压力容器用钢的基本要求

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1、压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求组组 别：别：3 3组组 员：员：陈鑫陈鑫 李福安李福安 王曦王曦安全可靠性是压力容器最重要的质量特性，并且与其自身的选材有着密切 的关系。为保障压力容器的安全性，压力容器用钢必须满足的基本要求是：压 力容器用钢要具有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。 压力容器用钢是否满足要求，可以从以下几个方面进行分析。一、化学成分一、化学成分 钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。对于用于制造压力容器 的钢材必须控制其各化学成分的含量。 钢中常见化学元素对钢性能的影响：钢中常见化学元素对钢性能的影响：1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点

2、和抗拉强度升高，但塑性和冲击性 降低。当碳量 0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构 钢，含碳量一般不超过 0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天 料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。压力容器用钢的含碳量一般不应大于 0.25%。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂。如果钢中含硅量超 过 0.50-0.60%，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉 强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入 1.01.2%的硅，强度可提 高 1520%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制 造耐热

3、钢。含硅 14%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。 硅量增加，会降低钢的焊接性能。3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰 0.300.50%。在碳素钢中加入 0.70%以上时就算“锰钢” ，较一般钢量的钢不 但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性 能，如 16Mn 钢比 A3 屈服点高 40%。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊 接性能。4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊 接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于 0.045%，优质钢要求更低些。5、硫（S）：硫

4、在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的 延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀 性。所以通常要求硫含量小于 0.055%，优质钢要求小于 0.040%。在钢中加入 0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控 制更加严格。例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于 0.020%和 0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在 0.002%以内。6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性， 但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化

5、性和耐腐蚀性，因而是不锈钢， 耐热钢的重要合金元素。7、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有 较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源， 故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。8、 钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保 持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结 构钢中加入钼，能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力； 降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬 18 镍 9 奥氏体不锈钢中加入适 当的钛

6、，可避免晶间腐蚀。10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加 0.5%的钒可细化组织晶粒，提 高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。11、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有 很高的硬度和耐磨性。12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度， 但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下 抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止 晶间腐蚀现象。13、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和 磁性材料。14、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的

7、钢，往往含有铜。铜能提高强度和韧 性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过 0.5% 塑性显著降低。当铜含量小于 0.50%对焊接性无影响。15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒， 提高冲击韧性，如作深冲薄板的 08Al 钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝 与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺 点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。16、硼(B)：钢中加入微量的硼可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。18、稀土(Xt)：稀土元素是

8、指元素周期表中原子序数为 57-71 的 15 个镧系 元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土” ，所以习惯上称稀土。钢 中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢 的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。常见压力容器用钢的化学成分要求：常见压力容器用钢的化学成分要求：化学成分对热处理也有决定性的影响，化学成分对热处理也有决定性的影响，如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。二、力学性能二、力学性能 材料的力学行为是指由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力状态的 不同，以及钢材在受力状态下它所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出 的不同行为。钢材的力

9、学行为，取决于材料的力学性能。钢材的力学性能主要 是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选择材料和强度计算 的主要依据。压力容器的力学性能判据：压力容器的力学性能判据： 压力容器设计中，常用的强度判据包括抗拉强度b,屈服点s,持久极限, 蠕变极限,疲劳极限 -1；塑性判据包括断后伸长率5,断面收缩率；韧性判据 包括冲击吸收功 AKV,韧脆转变温度,断裂韧性。压力容器用钢的力学性能要求：压力容器用钢的力学性能要求： 压力容器用钢需要在满足韧性的前提下，提高强度、提高塑性储备量。 压力容器用钢要具有良好的塑性，为防止压力容器的断裂失效和塑性失效， 确定许用应力时需要综合考虑抗拉强度和屈

10、服强度，许用应力取抗拉强度、屈 服强度除以各自的材料设计系数后所得的较小者。钢制压力容器对材料的力学 性能要求重视钢材的韧性和钢材的塑性储备量。所以，对于压力容器用钢，一 般情况下应避免采用调制热处理等方法不恰当地提高材料的强度，以留有一定 的塑性储备量。 韧性是材料在断裂前吸收变性能量的能力，是衡量材料对缺口敏感性的力 学性能指标，尤其能反映材料在低温或有冲击功作用是对缺口的敏感性。韧性 是材料强度和塑性的综合反映。在载荷的作用下，压力容器中的裂纹常会发生 扩展，裂纹扩展到一定临界尺寸时将会发生断裂事故。材料临界裂纹尺寸的大 小主要取决于钢的韧性和拉伸应力。钢的韧性好，压力容器所允许的临界尺

