第二章-压力容器材料.pptx

1第二章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS2压力容器设计压力容器设计正确的应力分析和强度计算正确的应力分析和强度计算合理的材料选择合理的材料选择时间效应、环境作用时间效应、环境作用（充分考虑）32.1 2.1 压力容器材料压力容器材料压力容器材料压力容器材料2.1.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材2.1.2 有色金属和非金属有色金属和非金属2.2 2.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响压力容器制造工艺对钢材性能的影响压力容器制造工艺对钢材性能的影响压力容器制造工艺对钢材性能的影响2.2.1 塑性变形塑性变形2.2.2 焊接焊接本章主要内容本章主要内容2.2.3 热处理热处理42.4 2.4 压力容器材料选择压力容器材料选择压力容器材料选择压力容器材料选择2.4.1 压力容器用钢的基本要求压力容器用钢的基本要求2.4.2 压力容器钢材的选择压力容器钢材的选择2.3 2.3 环境对压力容器用钢性能的影响环境对压力容器用钢性能的影响环境对压力容器用钢性能的影响环境对压力容器用钢性能的影响2.3.1 温度温度2.3.2 介质介质2.3.3 加载速率加载速率52.1 压力容器材料压力容器材料2.1.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材2.1.2 有色金属和非金属有色金属和非金属62.1.1 压力容器常用钢材压力容器常用钢材一、钢材形状一、钢材形状主要是主要是板板、管材管材和和锻件锻件(按钢材供应形式按钢材供应形式)（1）钢板）钢板壳体、封头、板状构件等壳体、封头、板状构件等下料、卷板、焊接、热处理下料、卷板、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、韧性、较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能冷弯性能和焊接性能主要用途：主要用途：加工要求加工要求:性能要求：性能要求：7（2）钢管）钢管接管、换热管等接管、换热管等无缝钢管、卷制无缝钢管、卷制下料、焊接、热处理下料、焊接、热处理较高的强度、良好的塑性、较高的强度、良好的塑性、韧性、焊接性能韧性、焊接性能主要用途：主要用途：主要来源：主要来源：加工要求加工要求:性能要求：性能要求：8（3）锻件）锻件高压容器的平盖、端部法兰与接管法高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等兰等 、四个级别。级别越四个级别。级别越高，高，要求检验项目越多，越严格，要求检验项目越多，越严格，价格越高。价格越高。主要用途：主要用途：分分 级：级：9二、钢材类型二、钢材类型（按冶金方法分类）（按冶金方法分类）（按炉别）（按炉别）（按脱氧程度）（按脱氧程度）平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢电炉钢电炉钢沸腾钢沸腾钢 如如Q235-AF镇静钢镇静钢 如如Q235-A(Z)半镇静钢半镇静钢 如如Q235-Ab10（按用途分类）（按用途分类）结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢专用钢专用钢（按品质分类）（按品质分类）普通钢普通钢优质钢优质钢如如Q235-A如如20,20R11碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢高合金钢高合金钢（按化学成分分类）（按化学成分分类）C0.25%工业纯铁工业纯铁低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢0.25%C0.6%C0.6%含合金总量含合金总量3%高高 碳碳C0.08%低低 碳碳C0.08%超低碳超低碳C0.03%超超 纯纯C0.01%121、碳素钢、碳素钢含含碳碳量量小小于于2.062.06的的铁铁碳碳合合金金。以以及及含含少少量量的的硫硫、磷磷、硅硅、氧氧、氮等元素。氮等元素。压力容压力容器用钢器用钢碳素结构钢碳素结构钢压力容器专用钢板压力容器专用钢板Q235-B,Q235-C 10、20钢钢管；钢钢管；20、35钢锻件。钢锻件。20R（R表示压力容器专用钢板）表示压力容器专用钢板）20R的特点和的特点和应用场合：应用场合：强度低，塑性和可焊性较好强度低，塑性和可焊性较好,价格低廉；价格低廉；常用于常压或中、低压容器；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。也做垫板、支座等零部件材料。1320R是在是在20钢基础上发展起来的钢基础上发展起来的,是容是容器专用钢器专用钢;对对s、p等有害元素控制更加等有害元素控制更加严格严格;对钢材的表面质量和内部缺陷的对钢材的表面质量和内部缺陷的要求也更高要求也更高;比比20钢多了冲击韧性要求钢多了冲击韧性要求.20R和20的区别：142、低合金钢、低合金钢是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超 过过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐 腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。(1)特点及优点特点及优点采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运 输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。1516MnR、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR;(2)压力容器常用低合金钢：压力容器常用低合金钢：16Mn、09MnD;16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、2.25Cr-1Mo。