1、第三節(jié) 環(huán)境對(duì)壓力容器用鋼性能的影響第二章 壓力容器用材以及環(huán)境和 時(shí)間對(duì)其材料性能的影響MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS1過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2.3 環(huán)境對(duì)壓力容器用鋼性能的影響2.3.1 溫度2.3.2 介質(zhì)2.3.3 加載速率2過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2.3.1 溫度不同用途的壓力容器所在的工作溫度不同。鋼材在低溫中溫高溫下，性能不同高溫下，鋼材性能往往與作用時(shí)間有關(guān)介紹幾種情況的影響一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響二、高溫、長(zhǎng)期靜

2、載下鋼材力學(xué)性能三、高溫下材料性能的劣化3過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)一、短期靜載下溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響1、高溫下圖3-3 溫度對(duì)低碳鋼力學(xué)性能的影響在溫度較高時(shí)，僅僅根據(jù)常溫下材料抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)來(lái)決定許用應(yīng)力是不夠的，一般還應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服點(diǎn)。4過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2、低溫下 隨著溫度降低，碳素鋼和低合金鋼的強(qiáng)度提高，而韌性降低。當(dāng)溫度低于20時(shí)，鋼材可采用20時(shí)的許用應(yīng)力。 韌脆性轉(zhuǎn)變溫度（或脆性轉(zhuǎn)變溫度）當(dāng)溫度低于某一界限時(shí)，鋼的沖擊吸收功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)。這一溫度常被稱為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性轉(zhuǎn)變溫度。5圖3-4 低碳鋼沖擊吸收功和溫度的關(guān)系曲線注意:韌脆性轉(zhuǎn)變溫度不是在一個(gè)

3、特定的溫度，而是在一個(gè)溫度 范圍內(nèi)。6過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)低溫變脆的金屬：具有體心立方晶格的金屬如碳素鋼和低合金鋼低溫仍有很高韌性的金屬：面心立方晶格材料如銅、鋁和奧氏體不銹鋼，沖擊吸收功隨溫度的變化很小，在很低的溫度下仍具有高的韌性。注意:并不是所有金屬都會(huì)低溫變脆。78過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)二、高溫、長(zhǎng)期靜載下鋼材性能蠕變現(xiàn)象：在高溫和恒定載荷的作用下，金屬材料會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間而發(fā)展的塑性變形，這種現(xiàn)象被稱為蠕變現(xiàn)象。碳素鋼420400-500oC合金鋼一定的應(yīng)力作用發(fā)生蠕變?nèi)渥兊慕Y(jié)果是使壓力容器材料產(chǎn)生蠕變脆化、應(yīng)力松弛、蠕變變形和蠕變斷裂。因此,高溫壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施防止蠕變破壞發(fā)生。蠕變的危害9過(guò)程

4、設(shè)備設(shè)計(jì)1、蠕變曲線蠕變曲線三階段減速蠕變恒速蠕變加速蠕變圖3-5 蠕變應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系一定溫度和一定應(yīng)力條件下10過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)cd為蠕變的第三階段ab為蠕變的第一階段即蠕變的不穩(wěn)定階段，蠕變速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸降低，因此也稱為蠕變的減速階段.bc為蠕變的第二階段在此階段，材料以接近恒定蠕變速率進(jìn)行變形，故也稱為蠕變的恒速階段.在這階段里蠕變速度不斷增加，直至斷裂。oa線段試樣加載后的瞬時(shí)應(yīng)變。a點(diǎn)以后的線段從a點(diǎn)開(kāi)始隨時(shí)間增長(zhǎng)而產(chǎn)生的應(yīng)變才屬于蠕變。蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率。11注意:對(duì)于同一材料，改變溫度或改變應(yīng)力，蠕變曲線都會(huì)不同當(dāng)應(yīng)力較小或溫度很低時(shí)，第二階段的持續(xù)時(shí)

5、間長(zhǎng)，甚至無(wú)第三階段；相反，當(dāng)應(yīng)力較大或溫度較高時(shí)，第二階段持續(xù)時(shí)間短，甚至完全消失。12過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2、蠕變極限與持久強(qiáng)度a、蠕變極限是高溫長(zhǎng)期載荷作用下，材料對(duì)變形的抗力。蠕變極限表示法在給定溫度下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的第二階段蠕變速率的應(yīng)力值在給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定量的蠕變總伸長(zhǎng)率的應(yīng)力值（常用）b、持久強(qiáng)度在給定的溫度下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后發(fā)生斷裂 時(shí)構(gòu)件所能承受的最大應(yīng)力。蠕變極限適用于:在高溫運(yùn)行中要嚴(yán)格控制變形的零件的設(shè)計(jì)， 如渦輪葉片。持久強(qiáng)度適用于:只要求機(jī)件在使用期內(nèi)不發(fā)生斷裂。13過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)考慮蠕變極限和持久強(qiáng)度的場(chǎng)合：高溫壓力容器設(shè)計(jì)中，不僅要防止過(guò)大的變形，而

