鋼制壓力容器用材料

2009年12月16日張凱1

課題目錄第一篇法規、標準對壓力容器用鋼材料的要求

一、壓力容器用鋼的基本要求二、鋼制壓力容器允許使用的鋼材三、“容規”對材料的要求第二篇材料標準

一、代號二、幾個機械性能指標及符號三、尺寸、外形、檢驗與試驗第三篇容器設計選用材料的注意事項一、材料性能的影響因素二、材料的性能要求三、設計條件的要求2第一篇法規、標準對壓力容器用鋼材料的要求

一．壓力容器用鋼的基本要求1．壓力容器受壓元件用鋼應符合GB150中第4節材料章的要求。非受壓元件用鋼,當與受壓元件用鋼焊接時,也應是化分相近、焊接性良好的鋼材。2.采用GB150中第4節材料章以外的其他鋼號的鋼材,還應符合“附錄A材料的補充規定”的有關規定。3.附錄A作為第4節的補充，對下列鋼材提出了要求：1）已列入第4節但尚未列入材料標準（國家標準或行業標準）的鋼材；34．容器用鋼應附有鋼材生產單位的鋼材質量證明書，容器制造單位應按質量證明書對鋼材進行驗收，必要時尚應進行復驗。5．選擇壓力容器用鋼應考慮容器的使用條件（如設計溫度、設計壓力、介質特性和操作特點等）、材料的焊接性能、容器的制造工藝以及經濟合理性。6．鋼材的使用溫度下限，除奧氏體鋼及本章有關條文另行規定者外，均高于-20℃。鋼材的使用溫度低于或等于-20℃時，應按附錄C的規定進行夏比（V型缺口）低溫沖擊試驗。奧氏體鋼的使用溫度高于或等于-196℃，可免做沖擊試驗。57.鋼材的使用溫度上限應按第4章各材料許用應力表中各鋼號所對應的上限溫度。碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃下長期使用時，應考慮鋼中碳化物相的石墨化傾向。所謂石墨化是指鋼在高溫和應力長期作用下，會使碳化物分解成游離的石墨，這個過程是自發進行的，稱為鋼的石墨化過程。它不但消除了碳化物在鋼中的作用，而且石墨相當于鋼中的小裂紋，使鋼的強度和塑性顯著降低而引起鋼件脆斷，這是一種十分危險的轉變過程。向鋼中加入Cr、Ti、Nb等合金元素，能阻止石墨化過程；采用退火或回火處理也能減少石墨化傾向。

奧氏體鋼的使用溫度高于525℃時，鋼中含碳量應不小于0．04%，主要考慮高溫下鋼的強度的下降。68．當對鋼材有特殊要求時，（如特殊的冶煉方法、較高的沖擊功指標、附加保證高溫屈服強度、提高無損檢測要求、增加力學性能檢驗率等），設計單位應在圖樣或相應技術文件中注明。9．鋼材的高溫性能參考值見150附錄F。7二．鋼制壓力容器允許使用的鋼材1.鋼板1.1碳素鋼板1.1.1Q235鋼板GB/T700-2006碳素結構鋼現在剩Q235-D符合新容規要求，但是又不在150范圍內。≯4mmGB912-2008碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋薄鋼板及鋼帶﹥4mmGB/T3274-2007碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶81.1.2Q245R鋼板GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板1.2低合金鋼板1.2.1常用鋼板Q345RQ370R18MnMoNbR13MnNiMoRGB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板1.2.2中溫抗氫用鋼板15CrMoR14Cr1MoR12Gr2Mo1R12Gr1MoVRGB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板1.2.3低溫容器用鋼板16MnDR15MnNiDR09MnNiDRGB3531-2008低溫壓力容器用低合金鋼鋼板91.3球罐用調質鋼板07MnCrMoVR07MnNiMoVDR12MnNiVRGB19189-2003壓力容器用調質高強度鋼板1.4不銹鋼板12Cr18Ni9(304)06Cr18Ni11Ti(321)022Cr19Ni10（304L）022Cr17Ni12Mo2（316L）………GB/T4237-2007不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶101.5不銹鋼復合鋼板JB4733-1996壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板爆炸法GB/T8165-2008不銹鋼復合鋼板和鋼帶爆炸、軋制法2．鋼管2.1碳素鋼管、低合金鋼管GB/T8163-2008輸送流體用無縫鋼管≤10mmGB9948-2006石油裂化用無縫鋼管GB/T6479-2000高壓化肥設備用無縫鋼管另外其他可用的鋼管標準,如：GB/T3087、GB5310等。2.2低溫鋼管-40℃16MnGB/T6479-2000高壓化肥設備用無縫鋼管-50℃09MnDGB150附錄A112.3不銹鋼無縫鋼管GB/T14976-2002流體輸送用不銹鋼無縫鋼管GB13296-2007鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管2.4不銹鋼焊接鋼管GB12771-2000流體輸送用不銹鋼焊接鋼管①容器設計壓力不大于6.4MPa。②各鋼號鋼管的使用溫度范圍與相應鋼號的無縫鋼管相同。③鋼管壁厚不大于8.0mm。④不得用于毒性程為極度危害的介質。⑤各鋼號鋼管的許用應力為相應鋼號無縫鋼管的許用應力乘以0.85的焊接接頭系數。123．鍛件3.1標準簡介JB4726-2000壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件JB4727-2000低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件JB4728-2000壓力容器用不銹鋼鍛件3.2鍛件級別ⅠⅡⅢⅣ（使用工況和檢測要求的不同）鍛件級別要在圖樣上注明，如：16MnⅡ、09MnNiDⅢ-區分鍛件與管子的不同。134.螺柱用鋼25354535CrMoA25Cr2MoVA0Cr17Ni14Mo240CrNiMoA（大直徑高壓容器主螺栓）5.焊接材料JB/T4747-2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術條件》代替GB/T983-1995《不銹鋼焊條》GB/T5117-1995《碳鋼焊條》GB/T5118-1995《低合金鋼焊條》14三．《容規》對材料的要求1.通用要求與GB150基本相同，主要是對材料的管理要求。2.容規的特殊要求2.1壓力容器專用鋼板（帶）的制造單位應當取得相應的特種設備制造許可證；2.2用于焊接的碳素鋼和低合金鋼碳素鋼和低合金鋼鋼材，C≤0.25%、P≤0.035%、S≤0.035%。2.3壓力容器專用鋼中的碳素鋼和低合金鋼（鋼板、鋼管和鋼鍛件），其磷、硫含量應當符合以下要求：

