第三节 环境对压力容器 用钢性能的影响 第二章 压力容器用材以及环境和 时间对其材料性能的影响 第二章 压力容器用材以及环境和 时间对其材料性能的影响 MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS 第三节 环境对压力容器 用钢性能的影响

过程设备设计 2.3 环境对压力容器用钢性能的影响 2.3.1 温度 2.3.2 介质 2.3.3 加载速率

2.3.1 温度 不同用途的压力容器所在的工作温度不同。 低温 钢材在 中温 下，性能不同 高温 高温下，钢材性能往往与作用时间有关 过程设备设计 2.3.1 温度 不同用途的压力容器所在的工作温度不同。 低温 钢材在 中温 下，性能不同 高温 高温下，钢材性能往往与作用时间有关 一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响 介绍几种情况的影响 二、高温、长期静载下钢材力学性能 三、高温下材料性能的劣化

在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。 过程设备设计 一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响 1、高温下 在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。 图3-3 温度对低碳钢力学性能的影响

随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于20℃时，钢材可采用20℃时的许用应力。 过程设备设计 2、低温下 随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于20℃时，钢材可采用20℃时的许用应力。 韧脆性转变温度——（或脆性转变温度） 当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。

图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线 注意:韧脆性转变温度不是在一个特定的温度，而是在一个温度 范围内。

面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。 过程设备设计 低温变脆的金属： 具有体心立方晶格的金属 如碳素钢和低合金钢 低温仍有很高韧性的金属： 面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。 注意:并不是所有金属都会低温变脆。

在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。 过程设备设计 二、高温、长期静载下钢材性能 蠕变现象： 在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。 >420℃ 碳素钢 一定的应力作用 发生蠕变 合金钢 >400-500oC 蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。 因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。 蠕变的危害

过程设备设计 1、蠕变曲线 一定温度和一定应力条件下 蠕变曲线三阶段 减速蠕变 恒速蠕变 加速蠕变 图3-5 蠕变应变与时间的关系

a点以后的线段——从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。 过程设备设计 oa线段——试样加载后的瞬时应变。 a点以后的线段——从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。 ab为蠕变的第一阶段 即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段. bc为蠕变的第二阶段 在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段. cd为蠕变的第三阶段 在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。

注意:对于同一材料，改变温度或改变应力，蠕变曲线都会不同 ▲当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段； ▲相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失。

a、蠕变极限——是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。 过程设备设计 2、蠕变极限与持久强度 a、蠕变极限——是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。 ★在给定温度下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率的应力值 蠕变极限表示法 ★在给定温度和规定时间内，使试样产生一定量的蠕变总伸长率的应力值（常用） 蠕变极限适用于:在高温运行中要严格控制变形的零件的设计， 如涡轮叶片。 b、持久强度——在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂 时构件所能承受的最大应力。 持久强度适用于:只要求机件在使用期内不发生断裂。

率较低，缩颈很小， 在晶体内部常发现大量的细小裂纹。 过程设备设计 ◇考虑蠕变极限和持久强度的场合： 高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件下不会蠕变断裂，往往同时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为105h，总伸长率为1%；确定持久强度的时间为105h。） 温度和应力对蠕变断裂形式有显著的影响 ◎在高应力、较低的温度时，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态； ◎而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断后伸长 率较低，缩颈很小， 在晶体内部常发现大量的细小裂纹。

如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。 过程设备设计 松弛 在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种现象称为松驰。 如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。 松弛稳定性 材料抵抗应力松弛的能力。 松弛稳定性决定于材料的成分、组织等内部因素。

a、内在因素:化学成分、组织结构、晶粒尺寸 过程设备设计 3、影响蠕变性能的主要因素 a、内在因素:化学成分、组织结构、晶粒尺寸 b、外部因素：温度、应力 ◎在高应力、较低的温度时，断裂后伸长率较高，断口呈韧性形态； ◎而在应力低、温度高时，断裂前塑性变形小，断裂呈脆性，断后伸长 率较低，缩颈很小， 在晶体内部常发现大量的细小裂纹。

在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有： 过程设备设计 三、高温下材料性能的劣化 在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有： 蠕变脆化（前面已经讲了） 珠光体球化 石墨化 回火脆化 氢腐蚀和氢脆

使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降 过程设备设计 a、珠光体球化 危害： 使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降 例如： 中度球化会使碳素钢常温强度下降下降10%～15%；严重球化时下降20%～30% 补救： 己发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。

使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。 产生环境： 过程设备设计 b、石墨化 危害： 使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。 产生环境： 石墨化现象只出现在一定的高温范围。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。 预防： 要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。