（D表示低温用钢）表示低温用钢）钢板钢板钢管钢管锻件锻件16(3)应用介绍应用介绍a.16MnR屈服点屈服点 为为340MPa级的压力容器专用钢板级的压力容器专用钢板是我国压力容器行业使用量最大的钢板是我国压力容器行业使用量最大的钢板具有良好的综合力学性能、制造工艺性能具有良好的综合力学性能、制造工艺性能主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器17b.16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR低温压力容器用钢，工作在低温压力容器用钢，工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板及更低温度的压力容器专用钢板16MnDR可用于可用于-40 的钢种的钢种液氨储罐等设备液氨储罐等设备（降低碳含量，并加镍和微量钒）（降低碳含量，并加镍和微量钒）15MnNiDR提高了低温韧性提高了低温韧性-40 级低温球形容器级低温球形容器09MnNiDR-70 级低温压力容器用钢级低温压力容器用钢用于制造液丙烯（用于制造液丙烯（-47.7）、液硫化氢（）、液硫化氢（-61）等设备等设备18c.15CrMoR低合金珠光体热强钢低合金珠光体热强钢中温抗氢钢板中温抗氢钢板用于制造壁温不超过用于制造壁温不超过560 的压力容器的压力容器19d.20MnMo、09MnNiD、2.25Cr-1Mo锻件锻件锻件锻件20MnMo常制造使用温度为常制造使用温度为-40470 的重要大中型锻件的重要大中型锻件良好的热加工和焊接工艺性能良好的热加工和焊接工艺性能09MnNiD良好的低温韧性良好的低温韧性常制造使用温度为常制造使用温度为-4045 的低温容器的低温容器 12Cr1MoV较高的热强性、抗氧化性和较高的热强性、抗氧化性和良好的焊接性能良好的焊接性能常制造高温（常制造高温（350480）、）、高压（高压（25MPa）、临氢压）、临氢压力容器力容器 2.25Cr-1Mo203、高合金钢、高合金钢压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀耐腐蚀、耐高温钢耐高温钢铬钢铬钢铬镍钢铬镍钢铬镍钼钢铬镍钼钢21（1）铬钢：）铬钢：但不耐硫酸、盐酸、热但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀磷酸等介质的腐蚀0Cr13是常用的铁是常用的铁素体不锈钢素体不锈钢有较高的强度、塑性、韧性有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能和良好的切削加工性能在室温的稀硝酸以及弱有在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性机酸中有一定的耐腐蚀性22（2）铬镍钢）铬镍钢0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10这三种钢均属于这三种钢均属于奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢。但长期在水及蒸汽中工作时，但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有有晶间腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀晶间腐蚀倾向，倾向，并且在氯化物溶液中易发生并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀应力腐蚀开裂。开裂。具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温度范围内长期使用。温度范围内长期使用。为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。0Cr18Ni9在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳0Cr18Ni10Ti00Cr19Ni1023（3）铬镍钼钢：）铬镍钼钢：耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。用于制造介质中含氯离子的设备。00Cr18Ni5Mo3Si2是奥氏体是奥氏体-铁素体双铁素体双相不锈钢相不锈钢24复合板复合板基层基层：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。：与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。复层复层：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈：与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈 钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/101/3。复合板应用特点：复合板应用特点：用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。从而降低压力容器的制造成本。复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱 环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。25 压力容器零部件间焊接还需要压力容器零部件间焊接还需要焊条焊条、焊丝焊丝、焊剂焊剂、电极电极和和衬垫衬垫等焊接材料。等焊接材料。一般应根据待连接件的一般应根据待连接件的化学成分化学成分、力学性能力学性能、焊接性能焊接性能，结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，结合压力容器的结构特点和使用条件综合考虑选用焊接材料，必要时还应通过必要时还应通过试验试验确定。确定。压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。压力容器用钢的焊接材料可参阅有关标准。焊接材料：焊接材料：262.1.2 有色金属和非金属有色金属和非金属一、有色金属一、有色金属使用状态：使用状态：在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态在退火状态下的强度比较稳定，一般都在退火状态下使用下使用选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号压力容器常用压力容器常用有色金属：有色金属：铜及其合金铜及其合金铝及其合金铝及其合金镍及镍合金镍及镍合金钛及钛合金钛及钛合金27 在没有氧存在的情况下，铜在许多在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性非氧化性酸酸中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是中都是比较耐腐蚀的。