15（1）碳素鋼和低合金鋼鋼材基本要求，P≤0.030％、S≤0.020％；（2）材標準抗拉強度下限值大于等于540MPa

的鋼材，P≤0.025％、S≤0.015％；

（3）用于設計溫度低于-20℃并且鋼材標準抗拉強度下限值小于540MPa的鋼材，P≤0.025％、S≤0.012％；（4）用于設計溫度低于-20℃并且鋼材標準抗拉強度下限值大于等于

540MPa

的鋼材，P≤0.020％、S≤0.010％。

162.4壓力容器受壓元件用鋼，應當是氧氣轉爐或者電爐冶煉的鎮靜鋼。對標準抗拉強度下限值大于或者等于540Mpa

的低合金鋼鋼板和奧氏體-鐵素體不銹鋼鋼板，以及用于設計溫度低于-20℃的低溫鋼板和低溫鋼鍛件，還應當采用爐外精煉工藝。。2.5取消了碳當量不大于0.45%的限定要求。2.6

力學性能進行了詳細規定：對沖擊功和斷后伸長率做了具體規定，并給出數值，見容規的表2-1和2-2。172.7鋼板超聲波檢測

厚度大于或等于12mm

的碳素鋼和低合金鋼鋼板（不包括多層壓力容器的層板）用于壓力容器殼體時，凡符合下列條件之一的，應當逐張進行超聲檢測：（1）

盛裝介質毒性程度為極度、高度危害的壓力容器；

（2）

在濕H2S

腐蝕環境中使用；

（3）

設計壓力大于等于10MPa

的；

（4）

本規程引用標準中要求逐張進行超聲檢測的。

3.境外牌號材料的使用

3.1

基本管理要求與GB150相同。183.2壓力容器制造單位應當對進廠材料與材料質量證明書進行審核，并且對材料的化學成分和力學性能進行驗證性復驗，符合相關要求后才能投料使用；

3.3標準抗拉強度下限值大于等于540MPa

的鋼材，以及用于壓力容器設計溫度低于-40℃的低合金鋼鋼材，材料制造單位還應當按照容規1.9

的規定通過技術評審，其材料方可允許使用。3.4當境外牌號材料由境內材料制造單位制造的材料生產時，除應當上述要求外，還應當按照容規1.9的規定通過技術評審，評審內容包括材料制造單位的相關條件和材料的試制技術文件。194.新材料的使用

4.1

未列入本規程引用標準的材料

主要受壓元件采用未列入容規引用標準的材料，試制前材料的研制單位應當進行系統的試驗研究工作，并且應當按照容規1.9

的規定通過技術評審合格，該材料方可允許使用。4.2

已列入本規程引用標準的材料

標準抗拉強度下限值大于或者等于540Mpa的鋼材，以及用于設計溫度低于-40℃的低合金鋼鋼材，如果鋼材制造單位沒有該鋼材的制造或者壓力容器應用業績，則應當進行系統的試驗研究工作，并且按照容規1.9

