压力容器设计制造200问（二）：材料

第二章 材   料

2-1 如何选择压力容器用钢？

答：选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）、材料的焊接性能、容器的制造工艺以及经济合理性。一般情况下，按下述原则进行选材：

（1）所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳素钢钢板（多层容器用材除外）；

（2）在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235-A、Q235-B、Q235-C、20R、16MnR等钢板；

（3）所需不锈钢厚大于12mm时，应尽量采用衬里、复合、堆焊等结构形式；

（4）不锈钢应尽量不用作设计温度小于等于500℃的耐热用钢；

（5）珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于等于350℃的耐热用钢。在必须使用珠光体耐热钢作耐热或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种、规格；

（6）碳素钢用于介质腐蚀性不强的常压、低压容器，壁厚不大的中压容器，锻件、承压钢管、非受压元件以及其它由刚性或结构因素决定壁厚的场合；

（7）低合金高强度钢用于介质腐蚀性不强、壁厚较大（≥8mm）的受压容器；

（8）珠光体耐热钢用作抗高温氢或硫化氢腐蚀，或设计温度350～650℃的压力容器用耐热钢；

（9）不锈钢用于介质腐蚀性较高（电化学腐蚀、化学腐蚀）、防铁离子污染或设计温度大于500℃或设计温度小于-100℃的耐热或低温用钢；

（10）不含稳定化学元素且含碳量大于0.03%的奥氏体不锈钢需经焊接或400℃以上热加工时，不应使用于可能引起不锈钢晶间腐蚀的环境。

2-2 碳素钢镇静钢Q235钢号A级、B级、C级三个等级的区别是什么？

答：它们的主要区别为冲击试验温度不同：Q235A级不做冲击试验；Q235B级做常温20℃ V型冲击试验；Q235C级做0℃V型冲击试验。

2-3 碳对钢的焊接性能有何影响？其他合金元素又有何影响？

答：钢材焊接时，焊缝热影响区被加热到Ac3以上，快速冷却后会被淬硬。钢材含碳量愈高，热影响区的硬化与脆化倾向愈大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。钢的化学成分对钢淬硬性的影响通常折算成碳当量，用CE表示。一般认为钢可焊性好坏的临界碳当量为0.45%。国际焊接协会推荐的碳素钢和低合金钢常用碳当量计算公式为：

焊接时，焊缝区域由于高温作用会引起晶粒长大，从而增加焊后开裂的倾向；钢中加入细化晶粒和阻碍晶粒长大的元素，如Mo、Ti、V，且以A1脱氧时，有利于改善焊接性能，而C、Ni、Mn则会增加开裂的危险。

2-4 碳素钢沸腾钢板Q235-A·F的适用范围是什么？

答：容器设计压力p ≤0.6MPa；

钢板使用温度为0～250℃；

用于壳体时，钢板厚度不大于12mm；

不得用于易燃介质以及毒性程度为中度、高度或极度危害介质的压力容器；

不得用于制造直接受火焰加热的压力容器。

2-5 碳素钢镇静钢板Q235-A、B、C的适用范围是什么？

答：它们的适用范围是：

a）Q235-A钢板：

容器设计压力p ≤1.0MPa；

钢板使用温度为0～350℃；

用于壳体时，钢板厚度不大于16mm；

不得用于液化石油气介质以及毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器；

不得用于制造直接受火焰加热的压力容器。

b）Q235-B钢板：

容器设计压力p ≤1.6MPa；

钢板使用温度为0～350℃；

用于壳体时，钢板厚度不大于20mm；

不得用于毒性程度为高度或极度危害介质的压力容器。

c）Q235-C钢板：

容器设计压力p ≤2.5MPa；

钢板使用温度为0～400℃；

用于壳体时，钢板厚度不大于30mm。

2-6 碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下长期使用时，应注意什么问题？为什么？

答：GB150-1998规定，碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。因为碳素钢和碳锰钢在上述情况下，钢中的渗碳体会产生分解，Fe3C→3Fe+C（石墨），而这一分解及石墨化最终会使钢中的珠光体部分或全部消失，使材料的强度及塑性均下降，而冲击值下降尤甚，钢材明显变脆，美国ASME规范对此也有同样规定。