过程设备设计 c、回火脆化 高温临氢设备常使用的2.25Cr-1Mo等铬钼钢，长期在300-600oC下使用，或者从此温度范围缓慢冷却，脆性转变温度会升高，韧性降低，这种现象称为回火脆化。 研究表明： 影响2.25Cr-1Mo钢回火脆化的主要因素为化学成分和热处理条件。P、Sb、Sn和As等杂质元素越多，奥氏体化温度越高， 2.25Cr-1Mo钢对回火脆化越敏感。

氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。 过程设备设计 d、氢腐蚀和氢脆 氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。

是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。 过程设备设计 d-1.氢腐蚀 是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。 ◆一是和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表 面脱碳， 使力学性能恶化； 氢腐蚀有两种形式： ◆二是渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷。 裂纹

温度、 氢分压、 时间、 合金成分、 影响氢腐蚀 的因素主要有： 应力等 ●一般情况下，碳素钢在200℃以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢 过程设备设计 温度、 氢分压、 时间、 合金成分、 应力等 影响氢腐蚀 的因素主要有： ●一般情况下，碳素钢在200℃以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢 中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢 腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。 ●目前，一般按照Neson曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分 压小于3.45MPa时，允许的使用温度约为250℃; 1.25Cr-0.5Mo钢在氢 分压小于6.9MPa时的允许使用温度大约为520℃。

内部氢:指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢； 外部氢:指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。 氢的来源 过程设备设计 d-2.氢脆 指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。 内部氢:指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢； 外部氢:指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。 氢的来源 在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时，应先降压，保温消氢（200℃以上）后，再降至常温。切不可先降温后降压。

◆除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。 过程设备设计 除以上4种劣化外，还要注意： ◆钢材长时间在高温下，还会发生合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配，那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，都会不断脱溶，从而使材料高温强度下降。 ◆除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。 ◆在设计阶段，预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要意义。

2.3.2 介质 一、腐蚀概述 1、金属腐蚀 金属在外部介质的作用下，由于化学变化、电 化学变化或物理溶解而产生的破坏。 2、金属腐蚀分类 过程设备设计 2.3.2 介质 一、腐蚀概述 1、金属腐蚀 金属在外部介质的作用下，由于化学变化、电 化学变化或物理溶解而产生的破坏。 2、金属腐蚀分类 电化学腐蚀 a. 按腐蚀的机理来分 化学腐蚀 应力腐蚀 全面腐蚀 b. 按金属腐蚀的形式来分 晶间腐蚀 局部腐蚀 小孔腐蚀 缝隙腐蚀

a. 在1010～1120℃热处理,随即快速冷却通过敏化范围。 b. 采用超低碳不锈钢。 c. 奥氏体不锈钢中加入铌、钛使之稳定。 过程设备设计 注意:不锈钢防止晶间腐蚀的措施 a. 在1010～1120℃热处理,随即快速冷却通过敏化范围。 b. 采用超低碳不锈钢。 c. 奥氏体不锈钢中加入铌、钛使之稳定。

断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的， 因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。 金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下 引起的断裂 二、应力腐蚀 1、应力腐蚀的特征 孕育阶段— 是逐步形成应力腐蚀裂纹时期； 三个 阶段 在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展； 裂纹稳定扩展阶段— 裂纹失稳阶段—— 最终发生的突然断裂。 断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的， 因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。 注意:值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的 裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现 第三阶段，即发生未爆先漏（Leak Before Break）。

过程设备设计 应力腐蚀开裂的特征： a．拉伸应力 b．特定合金和介质的组合 c．一般为延迟脆性断裂

过程设备设计 2、常见的应力腐蚀 a. 碱溶液 b.湿硫化氢 c.液氨 d. 氯化物溶液

一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。 过程设备设计 3、应力腐蚀的预防措施 一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。 a. 合理选择材料 b. 减少或消除残余拉应力 c. 改善介质条件 d. 涂层保护 e. 合理设计

2.3.3 加载速率 加载速率的表示——应力速率（Pa/s）或应变速率（1/s） 过程设备设计 2.3.3 加载速率 加载速率的表示——应力速率（Pa/s）或应变速率（1/s） ◇通常，应变速率在10 –4～10-1s-1范围内，金属材料的力学性能 没有明显变化。 ◇当应变速率在10-1s-1以上时，它对钢材力学性能有显著的影响： 加载速率较高时，材料没有充分的时间产生正常的滑移变形，从而使材料继续处于一种弹性状态，使屈服点随应变速率的增大而增大，但一般塑性材料的塑性及韧性下降，即脆性断裂的倾向增加。如果材料中有缺口或裂纹等缺陷，还会加速这种脆性断裂的发生。

◇加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。 过程设备设计 ◇加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。 通常，在一定的加载速率范围内，随着钢材强度水平的提高，韧性的降低减弱。即：在一定的加载速率范围内，加载速率的大小对某些高强度钢和超高强度钢的韧性影响是很小的，但对中、低强度钢的韧性影响则很明显。