在压力容器设计中,正确选用结构材料对于保证容器结构合理,操作安全以及合理的经济性是至关重要的。
在压力容器设计中,正确选用结构材料对于保证容器结构合理,操作安全以及合理的经济性是至关重要的。
钢材的选用应根据设备的设计压力,设计温度以及介质特性。所选用的材料在设计条件下应具有好的机械性能,耐腐蚀性能,良好的焊接性能以及冷热加工性能。除此之外,还应选用最经济的材料,以降低设备成本。
一、化工和石油化工装置中常用钢材按它的化学成分和金相组织分类定义如下:
1. 碳素钢
含锰量小于等于1.2%,含碳量小于等于2.0%,不有意加其它合金元素的铁碳合金。其中低碳钢一般是指含碳量小于等于0.25%的碳素钢。从钢材可焊性考虑,用于焊接结构受压元件用钢的含碳量不应大于0.25%。也就是说,焊接压力容器用碳素钢均是低碳钢。本选材原则中所指碳素钢均为低碳钢。
2. 低合金钢
低合金钢是低合金高强度钢和珠光体耐热钢的总称。其中低合金高强度钢是指以提高钢材强度和改善综合性能为主要目的合金含量小3.0%的合金钢。例如:16MnR,15MnV等。
3. 珠光体耐热钢
指以改善钢材耐热及抗氢性能为主要目的,加入铬Cr≤10%,钼等合金元素的低碳珠光体耐热钢。例如: 18MnMoNb ,15CrMo等钢。
4. 奥氏体不锈钢
常温下金相组织大部分为奥氏体的不锈钢。例如:Cr18Ni9,Cr17Ni12Mo2。
5. 铁素体不锈钢
常温下金相组织大部分为铁素体的不锈钢。例如:Cr13A1。
6. 马氏体不锈钢
常温下金相组织大部分为马氏体的不锈钢。例如:Cr13。
制造压力容器的材料应符合GBT 150《钢制压力容器》的规定,具体钢号的使用温度上限是许用应力表中提供具体许用应力值的最高温度。国内钢号和ASME-II相近钢号的化学成分,常温机械性能,供货状态等见相关标准。
二、各类钢材选用一般原则:
从采购和制造考虑,容器选用的钢材应尽量合并品种和规格。
⑴ 碳素钢
选用Q235-A、F,Q235-A,Q235-B,Q235-C钢号的条件必须符合GB150的具体规定。
受压元件壁厚小于8mm时,尽量采用碳素钢钢板。受压元件壁厚取决于刚度时,优先选用碳素钢。
⑵ 低合金钢
受压元件壁厚取决于强度时,在符合适用范围前提下,依次选用低碳钢、低合金钢。即20R,16MnR,15MnVR等钢板。
碳素钢和碳锰钢在425℃下长期使用,因钢中的渗碳体分解而产生碳化物相的石墨化倾向,使材料的强度,塑性和冲击韧性下降,钢材明显变脆,所以不能使用。必须采用低碳珠光体耐热钢。
⑶ 珠光体耐热钢
珠光体耐热钢一般用作设计温度高于350℃的耐热钢或抗氢用钢。
⑷ 奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢主要用于耐物料腐蚀或者物料要求干净不能受铁离子污染的工况。
奥氏体不锈钢一般不用作设计温度高于500℃的耐热钢。
奥氏体不锈钢一般只在无法选择低合金钢作低温用钢时才用作低温用钢。
当所需厚度大于12mm时,应优先考虑选用奥氏体不锈钢复合钢材。
⑸ 低温用钢
当设计温度为低于等于-20℃时,一般应选用低温用钢(低应力除外)。
若钢材使用在材料脆性转变温度以下且应力达到一定数值后,材料就会出现脆性破坏。若材料在使用温度下具有一定的韧性,就可以避免出现脆性破坏。在实际生产中,采用冲击试验的方法来衡量材料的韧性,并根据材料的拉伸强度规定了相应的冲击值要求。低温用钢材除满足拉伸强度和屈服强度要求外还必须满足冲击韧性的要求。
⑹ 耐腐蚀用钢
抗氢腐蚀钢--珠光体耐热钢用作高温抗氢钢时,因长期使用在高温下,溶于钢中的氢与碳发生化学反应所生成的甲烷聚集,使钢材产生内裂纹甚至出现开裂(即氢脆)。为此,在高温含氢的工况下,应根据物料的氢分压(设计压力乘氢的体积百分数)和设计温度查纳尔逊曲线以求得适用于该工况的钢号。纳尔逊曲线可查HG20581。
⑺ 非受压元件用钢
GB150规定了压力容器用钢,对非受压元件没有作明文规定,HG20581对非受压元件钢材的选用提出如下规定:
根据部件的使用温度下限,重要性以及承受压力大小,按下述规定分别选取相应的系数K1, K2, K3。
使用高温系数K1:
T> 0℃, K1=1; 0℃≤T > -20℃, K1=2; -20℃≤T, K1=3。
重要性系数K2:
若有损坏,对设备仅局部有影响, K2=1; 若有损坏,对设备整体有影响, K2=2。
应力水平系数K3:
应力水平低, K3=1;
应力水平小于等于许用应力的2/3, K3=2;
应力水平大于许用应力的2/3, K3=3。
K= K1+ K2 + K3
按板厚和K值从下表查取应采用的钢号。
