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鍋爐及壓力容器常用鋼材知識
發布機構:紹興市特種設備檢測院 發布時間:2011-12-23 打印本頁
1. 鍋爐及壓力容器對鋼材性能的要求主要是按工作條件進行分類。
一般可分為兩大類：
一、用以制造室溫及中溫承壓元件的鋼板與鋼管
這類鋼板具有以下特點：
1 有較高的室溫強度
在設計上通常以屈服極限σs和強度極限σb為設計依據，要求有較大的σs和σb良好的韌性性能，材料需具有足夠的韌性防止脆性斷裂，在考慮強度的同時也不能忽略韌性。
(1) 材料的韌性通常用沖擊韌性值αk表示。
壓力容器用鋼的沖擊韌性要求
沖擊韌性值 αk(N·m/cm2)
20℃ ≥60
-40℃ ≥35
(2)在壓力容器設計時還需要考慮鋼材的時效韌性
時效就是鋼材經冷加工變形后，在室溫或較高溫度下，沖擊韌性隨時間變化。通常在200-300℃，沖擊韌性值顯著降低。一般要求下降率不超過50%。
由于壓力容器斷裂過程分為在缺陷處形成裂紋和裂紋擴散兩個階段，相應兩種防止斷裂方法：
(1)選用具有足夠韌性的鋼材以防止裂紋產生，要求如上表所示
(2)選用韌性更高的材料，以求在裂紋產生后能夠阻止裂紋擴展。（要求溫度比無塑性轉變溫度NPT高一定數值，例如元件的設計應力為屈服極限σs一半時，要高17℃）
3 較低的缺口敏感性
制造過程中，開孔和焊接會產生局部應力集中，要求材料有較低的缺口敏感性，以防止產生裂紋
4 良好的加工工藝性能和焊接性能
由于焊接熱循環作用，會
(1)降低熱影響區材料的韌性、塑性
(2)在焊縫內產生各種缺陷
其中(1)、(2) 均會產生裂紋
在壓力容器選材料時需考慮
(1)適當的焊接材料和焊接工藝
(2)材料中碳的當量值(保證材料具有較好的可焊性)
(3)材料具有良好的塑性(碳鋼和碳錳鋼δs不低于16%，合金鋼δs不低于14%)
(4)良好的低倍組織
(5)鋼材的分層、非金屬夾雜物、氣孔、疏松等缺陷盡可能減少(防止裂紋的產生)
二、用以制造高溫承壓元件的鋼管
1 具有良好的高溫組織穩定性
長期高溫下不發生組織變化
2 具有足夠的蠕變強度、持久強度和持久塑性
通常以持久強度為設計依據，保證在蠕變的條件下安全運行
3 具有良好的的高溫抗氧化性
要求材料在高溫條件下的氧化腐蝕速度小于0.1mm/a
4 具有良好的加工工藝性
要求冷加工性(冷態彎曲)和焊接性
2. 鍋爐與壓力容器用鋼的分類
一、工作溫度低于500℃的鋼材
碳素鋼和低合金結構鋼
1 鐵素體-珠光體結構鋼
屈服強度σs為300-450MPa
16Mn，15MnV，15MnVN加入合金元素，固溶強化，結晶強化作用
2 低碳貝氏體類型鋼
屈服強度σs為500-700Mpa
14CrMnMoVB延緩奧氏體分解，得到貝氏體，增加強度
3 馬氏體型調質高碳鋼
屈服強度σs為600Mpa以上
18MnMoNb和14MnMoNbB正火加回火，有良好的低溫韌性
二、工作溫度高于500℃的鋼材
低合金熱強鋼和奧氏體不銹鋼
1 低合金珠光體熱強鋼
15CrMo和12Cr1MoV，結晶強化，沉淀強化
2 低合金貝氏體熱強鋼
12Cr2MoWVTiB和12Cr3MoVSiTiB，特點：合金數量多而量少，高溫強度高，抗氧化性強
3 奧氏體不銹鋼
18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼：1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9Ti，高溫強度高，抗氧化性強，且具有很高的韌性和較好的加工工藝性