但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性。在低温下保持较高的塑性及冲击韧性。1、铜及其合金、铜及其合金特性特性：应用应用：是制造是制造深冷设备深冷设备的良好材料。的良好材料。282、铝及其合金、铝及其合金特性特性：铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；在低温下具有良好的塑性和韧性；在低温下具有良好的塑性和韧性；使用温度范围为使用温度范围为-269200；有良好的成型和焊接性能。有良好的成型和焊接性能。应用应用：可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备污染产品的设备及深冷设备293、镍及镍合金、镍及镍合金特性特性：应用应用：在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可达达900。由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。304、钛及钛合金、钛及钛合金特性特性：应用应用：对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；具有密度小（具有密度小（=4510kg/m3）、强度高（相当于）、强度高（相当于20R）、）、低温性能好、粘附力小等优点；低温性能好、粘附力小等优点；但单位质量价格高，比一般钢材高但单位质量价格高，比一般钢材高20倍左右；倍左右；使用温度仅限于使用温度仅限于350以内以内。在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。得较好的综合经济效果。31二、非金属材料二、非金属材料用途：用途：它既可以它既可以单独用作结构材料单独用作结构材料，也可用作金属材料，也可用作金属材料保护衬保护衬里里或或涂层涂层,还可以用作设备的还可以用作设备的密封材料密封材料、保温材料保温材料和和耐火耐火材料材料。压力容器用非金属材料要求：压力容器用非金属材料要求：除要求有良好的耐腐蚀性外，除要求有良好的耐腐蚀性外，还应有足够的强度，还应有足够的强度，好的热稳定性，好的热稳定性，良好的加工制造性能。良好的加工制造性能。缺点：缺点：大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低属相比强度较低(除玻璃钢外除玻璃钢外)。32压力容器常用非金属材料：压力容器常用非金属材料：涂料涂料工程塑料工程塑料不透性石墨不透性石墨搪瓷搪瓷陶瓷陶瓷331、涂料、涂料涂料是一种有机高分子胶体的混合物，涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄膜，将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄膜，起耐腐蚀和保护作用。起耐腐蚀和保护作用。34热塑性塑料热塑性塑料热固性塑料热固性塑料在一定温度下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，在一定温度下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化；再加热又软化；Eg.如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等；等；可用作制造低压容器的壳体、管道可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元件、衬里等也可用作密封元件、衬里等的材料。的材料。2、工程塑料、工程塑料353、不透性石墨、不透性石墨 具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，可用于制造具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，可用于制造热交换器。热交换器。4、陶瓷、陶瓷 具有良好的耐腐蚀性能，且有一定的强度，被用来制具有良好的耐腐蚀性能，且有一定的强度，被用来制造塔、贮槽、反应器和管件。造塔、贮槽、反应器和管件。365、搪瓷、搪瓷搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过9000C左右的高左右的高温锻烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。温锻烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。它具有优良的耐蚀性，较好的耐磨性，广泛用作耐它具有优良的耐蚀性，较好的耐磨性，广泛用作耐腐蚀、不挂料的反应罐、贮罐、塔和反应器等。腐蚀、不挂料的反应罐、贮罐、塔和反应器等。37具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，具有重量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，是一种很有发展前途的压力容器材料，是一种很有发展前途的压力容器材料，已被用于制造天然气钢瓶、液化石油气储罐等产品。已被用于制造天然气钢瓶、液化石油气储罐等产品。复合材料复合材料38第二章第二章 压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和 时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响2.2 压力容器制造工艺 对钢材性能的影响MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS39压力容器制造冷、热加工焊接组对热处理（必要时）塑性变形焊接工艺热处理研究冷或热压力加工造成的塑性变形、焊接工艺和热处理对钢材性能的影响402.