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1、3.4 压力容器材料选择压力容器材料选择3.4 压力容器材料选择压力容器材料选择3.4.1 压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求3.4.2 压力容器钢材的选择压力容器钢材的选择压力容器材料多种多样：压力容器材料多种多样：钢钢用的最多用的最多有色金属有色金属非金属非金属复合材料等复合材料等3.4.1 压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求本节对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。本节对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。压力容器用钢压力容器用钢的基本要求：的基本要求：较高的强度较高的强度良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性改善钢材性能的途
2、径：改善钢材性能的途径：化学成分的设计化学成分的设计组织结构的改变组织结构的改变零件表面改性零件表面改性一、化学成分一、化学成分钢材化学成分对其钢材化学成分对其性能性能和和热处理热处理有较大的影响。有较大的影响。1、碳、碳碳含量碳含量强度增加强度增加可焊性可焊性焊接时易在热影响区出现裂纹焊接时易在热影响区出现裂纹压力容器用钢的含碳量一般不应大于压力容器用钢的含碳量一般不应大于压力容器用钢的含碳量一般不应大于压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%0.25%。在钢中加入钒、钛、铌等元素，在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。可提高钢的强度和韧性。2、钒、钛、铌等、钒、钛、铌等3、S
3、、P是钢中最主要的有害元素是钢中最主要的有害元素硫硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。磷磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化性能、可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化性能、抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质因此，与一般结
4、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。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例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和和0.030%。随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在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。以内。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，就达不到预期的如果对成分控制不严，就达不到预期的热处理效果。热处理效果。二、力学性能二、力学性能材料的力学行为材料的力学行为由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力状态的不由于载荷（如载荷种
5、类、作用方式等）和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下同，以及钢材在受力状态下它所处的工作环境的不同，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，称为材料的力学行为钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。钢材的力学行为，钢材的力学行为，不仅与钢材的不仅与钢材的化学成分、组织结构化学成分、组织结构有有关关，而且与材料所处的，而且与材料所处的应力状态应力状态和和环境环境有密切的关系。有密切的关系。力学性能决定力学行为。力学性能决定力学行为。钢材的钢材的力学性能力学性能主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据，是主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选材和强度计算
6、的主要依据。机械设计时选材和强度计算的主要依据。a、压力容器设计中，常用的强度判据：、压力容器设计中，常用的强度判据：包括抗拉强度包括抗拉强度b屈服点屈服点s持久极限持久极限蠕变极限蠕变极限疲劳极限疲劳极限-1b、压力容器设计中，常用的塑性判据：、压力容器设计中，常用的塑性判据：断后伸长率断后伸长率5断面收缩率断面收缩率c、压力容器设计中，常用的韧性判据：、压力容器设计中，常用的韧性判据：冲击吸收功冲击吸收功Akv韧脆转变温度韧脆转变温度断裂韧性断裂韧性 韧性韧性-对压力容器的安全运行至关重要对压力容器的安全运行至关重要临界裂纹尺寸的大小主要临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性和拉伸应力取决于
7、钢的韧性和拉伸应力。如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安如果钢的韧性高，压力容器所允许的临界裂纹尺寸就越大，安全性也越高。全性也越高。为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好为防止发生脆性断裂和裂纹快速扩展，压力容器常选用韧性好的钢材。的钢材。如如16MnR16MnR钢钢板板，要要求求在在0 00 0C C时时的的横横向向（指指冲冲击击试试件件的的取取样样方方向向）A Akvkv不不小小于于31J31J。当当使使用用温温度度低低于于或或等等于于-20-200 0C C时时，需需要要考考虑虑低低温温冲冲击击韧韧性性，并并根根据据应应力力水水平平、设设计计温温度度和
8、和厚厚度，确定夏比度，确定夏比V V型缺口冲击试验温度和型缺口冲击试验温度和A Akvkv的指标。的指标。夏比夏比V V型缺口冲击吸收功型缺口冲击吸收功A Akvkv，能较好地反映材料的韧性，与断能较好地反映材料的韧性，与断裂韧性有较好的数值联系，世界各国压力容器规范标准都对裂韧性有较好的数值联系，世界各国压力容器规范标准都对A Akvkv提出了要求。提出了要求。A Akvkv三、制造工艺性能三、制造工艺性能 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，其断后伸长率加工成型性能和塑性，其断后伸长率5应在应在
9、1520%以上。为检验钢以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为在常温下做弯曲角度为1800的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方的弯曲实验。试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。可用于压力容器制造。冷加工的要求冷加工的要求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。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。钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。碳碳其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低，
10、愈不易产生裂其中影响最大的是含碳量。含碳量愈低，愈不易产生裂 纹，纹，可焊性愈好。可焊性愈好。按上式计算的碳当量不得大于按上式计算的碳当量不得大于0.45%。合金元素合金元素影响通常是用碳当量影响通常是用碳当量Ceq来表示。来表示。式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量国际焊接学会国际焊接学会所推荐的公式为所推荐的公式为中国中国“锅炉压力容器制造许可条件锅炉压力容器制造许可条件”中的公式为中的公式为一般认为，一般认为，Ceq 小于小于0.4%时，可焊性优良；时，可焊性优良；Ceq 大于大于0.6%时，时，可焊性差。可焊性差。3.4.2 3.4.2 压力容器钢材的选择压力容器钢材的选择压力容器零件材料选择压力容器零件材料选择 综合考虑容器综合考虑容器压力容器的使用条件压力容器的使用条件 温度、压力、介质温度、压力、介质 特性、操作特点（载特性、操作特点（载 荷波动情况、流速等）荷波动情况、流速等）零件的功能和制造工艺零件的功能和制造工艺材料使用经验材料使用经验（历史）（历史）材料价格材料价格规范标准规范标准