3、材料、环境和时间对压力容器性能的影响

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

《过程设备设计》 过程设备设计》第三章

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

3、材料、环境和时间对压力容器性能的影响

压力容器安全性

内在因素：材料、制造 外在因素：载荷、环境、时间

本章内容： 本章内容：除第2章已述载荷外的其它因素

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

3.1 压力容器材料3.1.1 压力容器常用钢材 按形状划分的类型及应用形状类型

第3章

钢锭、钢板、钢管、钢棒、钢丝(d<10)以 及角钢、槽钢、工字钢、口字钢等型钢 钢锭——熔化、铸造成铸件 钢板或钢棒——切割、锻造成锻件

应用

钢板——卷焊成圆筒式圆锥，或冲压成各种封 头，冷卷成冷压时要求冷弯性能好 钢管——切焊成管接头或切成细圆筒3

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

按成分划分的类型及应用普通碳素钢——如Q235钢板

第3章

优质碳素钢——如10、20钢管、20、35锻件

碳素钢

压力容器专用碳素钢——如20R钢板(对硫、 磷元素控制严格，表面质量好，内 部缺陷少)R表示容器用钢 碳素钢适于制造常压或中、低压容器

低合金钢

合金钢

高合金钢 压力容器专用合金钢4

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

(1)16MnR ——主要用于制造中、低压容器和多层高压容器用 量最大 (2)16MnDR (D表示低温用钢)——主要用于制造-40℃的压 力容器，如液氨储罐 (3)15MnNiDR——低温韧性优于16MnDR,常用于制造-40℃ 的球形压力容器 (4)09MnNiDR——主要用于制造-70℃的压力容器，如液丙烯 或液硫化氢压力容器 (5)15MnMoR——在中温下能抗氢腐蚀，常用于制造560 ℃的 临氢压力容器 (6)20MnMo——常用于制造-40~ 470℃的重要大、中型锻件5

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(7)09MnNiD——常用于制造-60~-45℃的低温煅件 (8)12Cr1MoV——常用于制造350~480℃高温、~25MPa高压 的临氢大型锻件 (9)0Cr13——不锈钢，在室温下耐稀硝酸或弱有机酸腐蚀，但 不耐硫酸、盐酸、热磷酸腐蚀 (10)0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10——均为不锈钢，耐 大气、水蒸汽腐蚀的能力依次增强 (11)00Cr18Ni5Mn3Si2——不锈钢，耐应力腐蚀、小孔腐蚀、 氯离子腐蚀 对于大型、厚壁压力容器，全部用不锈钢制造不经济，可采 用由基层和衬层组成的复合板材制造。基层为碳素钢或低合金钢， 主要起承载作用；衬层为不锈钢，主要起防腐作用。6

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

3.1.2 有色金属和非金属 有色金属

第3章

a. 铜及其合金——在制造压力容器时最有价值的性能是低温塑 性及冲击韧性，故适于制造深冷设备。在无氧条件下耐 腐蚀，例如不怕非氧化酸，在有氧条件下不耐腐蚀，例 如害怕氧化酸、氨生产中的仪表、泵、阀门等均不能用 铜制造。耐大气、水、中性盐及苛性减腐蚀，不耐氯、 溴、二氧化硫、硫化氢等气体和潮湿大气。 b. 铝及其合金——耐浓硝酸、醋酸、碳酸氢氨、尿

素等，不耐 碱。有良好的低温塑性和韧性，适于制造深冷设备。有 良好的成型及焊接性能，适于制造热交换器。7

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

c. 镍及镍合金——耐强腐蚀性优于不锈钢，高温强度优于耐热 钢，价格高，只用于制造特殊压力容器。 d. 钛及钛合金——对中性、氧化性、弱还原性介质，如湿氯气、 氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液耐腐蚀。适 于-195~350 ℃温度内使用。

非金属材料耐腐蚀性好，可单独使用，也可作金属材料的保护衬里 或涂层等。但是大多数耐热性差。 压力容器常用非金属材料主要有：涂料、工程塑料(玻 璃钢是玻璃纤维增强塑料)、不透性石墨(没有孔隙，介质在 压力下不会透过)、陶瓷、搪瓷等。8

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3.2

压力容器制造工艺对钢材性能的影响

参见教材94~101页结合上学期的《工程材料与制 造工艺学》课程自学。

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

3.3

环境和时间对压力容器用钢性能的影响

3.3.1 温度 短期静载下温度对钢材力学性能的影响

图中： ——伸长率，塑性指标； ——伸长率 图中：δ——伸长率，塑性指标； ψ——截面收缩率，塑性 ——截面收缩率， ——截面收缩率 指标

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

韧脆转变温度 铜、铝和奥氏体不锈钢 等没有韧脆转变温度，即使 在低温下仍有很好的韧性。

第3章

长期静载和高温下的钢材性能 蠕变——金属材料在静载和高温下随时间逐渐发生塑性变形的 现象。蠕变脆化，甚至断裂，设计时应加以限制。 蠕变温度——金属材料发生蠕变的温度，碳素钢蠕变温度为 >420 ℃,合金钢>450 ℃11

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a. 蠕变曲线

第3章

t1——减速蠕变时段；t2 ——恒速蠕变时段；t3——增速蠕变时段 ——减速蠕变时段 减速蠕变时段； ——恒速蠕变时段 恒速蠕变时段； ——增速蠕变时段12

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

b. 蠕变强度与持久强度 在工作高温下和规定时间内(一般取 蠕变强度 105h),使试件产生一定蠕变伸长量 (一般取1%)的应力值。

第3章

在工作高温下和规定时间内(一般取 持久强度 105h),使试件经过蠕变而发生断裂 的应力值。

材料、环境和时间对压力容器性能的影响

第3章

蠕变强度用以防止过大变形，持久强度用以防止断裂。 高温压力容器设计往往同时用这两种强度来确定许用应力。 低温度、高应力下的蠕变断裂，会产生较大的伸长率， 高温度，低应力下的蠕变断裂，会产生较小的伸长率。 高温下的受拉螺栓在发生蠕变后伸长， 应力松驰 其弹性变形变为塑性变形，内应力减小 导致对连接件的夹紧力减小(应力松 驰),从而发生泄漏。

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3.3.2 介质腐蚀——略 3.3.3 加载速率

第3章

当加载速率较高时，材料屈服点变大，塑性及韧性下降， 易发生断裂。 加载速率在一定的范围内对中、低强度钢的韧性影

响明 显。

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3.4

压力容器的材料选择

第3章

3.4.1 压力容器用钢的基本要求化学成分 力学性能 制造工艺性能

3.4.2 压力容器钢材的选择压力容器的使用条件 零件的功能和制造工艺 材料的使用经验 材料价格 规范标准16

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