3. 碳素鋼
一、碳素鋼中主要成分對性能的影響
1 碳的影響
碳增加，強度增大，塑性減少，可焊性變差，時效敏感性降低
2 錳的影響
脫氧(FeO)脫硫，改善熱加工性能
3 硅的影響
脫氧
4 硫的影響
熱脆性
5 磷的影響
冷脆性
6氧的影響
降低強度、塑性
7 氮的影響
提高強度、硬度，降低塑性
8 氫的影響
氫脆
二、碳鋼的分類
化學成分：高(含碳量在于0.65%)、中(含碳量0.25-0.65%)、低碳鋼(含碳量小于0.25%)
用途：普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼和碳素工具鋼
1 普通碳素結構鋼
甲類鋼：按機械性能供應(A)，鋼板，角鋼等
2 優質碳素結構鋼
按機械性能和化學成分供應
含碳量低：鋼板、容器、螺釘、螺母
含碳量中：齒輪、軸
含碳量高：彈簧、鋼絲繩
3 碳素工具鋼(T)
高硬度和耐磨性，制造刀具、量具、模具
三、鍋爐與壓力容器常用碳素鋼
承壓元件主要使用低碳鋼，因為塑性、韌性、加工工藝性和可焊性好
(1) 優質碳素結構鋼
10號和20號無縫鋼管
20號鋼含碳量比10號鋼多一倍，強度高，屈服極限σs和強度極限σb高20%，時效敏感性低，多采用20號鋼
(2) 專用碳素鋼
A3g A3R 15g 20g，沖擊韌性好，金屬表面和內部缺陷少
4. 普通低合金結構鋼
低合金鋼是在碳素鋼的基礎上加入少量Si,Mn,Cu,Ti,V,Nb,P等合金元素構成的，它的含碳量較低，多數小于0.2%。其組織多數仍為F+P。由于少量合金元素的加入可以大大提高鋼材的強度，并改善了鋼材的耐腐蝕性能和低溫性能。
低合金鋼可軋制成各種鋼材，如板材，管材，棒材和型材等。它廣泛用于制造遠洋輪船、大跨度橋梁，高壓鍋爐，大型容器，汽車，礦山機械及農業機械等。
大型化工容器材料采用16MnR，生量比碳鋼可減輕1/3。用15MnV制造球形貯罐，與碳鋼相比節省45%。
焊接
5. 低合金熱強鋼
在原油加熱，裂解，催化設備中，常用到許多能耐高溫的鋼材。如裂解爐管，要求承受650～800℃高溫。
20號鋼在540℃下于氧化性氣體中，因氧化強度只有50MPa。因為石墨化。
常用的抗氧化鋼
——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2
熱強鋼
——12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20
6. 不銹耐酸鋼
是不銹鋼(耐大氣)和耐酸鋼(不銹)的總稱，
鉻不銹鋼——1Cr13多用作化工機器中受力大的耐蝕零件，如軸，活塞桿，閥件，螺栓，浮閥等
0Cr13,Cr17Ti F組織，有良好塑性
鉻鎳不銹鋼——1Cr18Ni9 18-8不銹鋼
有較高的抗拉強度，較低屈服點，極好的塑性和韌性，焊接性能和冷彎成型性能好，用來制造貯罐，塔器，反應釜，應用最廣。
7. 低溫用鋼
深冷分離，空分，液化氣貯罐低溫使用。
低溫鋼平均含碳量0.08～0.18%，單相F組織，加入適量的Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V,N等元素改善鋼的綜合機械性能。
常用低溫用鋼
1) 低合金低溫用鋼
16MnDR -40℃ 機械性能優于一般低碳鋼
2) 鎳鋼
2.25% -60℃