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响2.2.1 塑性变形2.2.2 焊接2.2.3 热处理412.2.1 塑性变形塑性变形材料在载荷下的变形弹性变形弹性变形塑性变形或永久变形塑性变形或永久变形42一、应变硬化二、热加工和冷加工三、各向异性四、应变时效材料在材料在塑性变形塑性变形中内部性能的变化：中内部性能的变化：43一、应变硬化见应力-应变曲线图 从该曲线可以看到，从d 卸载后，dg表示消失了的弹性变形,而od表示不再消失的塑性变形。卸载后，在短时间内再次加载，则应力应变关系按照dd变化，到了d 以后，按照def变化。到d以前材料都是弹性的，以后才出现塑性变形。相当于形成了新的材料曲线。比较，可见在第2次加载时，其比例极限提高了，但塑性变形和延伸率却有所减低。表明在常温下把材料拉伸到塑性变形，然后卸载，当再次加载时，将使材料的比例极限提高，而塑性减低。这种现象称为应变硬化应变硬化。（加工硬化、冷加工硬化、冷做硬化做硬化）材料力学应变硬化经退火，可消失。加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低加工硬化可提高材料的抗变形能力，但塑性降低44凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形在再结晶温度以下进行的塑性变形在再结晶温度以下进行的塑性变形二、冷加工和热加工冷、热加工的分界线冷、热加工的分界线从金属学的观点来区分，从金属学的观点来区分，是金属的再结晶温度。是金属的再结晶温度。热加工或热变形热加工或热变形特点特点:热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。无加工硬化现象。冷加工或冷变形冷加工或冷变形特点特点:冷变形中无再结晶出现，因而冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。断裂破坏。45钢板冲压成各种封头后，由于塑性变形，厚度会发生变化。例如，钢板冲压成半球形封头后，底部变薄，边缘增厚。在压力容器设计时，应注意这种厚度的变化。46三、各向异性非金属夹杂物非金属夹杂物热加工热加工纤维组织纤维组织呈纤维状呈纤维状金属再结晶金属再结晶带状组织带状组织金属材料力学性能产生方向性金属材料力学性能产生方向性a、平行纤维组织方向的强度、平行纤维组织方向的强度、塑性和韧性提高，塑性和韧性提高，b、垂直方向的塑性和韧性降低、垂直方向的塑性和韧性降低c、变形越大，性能差异越明显、变形越大，性能差异越明显因势利导：因势利导：纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力 与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。第二项合金第二项合金47四、应变时效冷加工应冷加工应用举例：用举例：筒节冷卷筒节冷卷封头冷旋压封头冷旋压应变时效经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和屈服点和抗拉强度提高抗拉强度提高，塑性和韧性降低塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。的现象，称为应变时效。48应变时效危害降低应变时效的措施发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温常温下的脆化下的脆化。一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量时效敏感性。减少碳、氮含量;加入铝、钛、加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。可显著减弱钢的应变时效敏感性。492.2.2 焊接焊接焊接：是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节。焊接：是压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节。焊接方法：焊接方法：熔焊熔焊 （压力容器制造中应用最广）（压力容器制造中应用最广）压焊压焊钎焊钎焊熔焊机理：熔焊机理：形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体形成牢固的原子间结合，使待连接件成为一体焊接接头加热至熔化焊接接头加热至熔化融化的母材融化的母材填充金属填充金属熔池熔池冷却结晶后冷却结晶后通过加热或（和）加压，使焊件达到原子或分子结合的一种加工方法。通过加热或（和）加压，使焊件达到原子或分子结合的一种加工方法。50焊接技术：焊接技术：各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理论的各种焊接方法、焊接工艺、焊接材料、焊接设备及其基础理论的总称。总称。焊接接头：焊接接头：用焊接方法连接的接头。用焊接方法连接的接头。51一、焊接接头的组织和性能二、焊接应力与变形三、减少焊接应力和变形的措施四、焊接接头常见缺陷五、焊接接头检查52一、焊接接头的组织和性能焊接接头组成焊缝熔合区热影响区1、焊缝由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。由熔池的液态金属凝固结晶而成，通常由填充金属和部分母材金属组成。因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。等易偏析集中在焊缝中心区，影响焊缝的力学性能。53542、熔合区焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。组织：熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其熔合区的加热温度在合金的固相和液相线之间，其化学成分和组织性能有很大的不均匀性化学成分和组织性能有很大的不均匀性塑性差、强度低、脆性大、易产生塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹焊接裂纹，是焊，是焊接接头中最薄弱的环节之一接接头中最薄弱的环节之一性能：553、热影响区是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和是焊缝两侧母材因焊接热作用（但未熔化）而发生金相组织和力学性能变化的区域。力学性能变化的区域。组织及性能在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。相组织区，使其力学性能也不同。