压力容器用钢选材及工艺制定
于海洋
（中国石油大学机电工程学院材料系 材料07-2班）
1.压力容器用钢的服役条件
压力容器所在的场合大多接触的介质很多是易燃、易爆的, 以及操作工况的压力、温度的苛刻性, 决定了在压力容器的设计中, 既要保证生产工艺结构方面的要求, 又要确保安全运行。
2.压力容器用钢的技术要求
压力用钢的选用必须考虑设备的设计压力、设计温度、介质特性、材料的焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构外，还需要考虑经济合理性，由此提出了对材料各种性能的要求,它包括机械性能、物理性能、耐腐蚀性能、制造工艺性能（如焊接性能、冷热加工工艺性能），决定这些性能的最根本的就是材料的组织与成分。
3.压力容器用钢的成分特点
(1)成分设计
总结了典型铁素体系铬钼耐热钢的研究现状及发展变化趋势和规律,根据铬元素含量的变化, 铁素体系铬钼耐热钢主要分为2% Cr、9% Cr、12% Cr 三大系
列, 均通过添加V、Nb、Mo、W、Co 、B、N 等合金元素并调整它们之间的最佳配比从而使性能获得不断的改善。
3-12%Cr
T/P22钢广泛应用于石油化学工业的加氢反应器、氨合成塔外壳及使用燃料或动力的发电设备配套锻件等,具有强度高、抗氢性能良好,在20世纪70年代就已得到广泛的应用,通常被作为低合金耐热铬钼钢的开发基准。T/P23钢是日本住友金属根据微量合金化理论,在T/P22的基础上,借鉴我国R102以W代Mo的原理,降低C含量并添加微量V、Nb、N、B等开发成功的一种新型低碳高强度耐热钢。较之T/P22,该钢蠕变强度明显提高,550度以上许用应力约为T/P22的2倍,不需焊前预热、焊后热处理,冷裂敏感性远低于R102。因此,T/P23可以减薄壁厚、优化传热效率和简化制造工艺,是取代T/P22、12Cr1MoV、R102等用于制造金属壁温低于580度的大型电站锅炉过热器、再热器及集箱的优质材料。
3-29%Cr
在新型9%Cr系钢中,目前应用较成熟的为改良型9Cr-1Mo钢,即T/P91。它是在ASTM T9钢的基础上,于20世纪80年代由美国橡树岭国家实验室成功开发, 我国拟用牌号为10Cr9Mo1VNbN。该钢通过添加微量的V、Nb、N 形成细小弥散分布的MX 型析出相,综合性能优良,具有高温持久强度优异(620度以下时高于TP304H)、焊缝裂纹敏感性低、冲击韧性高等特点,是当今世界超临界发电厂锅炉管用钢使用最为广泛的钢种,而且被作为开发更高工作温度钢材的研究基准。20世纪90年代初，日本在大量推广T/P91时发现,当使用温度超过600度,T/P91已不能满足长期安全运行的要求。加入1.5%-2.0%W且为避免在微观组织上形成铁素体将Mo含量降至0. 3%-0.6%,形成以W为主的WMo复合固溶强化,加入V、Nb形成碳氮化物弥散沉淀强化及加入0.001%-0.006%B形成晶界强化,从而研制开发了新型铁素体耐热合金9Cr1. 8W0.5MoVNb,以T/P92纳入ASME标准。T/P92同T/P91一样具有优良的导热性、抗氧化性、抗高温腐蚀性, 良好的韧性、可焊性以及加工性能。与T/P91相比,600度以下的力学性能两者大致相当,600度许用应力值较T/P91提高约35%,625度的许用应力值与T/P91600度的许用应力值相当,650度蠕变强度与奥氏体耐热刚TP347H相当,可用于625度蒸气参数的超超临界机组作过热器、再热器联箱和主蒸气管道,部分代替TP304H和TP347H使用,避免或减少异种钢焊接头。
3-2 12%Cr