6、且要確保在規(guī)定條件下不會(huì)蠕變斷裂，往往同時(shí)用蠕變極限和持久強(qiáng)度來(lái)確定許用應(yīng)力。（蠕變極限常用第二種表示法，且一般規(guī)定時(shí)間為105h，總伸長(zhǎng)率為1%；確定持久強(qiáng)度的時(shí)間為105h。）在高應(yīng)力、較低的溫度時(shí)，斷裂后伸長(zhǎng)率較高，斷口呈韌性形態(tài)；而在應(yīng)力低、溫度高時(shí)，斷裂前塑性變形小，斷裂呈脆性，斷后伸長(zhǎng) 率較低，縮頸很小， 在晶體內(nèi)部常發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋。溫度和應(yīng)力對(duì)蠕變斷裂形式有顯著的影響14過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)松弛在常溫下工作的零件，在發(fā)生彈性變形后，如果變形總量保持不變，則零件內(nèi)的應(yīng)力將保持不變。但在高溫和應(yīng)力作用下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，如果變形總量保持不變，因蠕變而逐漸增加的塑性變形將逐步代替原來(lái)的彈性

7、變形，從而使零件內(nèi)的應(yīng)力逐漸降低，這種現(xiàn)象稱為松馳。如高溫壓力容器中的連接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。松弛穩(wěn)定性材料抵抗應(yīng)力松弛的能力。松弛穩(wěn)定性決定于材料的成分、組織等內(nèi)部因素。153、影響蠕變性能的主要因素過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)a、內(nèi)在因素:化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸b、外部因素：溫度、應(yīng)力在高應(yīng)力、較低的溫度時(shí)，斷裂后伸長(zhǎng)率較高，斷口呈韌性形態(tài)；而在應(yīng)力低、溫度高時(shí)，斷裂前塑性變形小，斷裂呈脆性，斷后伸長(zhǎng) 率較低，縮頸很小， 在晶體內(nèi)部常發(fā)現(xiàn)大量的細(xì)小裂紋。16過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)三、高溫下材料性能的劣化在高溫下長(zhǎng)期工作的鋼材性能的劣化主要有：蠕變脆化（前面已經(jīng)講了）珠光體球化石墨化回火脆化氫腐蝕和

8、氫脆17過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)a、珠光體球化危害：使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降例如：中度球化會(huì)使碳素鋼常溫強(qiáng)度下降下降10%15%；嚴(yán)重球化時(shí)下降20%30%補(bǔ)救：己發(fā)生球化的鋼材可采用熱處理的方法使之恢復(fù)原來(lái)的組織。18過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)b、石墨化危害：使金屬發(fā)生脆化，強(qiáng)度和塑性降低，沖擊值降低得更多。 產(chǎn)生環(huán)境：石墨化現(xiàn)象只出現(xiàn)在一定的高溫范圍。對(duì)碳素鋼和碳錳鋼，當(dāng)在溫度425oC以上長(zhǎng)期工作時(shí)都有可能發(fā)生石墨化。溫度升高，使石墨化加劇，但溫度過(guò)高，非但不出現(xiàn)石墨化現(xiàn)象，反而使己生成的石墨與鐵化合成滲碳體。預(yù)防：要阻止石墨化現(xiàn)象，可在鋼中加入與碳結(jié)合能力強(qiáng)的合金元素，如鉻、鈦

9、、釩等，但硅、鋁、鎳等卻起促進(jìn)石墨化的作用。19過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)c、回火脆化高溫臨氫設(shè)備常使用的2.25Cr-1Mo等鉻鉬鋼，長(zhǎng)期在300-600oC下使用，或者從此溫度范圍緩慢冷卻，脆性轉(zhuǎn)變溫度會(huì)升高，韌性降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆化。研究表明：影響2.25Cr-1Mo鋼回火脆化的主要因素為化學(xué)成分和熱處理?xiàng)l件。P、Sb、Sn和As等雜質(zhì)元素越多，奧氏體化溫度越高， 2.25Cr-1Mo鋼對(duì)回火脆化越敏感。20過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)d、氫腐蝕和氫脆氫能引起材料多種類型的性質(zhì)劣化，但加氫反應(yīng)器等壓力容器中常見(jiàn)的是氫腐蝕和氫脆。21過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)d-1.氫腐蝕 是指高溫高壓下氫與鋼中的碳形成甲烷的化學(xué)反應(yīng)，又稱為