11、寸 就越大，安全性也越高。因此，为防止发生脆性断裂和裂纹的快速发展，压力 容器应选用韧性好的钢材。 夏比 V 型缺口冲击吸收功 AKV，与断裂韧性有较好的数值联系，能较好地反 映材料的韧性，世界各国压力容器规范标准都对 AKV提出了要求。如 Q345R 钢板， 要求在 0C时的横向（指冲击试件的取样方向）AKV不小于 34J。钢制压力容器 一般采用焊接制造，设计时应当要求焊接接头在低温冲击试验时的冲击功不低 于其母材在规定的相应设计值，否则容器的最低使用温度应高于低温冲击试验 温度。 常见压力容器用钢的力学性能：常见压力容器用钢的力学性能：拉伸试验冲击试验冷弯 试验牌号交货状 态钢板厚度/mm

12、抗拉强度b/MPa屈服点s/MPa伸长率5(%)温度/CV 型冲 击吸收 功AKV(横 向)/Jb2a 180616400520245252031d2a20R热轧、 控轧式1636400520235252031d2a3660400520225252031d2a正火60100390510205242031d2a616510640345212031d2a1636490620325212031d3a3660470600305212031d3a60100460590285202031d3a16MnR热轧、 控轧式 正火100120450580275202031d3a616530665390192031

13、d3a1636510645370192031d3a15MnV R热轧、 控轧式 正火3660490625350192031d3a616570710440182034d3a1636550690430182034d3a15MnV NR正火3660530670400182034d3a3660590740440172034d3a18Mn MoNb R正火加 回火60100570720410172034d3a10057072039018031d3a13MnN iMoNb R正火加 回火10012057072038018031d3a660450590295192031d3a15CrMoR正火加 回火601

14、00450590275182031d3a三、制造工艺性能三、制造工艺性能压力容器对钢材的制造工艺性能具有较高的要求。 冷加工的要求冷加工的要求 压力容器在制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的 冷加工成型性能和塑性，其断后伸长率5应在 1520%以上。为检验钢板承受 弯曲变形能力，可根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角 度为 180的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。焊接的要求焊接的要求 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材 的可焊性主要取决于它的化学成份。压力容器各零件主要采用焊接连接，良好 的可焊性是压力容器用

15、钢的一项极其重要的指标。 钢材的可焊性主要取决于其化学成分，主要是含碳量。含碳量愈低，愈不 易产生裂纹,可焊性愈好。其次，合金元素对钢材的可焊性也有不同程度的影响， 这种影响通常是用碳当量 Ceq 来表示。 国际焊接学会所推荐的碳当量公为:；5156VMoCrCuNiMnCCeq（式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量）中国锅炉压力容器制造许可条件中为:144540246VMoCrNiSiMnCCeq（按上式计算的碳当量不得大于 0.45%）一般认为，Ceq 小于 0.4%时，可焊性优良；Ceq 大于 0.6%时，可焊性差。 中国目前对压力容器用钢尚未规定碳当量要求，但上述计算碳当量的公式对分 析焊接裂缝的敏感性具有一定的参考价值。四、物理性能四、物理性能 压力容器材料的物理性能也是选材时要考虑的。压力容器使用在不同的场 合，对材料的物理性能也有不同的要求。 高温容器要用熔点高的材料，熔点高的材料再结晶软化温度较高；要进行 换热的容器要用热导率高的材料，如此可节省材料和能源；带衬里的容器要求 衬里材料与基体材料的线膨胀系数比较接近，否则有温度变化时，由于两种材 料的膨胀量不一致，会导致衬里开裂。 压力容器用钢要考虑的物理性能参数通常是弹性模量 E、重度 、熔点T 、比热容 c、热导率 、线膨胀系数 等。m几种常用金属材料的物理性能：几种常用金属材料的物理性能：