一般当工作温度在620度以上时,9%Cr钢的抗氧化性能不能满足要求,需使用12%Cr系耐热钢。T/P122是日本住友金属以德国X20CrMoV121钢为基础,降低了其碳含量,加入1%的W和少量的Cu、Nb,改进研制的11Cr0.4Mo2WCuVNb钢。其化学成分特点如下:1形成WMo的复合固溶强化和更加稳定细小的MX型弥散沉淀强化,提高组织稳定性和高温强度;2其基本化学成分与T92相当,为了提高它的抗氧化性,Cr 含量提高到12%;3添加Cu以抑制铁素体生成、改善相稳定性,提高焊接接头的冲击韧性及蠕变断裂韧性,而富Cu相析出能提高蠕变强度。该钢综合性能优良,具有较好的组织稳定性,与T/ P91相比,在高温650度时的持久强度、抗氧化性能和抗腐蚀性能更优。但由于含铜量较高,在热加工和焊接后不得不进行回火处理, 并且由于AC1温度较低,需要较长的回火时间。此外,焊接接头存在弱化现象且价格昂贵,也进一步限制了其使用范围。
(2)合金化原理
Cr为耐热钢的基础组元,典型的铁素体形成元素。随铬含量的增加,耐热钢的淬透性、氧化及腐蚀抗性逐渐增加,通常9%-12%Cr时为最佳。V、Nb均能在铁素体基体中形成细小、共格的强碳化物、氮化物或碳氮化物析出相。对比V、Nb的效果，在低温短时间下Nb的效果显著,而在高温长时间下V的作用更明显。这是由于奥氏体化时NbC、NbN 并未完全溶解, 导致蠕变过程中析出相聚合、粗化,加速回复,所以仅提高短期蠕变断裂强度,而V能进入M23C6、M6X及Fe2Mo等沉淀相中,阻止沉淀相粗化,回复较慢,从而提高高温长期蠕变强度。NbV的复合添加,各自强化作用叠加,是CrMo耐热钢的主要强化手段之一。Nb、V最佳含量随温度的变化而变化, 600度时Nb、V的最佳含量分别为0.05%、0.2%。B不仅可改善淬透性,还可提高晶界强度。Ni、Cu和Co均为奥氏体形成元素,可以削减铬当量Cr以抑制&铁素体的形成。由于Ni使A1转变温度的降低程度较大,因此添加Cu、Co既可抑制&铁素体的形成,也可确保在较高的温度下回火。Co还能强化基体,提高MX、u相等细小析出物的稳定性。Si为铁素体形成元素,易促使Laves相析出而使韧性降低。
4.压力容器用钢工艺规范
1.制造安装工艺规范
压力容器的破坏除钢材本身质量因素外,制造及安装缺陷造成的内部应力集中也是引起脆性断裂的一个重要原因。特别在低温下,应力集中处较大的峰值应力与设备总体薄膜应力和弯曲应力相叠加,使低温压力容器在局部达到很高的应力水平,而低温下钢材的塑性变形能力下降,自限性条件消失,从而引起钢材突然的脆性断裂.安装过程中,应采取措施降低内部应力水平和冷作硬化现象。
2.焊接工艺质量控制要点
压力容器的焊接质量是影响低温压力容器施工质量的另一个重要因素。低温钢的焊接除了防止焊接裂纹外,关键是要保证焊缝及热影响区的低温韧性,这是低温钢焊接工艺质量控制的一个主要环节。
3.焊接工艺质量控制要点
压力容器的焊接质量是影响低温压力容器施工质量的另一个重要因素。钢的焊接除了防止焊接裂纹外,关键是要保证焊缝及热影响区的低温韧性,这是钢焊接工艺质量控制的一个主要环节。保温温度、保温时间、加热冷却速度、入炉出炉温度的确定。
5.参考文献
[1]欧继权.低温钢制压力容器施工工艺质量控制要点[J].石油化工建设,2004,(5).
[2]张永涛,张汉谦,王国栋,李金富.典型锅炉及压力容器用铁素体系铬钼耐热钢的发展回顾及成分设计[J].材料导报,2008,(7).
[3]邸广民,吴冬果,. 浅谈压力容器设计中容易忽视的问题[J].科技情报开发与经济,2010,(10).
[4]刘卫平.以Q235-B、16MnR、16MnDR为例浅析压力容器中的选材[J].化学工程师,2005,(7).
[5]李盼,李芳,.含H2S和CO2油气环境中压力容器选材研究[J].油气田地面工程,2010,(4).