2-7 奥氏体钢的使用温度高于525℃时，应注意什么问题？为什么？

答：GB150-1998规定，奥氏体钢的使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04％。这是因为奥氏体钢在使用温度高于500～550℃时，若含碳量太低，强度及抗氧化性会显著下降。因此，一般规定超低碳（C≤0.03％）奥氏体不锈钢的使用范围，18-9型材料用到400℃左右，18-12-2型材料用到450℃左右，使用温度超过650℃时，国外对于304、316型材料一般要求用H级，即含碳量要稍高一些（C=0.04～0.1％），主要也是考虑耐蚀，而且耐热及有热强性。

2-8 不锈钢复合钢板的使用范围如何确定？

答：不锈钢复合钢板的使用范围应同时符合基材和复材使用范围的规定。

2-9 何种碳素钢和低合金钢钢板，应在正火状态下使用？为什么？

答：用于壳体厚度大于30mm的20R和16MnR、用于其它受压元件（法兰、管板、平盖等）的厚度大于50mm的20R和16MnR以及厚度大于16mm的15MnVR应在正火状态下使用。这主要是考虑国内轧制设备条件限制，较厚板轧制比小，钢板内部致密度及中心组织质量稍差；另外对钢板正火处理可细化晶粒及改善组织，使钢板有较好的韧性、塑性以及较好的综合机械性能。

2-10 调质状态供货和用于多层包扎容器内筒的碳素钢和低合金钢钢板为何应逐张进行拉伸试验和夏比（V型缺口）冲击（常温或低温）试验？

答：低合金钢经调质处理后，屈服点**提高了，但冲击韧性不够稳定，为了正确判断综合力学性能，所以要逐张进行拉伸和冲击试验来验证。

多层包扎容器内筒是一种承受高压力的设备内筒，其设计压力为10～100MPa；同时高压容器往往还需要承受较高的温度和各种介质的腐蚀，操作条件苛刻，故高压容器的材料验收、制造检验要求都比较高，这样才能保证高压容器的安全使用。

2-11 使用温度小于0℃时，用于壳体的厚度大于25mm的20R，厚度大于38mm的16MnR、15MnVR、15MnVNR及任何厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR钢板为何要以批进行夏比（V型缺口）低温冲击试验？试样为何横向取样？低温冲击功的指标是多少？

答：因为厚度达到一定限度的20R、16MnR、15MnVR、15MnVNR及任何厚度的18MnMoNbR、13MnNiMoNbR钢板，无延性转变温度可能就在-19.99℃～0℃之间，非常危险，但又未按低温材料对待，为避免这个问题，就要求在上述温度区间进行夏比（V型缺口）低温冲击试验以验证能否满足设计要求。

由于浇铸钢锭时形成化学成份不均匀（金相上称偏析）或含有杂质，则在热轧变形后不均匀部分和杂质就顺着金属伸长方向延伸，形成所谓“流线”或纤维状组织（金相称带状组织），这时金属力学性能就表现出各向异性，即平行于流线方向（纵向）的力学性能要高于垂直于流线方向（横向）的力学性能，尤其塑性和韧性更为突出，所以制造容器钢板标准中取力学性能低的横向作为冲击值标准，以提高材料安全使用可靠性。

低温冲击功的指标为：20R的AKV≥18J；16MnR、15 MnVR的AKV≥20J；15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR的AKV≥27J。

2-12 用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢钢板，什么条件下应逐张进行超声检测？其合格等级应不低于JB4730规定中的几级？

答：符合下列条件之一的，应逐张进行超声检测：

1．盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器。

2．盛装介质为液化石油气且硫化氢含量大于100mg/L的压力容器。

3．最高工作压力大于等于10MPa的压力容器。

4．GB150第4章和附录C、GB151《管壳式换热器》、GB12337《钢制球形储罐》及其他国家标准和行业标准中规定应逐张进行超声检测的钢板。

5．移动式压力容器。

用于上述第1、第2、第5款所述容器的钢板的合格等级应不低于JB4730规定中的Ⅱ级；用于上述第3款所述容器的钢板的合格等级应不低于JB4730规定中的Ⅲ级；用于上述第4款所述容器的钢板的合格等级符合相应标准的规定。

2-13 低合金钢钢板使用温度等于或低于-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度应符合什么要求？

答：低合金钢钢板使用温度等于或低于-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度按下表的规定：

钢号	使用状态	厚度，mm	最低冲击试验温度，℃
16MnR	热轧	6～25	-20
	正火	6～120
07MnCrMoVR	调质	16～50	-20
16MnDR	正火	6～36	-40
		＞36～100	-30
07MnNiCrMoVDR	调质	16～50	-40
15MnNiDR	正火，正火加回火	6～60	-45
09Mn2VDR	正火，正火加回火	6～36	-50
09MnNiDR	正火，正火加回火	6～60	-70