的規定通過技術評審，該鋼材方可允許使用。

205.材料投用和標志移植

5.1壓力容器制造單位應當通過對材料供貨單位進行考察、評審、追蹤等方法，確保所使用的壓力容器材料符合本規程的要求，并且在材料進廠時審核材料質量證明書和材料標志；

5.2對于采購的第Ⅲ類壓力容器用Ⅳ級鍛件，以及不能確定質量證明書的真實性或者對性能和化學成分有懷疑的主要受壓元件材料，壓力容器制造單位應當進行復驗，符合容規的規定后方可投料使用；

5.3用于制造壓力容器受壓元件的材料在分割前應當進行標識移植。216.焊接材料

6.1用于制造壓力容器受壓元件的焊接材料，應當保證焊縫金屬的力學性能高于或者等于母材規定的限值，當需要時，其他性能也不能低于母材的相應要求；

6.2焊接材料應當滿足相應焊材標準和本規程引用標準的要求，并且附有質量證明書和清晰、牢固的標志；7.材料代用壓力容器制造或者現場組焊單位對主要受壓元件的材料代用，應當事先取得原設計單位的書面批準，并且在竣工圖上做詳細記錄。22第二篇材料標準

GB150-98列出了用于壓力容器制造的各種材料標準，主要是幾個影響大的標準（現在的標準號），下面將現行的一些材料標準列后：GB/T700-2006碳素結構鋼GB912-2008碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋薄鋼板及鋼帶GB/T3274-2007碳素結構鋼和低合金結構鋼熱軋厚鋼板和鋼帶GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板GB3531-2008低溫壓力容器用低合金鋼鋼板GB19189-2003壓力容器用調質高強度鋼板JB4733-1996壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板23GB/T8165-2008不銹鋼復合鋼板和鋼帶GB/T4237-2007不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶GB/T8163-2008輸送流體用無縫鋼管GB9948-2006石油裂化用無縫鋼管GB/T6479-2000高壓化肥設備用無縫鋼管GB/T14976-2002流體輸送用不銹鋼無縫鋼管GB13296-2007鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管GB12771-2000流體輸送用不銹鋼焊接鋼管JB4726-2000壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件JB4727-2000低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件JB4728-2000壓力容器用不銹鋼鍛件JB/T4747-2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術條件》等等24一、代號1.壓力容器專用鋼材（鋼板、鍛件、鋼管）2.常用材料的代號表示2.1R的含義根據壓力容器專用鋼板標準表示方法中的規定：標準所列牌號后面的“R”是指壓力容器“容”字的漢語拼音第一個字母。”2.2Q的含義根據GB/T700-2006中牌號表示方法中的規定：鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數值（如235表示屈服點為235MPa）、質量等級符號、脫氧方法符號等四部分按順序組成。25Q—鋼材屈服點“屈”字漢語拼音首位字母；A、B、C、D—分別為質量等級；F—沸騰鋼“沸”字漢語首位字母；b—半鎮靜鋼“半”字漢語拼音首位字母；z—鎮靜鋼“鎮”字漢語拼音首位字母；TZ—特殊鎮靜鋼“特鎮”兩字漢語拼音首位字母；在牌號組成表示方法中，“z”與“TZ”符號予以省略。如：Q345C，Q235-B26二．幾個力學性能指標及符號1.強度:是指在外力的作用下,抵抗變形和破壞的能力。應用最普遍的強度指標是:屈服強度ReL；抗拉強度Rm。單位MPa,均為極限值。1.1屈服強度ReL材料受外力超過一定值時,變形會突然增加,這時雖然載荷不再增加,而仍斷續發生塑性變形的現象叫屈服。開始出現屈服時的應力叫屈服極限。含碳量較高,合金含量較高和淬火回火的鋼,屈服現象不明顯,這時就將引起殘余伸長相當于原試樣標距長度0.2%的應力,規定為“條件屈服應力”,以Rr0.2表示。

