在壓力容器設計中,正確選用結構材料對于保證容器結構合理,操作安全以及合理的經濟性是至關重要的。

鋼材的選用應根據設備的設計壓力,設計溫度以及介質特性。所選用的材料在設計條件下應具有好的機械性能,耐腐蝕性能,良好的焊接性能以及冷熱加工性能。除此之外,還應選用最經濟的材料,以降低設備成本。

一、化工和石油化工裝置中常用鋼材按它的化學成分和金相組織分類定義如下:

1. 碳素鋼

含錳量小于等于1.2%,含碳量小于等于2.0%,不有意加其它合金元素的鐵碳合金。其中低碳鋼一般是指含碳量小于等于0.25%的碳素鋼。從鋼材可焊性考慮,用于焊接結構受壓元件用鋼的含碳量不應大于0.25%。也就是說,焊接壓力容器用碳素鋼均是低碳鋼。本選材原則中所指碳素鋼均為低碳鋼。

2. 低合金鋼

低合金鋼是低合金高強度鋼和珠光體耐熱鋼的總稱。其中低合金高強度鋼是指以提高鋼材強度和改善綜合性能為主要目的合金含量小3.0%的合金鋼。例如:16MnR,15MnV等。

3. 珠光體耐熱鋼

指以改善鋼材耐熱及抗氫性能為主要目的,加入鉻Cr≤10%,鉬等合金元素的低碳珠光體耐熱鋼。例如: 18MnMoNb ,15CrMo等鋼。

4. 奧氏體不銹鋼

常溫下金相組織大部分為奧氏體的不銹鋼。例如:Cr18Ni9,Cr17Ni12Mo2。

5. 鐵素體不銹鋼

常溫下金相組織大部分為鐵素體的不銹鋼。例如:Cr13A1。

6. 馬氏體不銹鋼

常溫下金相組織大部分為馬氏體的不銹鋼。例如:Cr13。

制造壓力容器的材料應符合GBT 150《鋼制壓力容器》的規定,具體鋼號的使用溫度上限是許用應力表中提供具體許用應力值的最高溫度。國內鋼號和ASME-II相近鋼號的化學成分,常溫機械性能,供貨狀態等見相關標準。

二、各類鋼材選用一般原則:

從采購和制造考慮,容器選用的鋼材應盡量合并品種和規格。

⑴ 碳素鋼

選用Q235-A、F,Q235-A,Q235-B,Q235-C鋼號的條件必須符合GB150的具體規定。

受壓元件壁厚小于8mm時,盡量采用碳素鋼鋼板。受壓元件壁厚取決于剛度時,優先選用碳素鋼。

⑵ 低合金鋼  

受壓元件壁厚取決于強度時,在符合適用范圍前提下,依次選用低碳鋼、低合金鋼。即20R,16MnR,15MnVR等鋼板。

碳素鋼和碳錳鋼在425℃下長期使用,因鋼中的滲碳體分解而產生碳化物相的石墨化傾向,使材料的強度,塑性和沖擊韌性下降,鋼材明顯變脆,所以不能使用。必須采用低碳珠光體耐熱鋼。 

⑶ 珠光體耐熱鋼

珠光體耐熱鋼一般用作設計溫度高于350℃的耐熱鋼或抗氫用鋼。

⑷ 奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼主要用于耐物料腐蝕或者物料要求干凈不能受鐵離子污染的工況。

奧氏體不銹鋼一般不用作設計溫度高于500℃的耐熱鋼。

奧氏體不銹鋼一般只在無法選擇低合金鋼作低溫用鋼時才用作低溫用鋼。

當所需厚度大于12mm時,應優先考慮選用奧氏體不銹鋼復合鋼材。

⑸ 低溫用鋼

當設計溫度為低于等于-20℃時,一般應選用低溫用鋼(低應力除外)。

若鋼材使用在材料脆性轉變溫度以下且應力達到一定數值后,材料就會出現脆性破壞。若材料在使用溫度下具有一定的韌性,就可以避免出現脆性破壞。在實際生產中,采用沖擊試驗的方法來衡量材料的韌性,并根據材料的拉伸強度規定了相應的沖擊值要求。低溫用鋼材除滿足拉伸強度和屈服強度要求外還必須滿足沖擊韌性的要求。

⑹ 耐腐蝕用鋼

抗氫腐蝕鋼--珠光體耐熱鋼用作高溫抗氫鋼時,因長期使用在高溫下,溶于鋼中的氫與碳發生化學反應所生成的甲烷聚集,使鋼材產生內裂紋甚至出現開裂(即氫脆)。為此,在高溫含氫的工況下,應根據物料的氫分壓(設計壓力乘氫的體積百分數)和設計溫度查納爾遜曲線以求得適用于該工況的鋼號。納爾遜曲線可查HG20581。

⑺ 非受壓元件用鋼

GB150規定了壓力容器用鋼,對非受壓元件沒有作明文規定,HG20581對非受壓元件鋼材的選用提出如下規定:

根據部件的使用溫度下限,重要性以及承受壓力大小,按下述規定分別選取相應的系數K1, K2, K3。

使用高溫系數K1:

T> 0℃,  K1=1;  0℃≤T > -20℃,  K1=2;   -20℃≤T,   K1=3。

重要性系數K2:

若有損壞,對設備僅局部有影響, K2=1; 若有損壞,對設備整體有影響, K2=2。

應力水平系數K3:

應力水平低, K3=1;

應力水平小于等于許用應力的2/3, K3=2;

應力水平大于許用應力的2/3, K3=3。

K= K1+ K2 + K3

按板厚和K值從下表查取應采用的鋼號。