3.5% -100℃
9% -200℃
3) 高錳奧氏體鋼
15Mn25Al4 其中Mn是形成A的基本元素，Al作為穩定A的元素。
4) 鉻鎳奧氏體不銹鋼
18-8奧氏體不銹鋼
國外低溫設備用鋼，以高鉻鎳為主，其次用鎳鋼，銅，鋁。
一般可分為兩大類：
一、用以制造室溫及中溫承壓元件的鋼板與鋼管
這類鋼板具有以下特點：
1 有較高的室溫強度
在設計上通常以屈服極限σs和強度極限σb為設計依據，要求有較大的σs和σb良好的韌性性能，材料需具有足夠的韌性防止脆性斷裂，在考慮強度的同時也不能忽略韌性。
(1) 材料的韌性通常用沖擊韌性值αk表示。
壓力容器用鋼的沖擊韌性要求
沖擊韌性值 αk(N·m/cm2)
20℃ ≥60
-40℃ ≥35
(2)在壓力容器設計時還需要考慮鋼材的時效韌性
時效就是鋼材經冷加工變形后，在室溫或較高溫度下，沖擊韌性隨時間變化。通常在200-300℃，沖擊韌性值顯著降低。一般要求下降率不超過50%。
由于壓力容器斷裂過程分為在缺陷處形成裂紋和裂紋擴散兩個階段，相應兩種防止斷裂方法：
(1)選用具有足夠韌性的鋼材以防止裂紋產生，要求如上表所示
(2)選用韌性更高的材料，以求在裂紋產生后能夠阻止裂紋擴展。（要求溫度比無塑性轉變溫度NPT高一定數值，例如元件的設計應力為屈服極限σs一半時，要高17℃）
3 較低的缺口敏感性
制造過程中，開孔和焊接會產生局部應力集中，要求材料有較低的缺口敏感性，以防止產生裂紋
4 良好的加工工藝性能和焊接性能
由于焊接熱循環作用，會
(1)降低熱影響區材料的韌性、塑性
(2)在焊縫內產生各種缺陷
其中(1)、(2) 均會產生裂紋
在壓力容器選材料時需考慮
(1)適當的焊接材料和焊接工藝
(2)材料中碳的當量值(保證材料具有較好的可焊性)
(3)材料具有良好的塑性(碳鋼和碳錳鋼δs不低于16%，合金鋼δs不低于14%)
(4)良好的低倍組織
(5)鋼材的分層、非金屬夾雜物、氣孔、疏松等缺陷盡可能減少(防止裂紋的產生)
二、用以制造高溫承壓元件的鋼管
1 具有良好的高溫組織穩定性
長期高溫下不發生組織變化
2 具有足夠的蠕變強度、持久強度和持久塑性
通常以持久強度為設計依據，保證在蠕變的條件下安全運行
3 具有良好的的高溫抗氧化性
要求材料在高溫條件下的氧化腐蝕速度小于0.1mm/a
4 具有良好的加工工藝性
要求冷加工性(冷態彎曲)和焊接性
2. 鍋爐與壓力容器用鋼的分類
一、工作溫度低于500℃的鋼材
碳素鋼和低合金結構鋼
1 鐵素體-珠光體結構鋼
屈服強度σs為300-450MPa
16Mn，15MnV，15MnVN加入合金元素，固溶強化，結晶強化作用
2 低碳貝氏體類型鋼
屈服強度σs為500-700Mpa
14CrMnMoVB延緩奧氏體分解，得到貝氏體，增加強度
3 馬氏體型調質高碳鋼
屈服強度σs為600Mpa以上
18MnMoNb和14MnMoNbB正火加回火，有良好的低溫韌性
二、工作溫度高于500℃的鋼材
低合金熱強鋼和奧氏體不銹鋼
1 低合金珠光體熱強鋼
15CrMo和12Cr1MoV，結晶強化，沉淀強化
2 低合金貝氏體熱強鋼
12Cr2MoWVTiB和12Cr3MoVSiTiB，特點：合金數量多而量少，高溫強度高，抗氧化性強
3 奧氏體不銹鋼
18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼：1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9Ti，高溫強度高，抗氧化性強，且具有很高的韌性和較好的加工工藝性