10、氫蝕。氫腐蝕有兩種形式：一是和鋼表面的碳化合生成甲烷，引起鋼表 面脫碳， 使力學(xué)性能惡化；二是滲透到鋼內(nèi)部，與滲碳體反應(yīng)生成甲烷。裂紋22過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)一般情況下，碳素鋼在200以上的高壓氫環(huán)境中才會(huì)發(fā)生氫腐蝕。鋼 中加入鉻、釩、鈦、鎢等能形成穩(wěn)定碳化物的元素含量，可提高鋼抗氫 腐蝕的能力。奧氏體不銹鋼可以很好地抵抗氫腐蝕。目前，一般按照Neson曲線選用抗氫用鋼。根據(jù)該曲線，碳素鋼在氫分 壓小于3.45MPa時(shí)，允許的使用溫度約為250; 1.25Cr-0.5Mo鋼在氫 分壓小于6.9MPa時(shí)的允許使用溫度大約為520。影響氫腐蝕的因素主要有：溫度、氫分壓、時(shí)間、合金成分、應(yīng)力等23過(guò)程設(shè)備設(shè)

11、計(jì)在高溫、高氫分壓環(huán)境下工作的壓力容器，在停車時(shí)，應(yīng)先降壓，保溫消氫（200以上）后，再降至常溫。切不可先降溫后降壓。d-2.氫脆指鋼因吸收氫而導(dǎo)致韌性下降的現(xiàn)象。內(nèi)部氫:指鋼在冶煉、焊接、酸洗等過(guò)程中吸收的氫；外部氫:指鋼在氫環(huán)境中使用時(shí)所吸收的氫。氫的來(lái)源24過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)鋼材長(zhǎng)時(shí)間在高溫下，還會(huì)發(fā)生合金元素在固溶體和碳化物相之間的重新分配，那些對(duì)固溶體起強(qiáng)化作用的合金元素，如鉻、鉬、錳等，都會(huì)不斷脫溶，從而使材料高溫強(qiáng)度下降。除低溫、高溫外，中子輻照也會(huì)引起材料輻照脆化。在設(shè)計(jì)階段，預(yù)測(cè)材料性能是否會(huì)在使用中劣化，并采取有效的防范措施，對(duì)提高壓力容器的安全性具有重要意義。除以上4種劣化外，

12、還要注意：25過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2.3.2 介質(zhì)一、腐蝕概述a. 按腐蝕的機(jī)理來(lái)分電化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕b. 按金屬腐蝕的形式來(lái)分全面腐蝕局部腐蝕晶間腐蝕小孔腐蝕縫隙腐蝕應(yīng)力腐蝕1、金屬腐蝕2、金屬腐蝕分類金屬在外部介質(zhì)的作用下，由于化學(xué)變化、電化學(xué)變化或物理溶解而產(chǎn)生的破壞。26注意:不銹鋼防止晶間腐蝕的措施 a. 在10101120熱處理,隨即快速冷卻通過(guò)敏化范圍。 b. 采用超低碳不銹鋼。 c. 奧氏體不銹鋼中加入鈮、鈦使之穩(wěn)定。過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)27二、應(yīng)力腐蝕1、應(yīng)力腐蝕的特征三個(gè)階段孕育階段是逐步形成應(yīng)力腐蝕裂紋時(shí)期；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下，裂紋緩慢擴(kuò)展；裂紋失穩(wěn)階段最終發(fā)生的突然

13、斷裂。斷裂前往往沒(méi)有明顯塑性變形，是突發(fā)性的，因而很難預(yù)防，是一種危險(xiǎn)性很大的破壞形式。注意:值得注意的是第三階段不一定總會(huì)發(fā)生，因?yàn)樵诘诙A段形成的 裂紋有可能使壓力容器泄漏，導(dǎo)致壓力（應(yīng)力）下降，而不出現(xiàn) 第三階段，即發(fā)生未爆先漏（Leak Before Break）。金屬材料在拉應(yīng)力和特定介質(zhì)的共同作用下引起的斷裂28過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的特征：a拉伸應(yīng)力b特定合金和介質(zhì)的組合c一般為延遲脆性斷裂29過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2、常見(jiàn)的應(yīng)力腐蝕a. 堿溶液b.濕硫化氫c.液氨d. 氯化物溶液30過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)3、應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施 一般從選材、設(shè)計(jì)、改善介質(zhì)條件和防護(hù)等幾個(gè)方面采取措施，預(yù)防應(yīng)力腐蝕引起的壓力容器失效。 a. 合理選擇材料 b. 減少或消除殘余拉應(yīng)力c. 改善介質(zhì)條件 d. 涂層保護(hù)e. 合理設(shè)計(jì)31過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)2.3.3 加載速率加載速率的表示應(yīng)力速率（Pa/s）或應(yīng)變速率（1/s）通常，應(yīng)變速率在10 410-1s-1范圍內(nèi)，金屬材料的力學(xué)性能 沒(méi)有明顯變化。當(dāng)應(yīng)變速率在10-1s-1以上時(shí)，它對(duì)鋼材力學(xué)性能有顯著的影響： 加載速率較高時(shí)，材料沒(méi)有充分的時(shí)間產(chǎn)生正常的滑移變形，從而