、 E4315、 E4316H08
9、AH08MnAHJ431SJ101H10Mn2H08Mn2SiAA2 Q345、 Q345R E5003、 E5015、 E5016A3 Q390、 Q420E5003、 E5015、 E5016、 E5501-G、 E5515-G、 E5516-GH08MnAH10Mn2H10MnSiH10MnSiAH08Mn2MoAHJ431HJ430HJ350SJ101SJ301SJ501H08Mn2SiAH08Mn2MoAH10Mn2MoAA4 13MnNiMoR E6016-D1E6015-D1 H08Mn2MoA HJ350SJ101H08Mn2MoA14Cr1Mo 、 14Cr1MoR E551
10、5-B2 基材AA5 15Cr1Mo、 14Cr1MoR E5515-B2H13CrMoAH08CrMoAHJ350SJ101H13CrMoAH08CrMoACO2或 ArB1 06Cr13 B2 06Cr13AlB3 06Cr19Ni1012Cr18Ni9E308-15E308-16H0Cr21Ni10B4 06Cr18Ni11Ti E347-15、 E3417-16 H0Cr20Ni10TiH0Cr20Ni10NbB5 022Cr19Ni10 E308L-16 H00Cr21Ni10覆材BB6 06Cr17Ni12Mo2 E316-16H0Cr19Ni12Mo2Ar06Cr19Ni13Mo
11、3 E317-16 H0Cr20Ni14Mo3B7 06Cr17Ni12Mo2Ti E318-16 H0Cr19Ni12Mo2022Cr17Ni12Mo2 E316L-16 H00Cr19Ni12Mo2B8022Cr19Ni13Mo3 E317L-16 过渡层异种刚 (A1A3)+(B1B5)E309-15、 E309-16E310-15、 E310-16H1Cr24Ni13H0Cr26Ni21H1Cr26Ni21H1Cr24Ni13Mo2(A1A3)+(B6B8)过渡层异种刚 (A4A5)+(B1B5)E309Mo-16E310Mo-16 H1Cr24Ni13Mo23.3 焊接程序不锈钢复合
12、钢板的焊接与其它钢焊接有所不同，其焊接分为：基层的焊接、过渡层的焊接和复层的焊接，而且各层焊接采用的焊条也不尽相同。因此，不锈钢复合钢板的焊接工艺较为复杂。焊接时，宜先焊基层，经清根及规定的质量检验合格后，再焊过渡层，最后焊复层。若不能按上述顺序进行焊接时，也可先焊复层，再焊过渡层，最后焊基层。但这种情况下，基层的焊接，宜选用性能不低于过渡层焊接的焊条或焊丝。3.4 焊接接头检验 不锈钢复合钢板压力容器焊接接头可采用射线或超声波检测，其检测比例根据实际情况而定。一般的不锈钢复合钢板压力容器焊接接头可采用检测比例不小于 20%的射线检测，检测技术等级为 AB 级。3.5 晶间腐蚀倾向试验和水压试
13、验不锈钢复合钢板压力容器根据所盛装的介质决定是否进行晶间腐蚀倾向试验，对能引起复层不锈钢晶间腐蚀倾向或者不能确定能否引起复层不锈钢晶间腐蚀的介质，都应该进行晶间腐蚀倾向试验。水压试验时应严格控制水中氯离子含量不超过 25mg/L，试验合格后应立即将水渍吹扫干净。4.实际应用4.1 设计参数表五 设计实例工作压力 0.3MPa 设计压力 0.48MPa工作温度 80 设计温度 100介质 聚合液、水、碱液(5%) 介质特性 易燃、易爆、轻度危害内径 2000mm 搅拌釜规格 20004000（12+3）筒体 4000mm 筒体及封头材料 Q345R+S31603上表中的设计参数来自武汉鲁华粤达化
14、工有限公司碳五、碳九及裂解燃料油综合利用项目2 万吨/年碳五碳九共聚树脂装置碱洗釜工程图设计，此设备采用的是基层为 Q345R，复层为S31603（316L）不锈钢的不锈钢复合钢板。基层厚度为 12mm，复层厚度为 3mm，基层与复层的厚度之比为 4 大于 3，满足规范的要求。设备的焊接按 NB/T47015-2011 执行。根据设备所盛装的介质，查 SH/T 3075-2009石油化工钢制压力容器材料选用规范NaOH 溶液腐蚀环境可知设备碳钢焊接接头及弯管应进行消除应力热处理。由于 NaOH 溶液对奥氏体的晶间腐蚀倾向，本设备按GB/T4334.1-2000不锈钢 10%草酸浸蚀实验法进行了
15、晶间腐蚀敏感性检验。水压试验对水质的要求比较严格，要求水中氯离子含量不得超过 25mg/L，试验合格后应立即将水渍吹扫干净。由于工程图的设计比详细设计较为简略，其余针对不锈钢复合钢板容器的设计、制造和检验等要求应严格按相应标准执行，在此就不再赘述。4.2 设计图纸下图为武汉项目五碳九共聚树脂装置碱洗釜工程图设计图纸。图一 碱洗釜工程图5. 结语不锈钢复合钢板由于其 巨 大 的 社 会 经 济 效 益 ， 广 泛 应 用 于 石 油 化 工 、 精 细 化 工 、 制 盐制 碱 等 行 业 。 设 备 用 不 锈 钢 复 合 钢 板 压 力 容 的 设 计 ， 除 了 须 满 足 设 备 自 身
16、 的 强 度 和 刚 度 要求 外 ， 还 应 该 满 足 基材厚度与覆材厚度之比不小于 3 的要求。材料选择尤其是覆材的选择时应根据盛装介质考虑应力腐蚀和晶间腐蚀等情况，并做好相应的检验或预防措施。此类压力容器的焊接应严格按焊接规程进行焊接，并且保证焊缝的质量。在我们实际的工作中，认真严谨的工作态度、扎实可靠的工作经验，以及设计、制造、检验和验收层层的严格把关都是保证压力容器安全必不可少的组成部分。参考文献1 国家能源局 NB/T 47002.2470024-2009 压力容器不锈钢复合板 2 国家质量技术监督检疫总局 GB 150.1150.4-2011 压力容器3 国家质量技术监督检疫总局 GB/T 13148-2008 不锈钢复合钢板焊接技术要求4 国家工业和信息化部 SH/T 3075-2009石油化工钢制压力容器材料选用规范一、概