3. 碳素鋼
一、碳素鋼中主要成分對性能的影響
1 碳的影響
碳增加，強度增大，塑性減少，可焊性變差，時效敏感性降低
2 錳的影響
脫氧(FeO)脫硫，改善熱加工性能
3 硅的影響
脫氧
4 硫的影響
熱脆性
5 磷的影響
冷脆性
6氧的影響
降低強度、塑性
7 氮的影響
提高強度、硬度，降低塑性
8 氫的影響
氫脆
二、碳鋼的分類
化學成分：高(含碳量在于0.65%)、中(含碳量0.25-0.65%)、低碳鋼(含碳量小于0.25%)
用途：普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼和碳素工具鋼
1 普通碳素結構鋼
甲類鋼：按機械性能供應(A)，鋼板，角鋼等
2 優質碳素結構鋼
按機械性能和化學成分供應
含碳量低：鋼板、容器、螺釘、螺母
含碳量中：齒輪、軸
含碳量高：彈簧、鋼絲繩
3 碳素工具鋼(T)
高硬度和耐磨性，制造刀具、量具、模具
三、鍋爐與壓力容器常用碳素鋼
承壓元件主要使用低碳鋼，因為塑性、韌性、加工工藝性和可焊性好
(1) 優質碳素結構鋼
10號和20號無縫鋼管
20號鋼含碳量比10號鋼多一倍，強度高，屈服極限σs和強度極限σb高20%，時效敏感性低，多采用20號鋼
(2) 專用碳素鋼
A3g A3R 15g 20g，沖擊韌性好，金屬表面和內部缺陷少
4. 普通低合金結構鋼
低合金鋼是在碳素鋼的基礎上加入少量Si,Mn,Cu,Ti,V,Nb,P等合金元素構成的，它的含碳量較低，多數小于0.2%。其組織多數仍為F+P。由于少量合金元素的加入可以大大提高鋼材的強度，并改善了鋼材的耐腐蝕性能和低溫性能。
低合金鋼可軋制成各種鋼材，如板材，管材，棒材和型材等。它廣泛用于制造遠洋輪船、大跨度橋梁，高壓鍋爐，大型容器，汽車，礦山機械及農業機械等。
大型化工容器材料采用16MnR，生量比碳鋼可減輕1/3。用15MnV制造球形貯罐，與碳鋼相比節省45%。
焊接
5. 低合金熱強鋼
在原油加熱，裂解，催化設備中，常用到許多能耐高溫的鋼材。如裂解爐管，要求承受650～800℃高溫。
20號鋼在540℃下于氧化性氣體中，因氧化強度只有50MPa。因為石墨化。
常用的抗氧化鋼
——Cr13SiAl,Cr25Ti,Cr17Ti,Cr25Ni2
熱強鋼
——12CrMo,Cr5Mo,1Cr18Ni9Ti,Cr25Ni20
6. 不銹耐酸鋼
是不銹鋼(耐大氣)和耐酸鋼(不銹)的總稱，
鉻不銹鋼——1Cr13多用作化工機器中受力大的耐蝕零件，如軸，活塞桿，閥件，螺栓，浮閥等
0Cr13,Cr17Ti F組織，有良好塑性
鉻鎳不銹鋼——1Cr18Ni9 18-8不銹鋼
有較高的抗拉強度，較低屈服點，極好的塑性和韌性，焊接性能和冷彎成型性能好，用來制造貯罐，塔器，反應釜，應用最廣。
7. 低溫用鋼
深冷分離，空分，液化氣貯罐低溫使用。
低溫鋼平均含碳量0.08～0.18%，單相F組織，加入適量的Mn,Al,Ti,Nb,Cu,V,N等元素改善鋼的綜合機械性能。
常用低溫用鋼
1) 低合金低溫用鋼
16MnDR -40℃ 機械性能優于一般低碳鋼
2) 鎳鋼
2.25% -60℃
3.5% -100℃
9% -200℃
3) 高錳奧氏體鋼
15Mn25Al4 其中Mn是形成A的基本元素，Al作為穩定A的元素。
4) 鉻鎳奧氏體不銹鋼
18-8奧氏體不銹鋼
國外低溫設備用鋼，以高鉻鎳為主，其次用鎳鋼，銅，鋁。