2-14 什么是奥氏体不锈钢的敏化范围？

答：奥氏体不锈钢在427～870℃范围内缓慢冷却时，在晶界上有高铬的碳化物Cr23C6析出，造成碳化物邻近部分贫铬，引起晶间腐蚀倾向，这一温度范围称为敏化范围。

2-15 何谓固溶热处理？它对奥氏体不锈钢性能有何作用？

答：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到饱和固溶体的工艺称固溶热处理。通过固溶处理铬镍不锈钢将高温组织在室温下固定下来获得被碳过饱和的奥氏体，以改善铬镍不锈钢的耐腐蚀性。此外，它还能提高铬镍不锈钢的塑性和韧性。

2-16 目前防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀的措施大致有哪几种？什么是可能引起晶间腐蚀的环境？

答：大致有三种：①固溶化处理；②降低钢中的含碳量；③添加稳定碳化物的元素。

可能引起晶间腐蚀的环境是指存在电解质的电化学腐蚀环境。可能引起奥氏体不锈钢晶间腐蚀的电解质主要是酸性介质，如工业醋酸、甲酸、铬酸、乳酸、硝酸（常温稀硝酸除外）、草酸、磷酸、盐酸、硫酸、亚硫酸、尿素反应介质等。化学纯醋酸、醇类、醛类、同类、酚类、烷类、汽油等溶液及其气相介质对奥氏体不锈钢不会产生晶间腐蚀，因此，对接触这些介质的奥氏体不锈钢设备，不必做晶间腐蚀倾向性试验。此外，对于以防止铁离子污染为目的的奥氏体不锈钢设备，也不需要进行晶间腐蚀倾向性试验。

2-17 什么是应力腐蚀破裂？奥氏体不锈钢在哪些介质中易产生应力腐蚀破裂？

答：应力腐蚀破裂是金属在应力（拉应力）和腐蚀的共同作用下（并有一定的温度条件）所引起的破裂。应力腐蚀现象较为复杂，当应力不存在时，腐蚀甚微；当有应力后，金属会在腐蚀并不严重的情况下发生破裂，由于破裂是脆性的，没有明显预兆，容易造成灾难性事故。可产生应力腐蚀破坏的金属材料与环境的组合主要有以下几种：

1．碳钢及低合金钢：介质为碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等；

2．奥氏体不锈钢：氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等；

3．含钼奥氏体不锈钢：碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜的水溶液等；

4．黄铜：氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等；

5．钛：含盐酸的甲醇或乙醇、熔融氯化钠等；

6．铝：湿硫化氢、含氢硫化氢、海水等。

2-18 奥氏体不锈钢焊接接头能否采用超声波检测？为什么？

答：由于奥氏体不锈钢中存在的双晶晶界等显著影响超声波的衰减及传播，因此目前超声波检测未能在这种不锈钢中得到广泛的采用。

2-19 用GB713-1997《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》中的20g钢板可代用什么容器用钢板？

答：GB713-1997《锅炉用碳素钢和低合金钢钢板》中的20g钢板可代用Q235-C钢板。

2-20 碳素钢和低合金钢钢管使用温度低于或等于-20℃时，其使用状态及最低冲击试验温度应符合什么要求？

答：碳素钢和低合金钢钢管使用温度低于或等于-20℃时，其使用状态及最低冲击温度按下表的规定：

钢号	使用状态	壁厚，mm	最低冲击试验温度，℃
10	正火	≤16	-30
20G	正火	≤16	-20
16Mn	正火	≤20	-40
09MnD	正火	≤16	-50

因尺寸限制无法制备5mm×10mm×55mm小尺寸冲击试样的钢管，免做冲击试验，各钢号钢管的最低使用温度按GB150附录C（标准的附录）表C1的规定。

2-21 碳素钢10号钢无缝钢管使用温度≤-20℃时，应选用哪个标准的钢管？

答：低温用碳钢无缝钢管的材料一般为10号钢，现在10号钢无缝钢管有3个标准：

GB6479-2000《化肥设备用高压无缝钢管》，在此标准中规定10号钢钢管的供货状态是正火，并保证-20℃时的冲击值。经供需双方协议，10号钢钢管可做-30℃夏比（V型缺口）冲击试验。