271.2抗拉強度Rm材料受外載荷斷續增大,在斷裂前承受的最大載荷時的應力,稱為材料的抗拉強度。1.3屈強比(ReL/Rm)工程上比較重視屈強比,這個值越小,表示材料屈服極限與強度極限的差距越大,即塑性越好,從而保證了使用中的安全可靠。但無疑也使材料在彈性變形范圍內承受載荷小,相反屈強比高,說明屈服限接近強度限。材料在斷裂前塑性“儲備”太少,對應力集中敏感,耐疲勞抗力下降。在設計中必然要對應力狀態有充分估計(局部應力,應力集中,二次應力);制造中要盡量避免加工硬化,裂紋及殘余應力。所以設計中要考慮屈強比,一般屈強比大于0.7的材料在設計中和制造中應予以重視;大于0.8-0.85的材料要特殊對待。282.其他力學性能指標2.1塑性金屬的塑性是指在外力作用下,能引起永久變形而不發生破裂,并在外力取消后,仍能保持變形后形狀的能力。塑性值也可通過拉伸試驗測得。通常用伸長率(延伸率)A和斷面收縮率Z來表示。從壓力容器本身工作條件看,一般材料延伸率是足夠的。但必須考慮如下情況：首先，材料由于冷作(冷卷、壓頭、錘擊、剪切)和焊接引起伸長率降低是不可估量的。另外，容器實際工作的受力并非單向應力,這些均會降低材料的延伸率，影響壓力容器的安全儲備。292.2沖擊韌性在沖擊力作用下,抑制變形和斷裂的能力。目前以Akv表示為多,即以沖斷試樣消耗的沖擊功,單位是焦耳(J)。目前壓力容器用鋼板全部改為用夏比(V)形沖擊功(即Akv)作為沖擊韌性驗收標準。在低溫環境下的沖擊試驗為低溫沖擊。2.3硬度金屬材料抵抗更硬異物壓入的能力。硬度表明材料的耐磨性和切削加工的可能性。一般來說,硬度較高,材料耐磨性較好。常用硬度有布氏硬度(HB),洛氏(HR),維氏(HV)三種。302.4冷彎材料抵抗彎曲斷裂能力的標志,它間接反映了材料的塑性。這個試驗既可檢查鋼的塑性的好壞,也可以考核其加工工藝性能。也能夠暴露鋼板受試面缺陷,對于焊接試板,還可以檢查焊接缺陷。2.5斷裂韌性反映材料對裂紋擴展的抵抗能力。2.6高溫長期性能對于設計溫度超過某一界限（對于碳鋼及低合金鋼大致為400℃），在高溫下長期工作的壓力容器，必須考核鋼材的高溫持久強度及蠕變強度性能。312.6.1蠕變強度在常溫條件下，金屬材料受外力作用時，如應力小于彈性極限，則構件僅產生彈性變形；如應力達到屈服極限，則構件除產生彈性變形外，還產生一定的塑性變形，上述變形值只要受力不變就一直保持下去，不隨時間而改變。但是，在高溫條件下，會在受外力作用后所產生變形的基礎上，隨時間的增長，其塑性變形會不斷增加，時間越長，累積的塑性變形量越大，直至發生破壞。2.6.2高溫持久強度在給定的溫度下，使材料經過規定時間發生斷裂的應力稱為鋼的持久強度。32三、尺寸、外形、檢驗與試驗1.鋼板厚度負偏差在各鐘鋼板材料標準中均規定了鋼板不同厚度范圍的鋼板厚度允許偏差。作為設計人員應了解鋼板厚度負偏差。1.1GB713-2008鋼板厚度負偏差，與GB6654的區別。1.2其他容器專用板材的厚度負偏差如GB912-2008GB/T3274-2007

GB/T19189-2003GB3531-2008GB/T4237-2007332.化學成分各牌號的化學成分，一些元素的上限要求，微量元素要求，在各標準中均有規定。化學成分的允許偏差應符合GB/T222的相關規定。3.冶煉方法應按照容規規定。4.交貨狀態各標準中均規定了各牌號交貨的熱處理狀態及與之相關各種力學性能指標與試驗要求。5.鋼板力學性能試驗取樣方法(GB2975-82)及合格指標應在規定鋼板端部垂直于軋制方向切取拉力、沖擊及彎曲樣坯。如圖所示。34356.檢驗和試驗要求抗拉強度極限屈服強度極限沖擊功高溫性能延伸率斷面收縮率冷彎硬度另外還有UT，等等！

36第三篇容器設計選用材料的注意事項：一、材料性能的影響因素1.化學成分的影響1.1含碳量增加，強度、硬度提高，而塑性、韌性下降。1.2合金元素各有不同的作用：Mn增加可提高強度（但應控制<1.9%），強化元素。V、Ti、Nb等元素可以細化晶粒，提高韌性及材料致密度。Mo提高鋼的熱強性能、在高溫時保持足夠強度、細化晶粒，防止鋼的過熱傾向。Cr、Ni提高鋼的熱強性、高溫氧化性和耐腐蝕性。371.3有害元素：P、S形成低熔點化學物，導致熱脆性和冷脆性，使塑性、韌