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锅炉及压力容器常用钢材

时间: 2011-07-08 18:00 来源: 作者: 点击:
1. 锅炉及压力容器对钢材性能的要求

按工作条件分为两大类:

一、用以制造室温及中温承压元件的钢板与钢管

具有特点:

1 有较高的室温强度

通常以屈服极限σs和强度极限σb为设计依据,要求有较大的σs和σb良好的韧性性能
材料需具有足够的韧性防止脆性断裂,在考虑强度的同时也不能忽略韧性,
(1) 材料的韧性通常用冲击韧性值αk表示。
压力容器用钢的冲击韧性要求
冲击韧性值αk(N·m/cm2)

20℃ -40℃
>=60 >=35

(2)还需要考虑时效韧性

时效就是钢材经冷加工变形后,在室温或较高温度下,冲击韧性随时间变化。通常在200-300℃,冲击韧性值显著降低。一般要求下降率不超过50%。

由于容器断裂过程包括在缺陷处形成裂纹和裂纹扩散两个阶段,相应两种防止断裂方法

(1)选用具有足够韧性的钢材以防止裂纹产生,要求如上表所示
(2)选用韧性更高的材料,以求在裂纹产生后能够阻止裂纹扩展。(要求温度比无塑性转变温度NPT高一定数值,例如元件的设计应力为屈服极限σs一半时,要高17℃

3 较低的缺口敏感性

制造过程中,开孔和焊接会产生局部应力集中,要求材料有较低的缺口敏感性,以防止产生裂纹

4 良好的加工工艺性能和焊接性能

由于焊接热循环作用,会

(1)降低热影响区材料的韧性、塑性
(2)在焊缝内产生各种缺陷

其中(1)、(2) 均会产生裂纹

在选材料时需考虑

(1)材料中碳的当量值(保证材料具有较好的可焊性)
(2)适当的焊接材料和焊接工艺
(3)材料具有良好的塑性(碳钢和碳锰钢δs不低于16%,合金钢δs不低于14%)
(4)良好的低倍组织
(5)钢材的分层、非金属夹杂物、气孔、疏松等缺陷尽可能减少(防止裂纹的产生)

二、用以制造高温承压元件的钢管

1 具有足够的蠕变强度、持久强度和持久塑性

通常以持久强度为设计依据,保证在蠕变的条件下安全运行

2 具有良好的高温组织稳定性

长期高温下不发生组织变化

3 具有良好的的高温抗氧化性

要求材料在高温条件下的氧化腐蚀速度小于0.1mm/a

4 具有良好的加工工艺性

要求冷加工性(冷态弯曲)和焊接性

2. 锅炉与压力容器用钢的分类

一、工作温度低于500℃的钢材

碳素钢和低合金结构钢

1 铁素体-珠光体结构钢

屈服强度σs为300-450MPa

16Mn,15MnV,15MnVN加入合金元素,固溶强化,结晶强化作用

2 低碳贝氏体类型钢

屈服强度σs为500-700Mpa

14CrMnMoVB延缓奥氏体分解,得到贝氏体,增加强度

3 马氏体型调质高碳钢

屈服强度σs为600Mpa以上

18MnMoNb和14MnMoNbB正火加回火,有良好的低温韧性

二、工作温度高于500℃的钢材

低合金热强钢和奥氏体

1 低合金珠光体热强钢

15CrMo和12Cr1MoV,结晶强化,沉淀强化

2 低合金贝氏体热强钢

12Cr2MoWVTiB和12Cr3MoVSiTiB,特点:合金数量多而量少,高温强度高,抗氧化性强

3 奥氏体不锈钢

18-8型铬镍奥氏体不锈钢:1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9Ti,高温强度高,抗氧化性强,且具有很高的韧性和较好的加工工艺性

3. 碳素钢

一、碳素钢中主要成分对性能的影响

1 碳的影响

碳增加,强度增大,塑性减少,可焊性变差,时效敏感性降低

2 锰的影响

脱氧(FeO)脱硫,改善热加工性能

3 硅的影响

脱氧

4 硫的影响

热脆性

5 磷的影响

冷脆性

6氧的影响

降低强度、塑性

7 氮的影响

提高强度、硬度,降低塑性

8 氢的影响

氢脆

二、碳钢的分类

化学成分:高(含碳量在于0.65%)、中(含碳量0.25-0.65%)、低碳钢(含碳量小于0.25%)

用途:普通碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢

1 普通碳素结构钢

甲类钢:按机械性能供应(A),钢板,角钢等

2 优质碳素结构钢

按机械性能和化学成分供应

含碳量低:钢板、容器、螺钉螺母

含碳量中:齿轮、轴

含碳量高:弹簧、钢丝绳

3 碳素工具钢(T)

高硬度和耐磨性,制造刀具、量具、模具

三、锅炉与压力容器常用碳素钢

承压元件主要使用低碳钢,因为塑性、韧性、加工工艺性和可焊性好

(1) 优质碳素结构钢

10号和20号无缝钢管

20号钢含碳量比10号钢多一倍,强度高,屈服极限σs和强度极限σb高20%,时效敏感性低,多采用20号钢

(2) 专用碳素钢

A3g A3R 15g 20g,冲击韧性好,金属表面和内部缺陷少

4. 普通低合金结构钢

低合金钢是在碳素钢的基础上加入少量Si,Mn,Cu,Ti,V,Nb,P等合金元素构成的,它的含碳量较低,多数小于0.2%。其组织多数仍为F+P。由于少量合金元素的加入可以大大提高钢材的强度,并改善了钢材的耐腐蚀性能和低温性能。

低合金钢可轧制成各种钢材,如板材,管材,棒材和型材等。它广泛用于制造远洋轮船、大跨度桥梁,高压锅炉,大型容器,汽车,矿山机械及农业机械等。

大型化工容器材料采用16MnR,生量比碳钢可减轻1/3。用15MnV制造球形贮罐,与碳钢相比节省45%。

焊接

5. 低合金热强钢

在原油加热,裂解,催化设备中,常用到许多能耐高温的钢材。如裂解炉管,要求承受650~800℃高温。

20号钢在540℃下于氧化性气体中,因氧化强度只有50MPa。因为石墨化。

常用的抗氧化钢

——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2

热强钢

——12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20

6. 不锈耐酸钢

是不锈钢(耐大气)和耐酸钢(不锈)的总称,

铬不锈钢——1Cr13多用作化工机器中受力大的耐蚀零件,如轴,活塞杆,阀件,螺栓,浮阀等

0Cr13,Cr17Ti F组织,有良好塑性

铬镍不锈钢——1Cr18Ni9 18-8不锈钢

有较高的抗拉强度,较低屈服点,极好的塑性和韧性,焊接性能和冷弯成型性能好,用来制造贮罐,塔器,反应釜,应用最广。

7. 低温用钢

深冷分离,空分,液化气贮罐低温使用。

低温钢平均含碳量0.08~0.18%,单相F组织,加入适量的Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V,N等元素改善钢的综合机械性能。

常用低温用钢

1) 低合金低温用钢

16MnDR -40℃ 机械性能优于一般低碳钢

2) 镍钢

2.25% -60℃
3.5% -100℃
9% -200℃

3) 高锰奥氏体钢

15Mn25Al4 其中Mn是形成A的基本元素,Al作为稳定A的元素。

4) 铬镍奥氏体不锈钢

18-8奥氏体不锈钢

国外低温设备用钢,以高铬镍为主,其次用镍钢,铜,铝。(end)

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