GB8163-1999《输送流体用无缝钢管》，在此标准中规定10号钢钢管的供货状态是热轧状态或热处理状态交货，无冲击试验要求。

GB9948-88《石油裂化用无缝钢管》，在此标准中规定10号钢钢管的供货状态是热轧管终轧、冷拔管正火，无低温冲击试验要求。

因此10号钢无缝钢管用于≤-20℃的场合时，应选用GB6479-2000《化肥设备用高压无缝钢管》标准的钢管，并应提出正火状态供货及低温冲击试验要求。

2-22 压力容器用钢锻件分为几级？其选用级别根据什么确定？

答：压力容器用碳素钢、低合金钢及不锈钢锻件分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别，低温压力容器用低合金钢锻件分为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个级别。

锻件的选用级别由设计者根据其形状、使用条件及尺寸、重量大小确定，并应在图样上注明（在钢号后附上级别符号，如16MnⅡ）。

2-23 16MnD钢锻件使用温度等于或低于-20℃时，其热处理状态及最低冲击试验温度是什么？

答：应符合下表的规定：

钢号	热处理状态	公称厚度,mm	最低冲击试验温度，℃
16MnD	正火加回火，调质	≤200	-40
		＞200～300	-30

2-24 低温用螺柱的钢号及热处理状态、冲击试验要求是如何规定的？

答：应符合下表的规定：

钢号	热处理状态	规格,mm	最低冲击试验温度，℃	AKV，J
30CrMoA	调质	≤M56	-100	≥27
35CrMoA	调质	≤M56	-100	≥27
		M60～M80	-70
40CrNiMoA	调质	M52～M80	-70	≥31
		M85～M140	-50

2-25 压力容器受压元件采用国外材料应符合那些要求？

答：1．应选用国外压力容器规范允许使用且已有使用实例的材料，其使用范围应符合材料生产国相应规范和标准的规定，并有该材料的质量证明书。

2．制造单位首次使用前，应进行焊接工艺评定和焊工考试，并对化学成分、力学性能进行复验，满足使用要求后，才能投料制造。

3．技术要求一般不得低于国内相应材料的技术指标。

4．国内首次使用且标准中抗拉强度规定值下限大于等于540Mpa的材料，应按《容规》第7条规定办理批准手续。

国内材料生产单位生产国外牌号的材料时，应完全按照该牌号的国外标准规定的冶炼方法进行生产，力学性能和弯曲性能试验的试样型式、尺寸、加工要求、试验方法等验收要求也应执行国外标准，批量生产前应通过产品鉴定并经国家安全监察机构批准，可按上述的国外钢材对待。

2-26 采用新研制的材料或未列入GB150等标准的材料制造压力容器时，应满足什么要求？

答：应将该材料的试验验证资料和第三方的检测报告提交全国压力容器标准化技术委员会进行技术评审并获得该委员会出具的准许试用的证明文件（应注明使用条件），并按《容规》第7条规定办理批准手续。

2-27 铝和铝合金用于压力容器受压元件应符合什么要求？

答：应符合下列要求：

1．设计压力不应大于8MPa，设计温度范围为-269～200℃。

2．设计温度大于75℃时，一般不选用含镁量大于等于3％的铝合金。

2-28 钛和钛合金用于压力容器受压元件应符合什么要求？

答：应符合下列要求：

1．设计温度：工业纯钛不应高于230℃，钛合金不应高于300℃，钛复合板不应高于350℃。

2．用于制造压力容器壳件的钛材应在退火状态下使用。

3．钛材压力容器封头成形应采用热成形或冷成形后热校形。对成形的钛钢复合板封头，应做超声检测。

4．钛材压力容器一般不要求进行热处理，对在应力腐蚀环境中使用的钛容器或使用中厚板制造的钛容器，焊后或热加工后应进行消除应力退火。钛钢复合板爆炸复合后，应做消除应力退火处理。

5．钛材压力容器的下列焊缝应进行渗透检测：

（1）接管、法兰、补强圈与壳体或封头连接的角焊缝；

（2）换热器管板与管子连接的焊缝；

（3）钛钢复合板的复层焊缝及镶条盖板与复合板复层的搭接焊缝。

2-29 铜及铜合金用于压力容器受压元件应为什么状态？

答：一般应为退火状态

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342813531 发表于 2023-7-26 08:06
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