56以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：以低碳钢为例加以说明热影响区的各个金相组织区：过热区：过热区：对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火对于焊接刚度大的结构或含碳量高的易淬火 正火区：正火区：焊接接头中组织和性能最好的区域焊接接头中组织和性能最好的区域部分正火区：部分正火区：力学性能不均匀力学性能不均匀钢，常在此区产生裂纹钢，常在此区产生裂纹57二、焊接应力与变形焊接焊接件产生温度梯度接头组织和性能的不均匀焊接应力和应变分别是指焊接过程中分别是指焊接过程中焊件内焊件内产生的应力和变形。产生的应力和变形。焊后残留在焊件内的焊接应力焊后残留在焊件内的焊接应力焊接应力和变形焊接应力和变形:焊接残余应力焊接残余应力:58局部区域应力过高，使结构承载能力局部区域应力过高，使结构承载能力下降，引起下降，引起裂纹裂纹，甚至导致结构，甚至导致结构失效失效焊接残余应力它是没有外载荷作用时就存在的应力焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行行矫形矫形。变形过大会因无法矫形而。变形过大会因无法矫形而报废报废。与外载荷产生的应力叠加与外载荷产生的应力叠加焊接残余应力的危害：焊接残余应力的危害：焊接变形的危害焊接变形的危害:59平板对接焊缝焊接残余应力分布见图平板对接焊缝焊接残余应力分布见图3-1所示。所示。由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，此外，焊接前压力容器成形不符合要求，例如筒体的不圆度，也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。也会产生焊接装配应力，使局部区域应力升高。60三、减少焊接应力和变形的措施如：尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除 焊接残余应力。设计焊接工艺61四、焊接接头常见缺陷 常见焊接缺陷常见焊接缺陷62a、裂纹形成：形成：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而形成的缝隙。形成的缝隙。特点：特点：它具有尖锐的裂端和大的长宽比。它具有尖锐的裂端和大的长宽比。位置：位置：裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。裂纹多数发生在焊缝中，也有的产生在焊缝热影响区。63根据裂纹的形成条件、根据裂纹的形成条件、时间和温度的不同，时间和温度的不同，焊接裂纹一般可分为焊接裂纹一般可分为危害：危害：热裂纹热裂纹冷裂纹冷裂纹再热裂纹再热裂纹层状撕裂层状撕裂应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，压力容器的破坏事故多数是由裂纹引起的。事故多数是由裂纹引起的。64b、夹渣残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。残留在焊缝金属中的熔渣称为夹渣。危害：危害：c、未焊透焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。焊接接头根部未完全熔透而留下空隙的现象称为未焊透。它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力它减少了焊缝的有效承载面积，在根部处产生应力集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。集中，容易引起裂纹，导致结构破坏。因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成因夹渣的几何形状不规则，存在棱角或尖角，易造成应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣应力集中，它往往是裂纹的起源，过长和密集的夹渣是不允许存在的。是不允许存在的。危害：危害：65d、未熔合对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，对于厚截面结构，熔焊时需要多道焊接。焊道与母材之间，或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。或焊道与焊道之间，未能完全熔化结合的部分称为未熔合。危害：危害：e、焊瘤是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上是焊接过程中，熔化金属流到焊缝以外未熔化的母材上所形成的金属堆积。所形成的金属堆积。危害：危害：它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。它类似于裂纹，易产生应力集中，是危险缺陷。易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、易造成应力集中，并在下面伴随着未熔合、未焊透等缺陷。未焊透等缺陷。66f、气孔气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来气孔是焊接过程中，熔池金属中的气体在金属凝固时未来得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。得及逸出，而在焊缝金属中残留下来所形成的孔穴。危害：危害：它在一定程度上减少了焊缝的承载面积，但由于没有尖锐的边缘，危害性相对较小。g、咬边沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。沿着焊趾的母材部位产生的凹陷或构槽，称为咬边。危害：危害：它不仅会减少母材的承载面积，还会产生应力集中，危害较为严重，较深时应予消除。67五、焊接接头检查破坏性检查非破坏性检查外观检查密封性检验无损检测直观检验量具检验射线透照检测超声检测表面检测磁粉检测渗透检测涡流检测测内部缺陷测内部缺陷测表面和近表面缺陷测表面和近表面缺陷设计中要给出相应设计中要给出相应的检测方法的检测方法（用水、气、油等）68注意注意:1.超声检测超声检测:对裂纹型对裂纹型(面型面型)缺陷敏感缺陷敏感;射线检测射线检测:对气孔型对气孔型(体型体型)缺陷敏感。缺陷敏感。2.磁粉检测磁粉检测:适用于铁磁性材料适用于铁磁性材料,不适用于非铁磁性材料不适用于非铁磁性材料 (如不锈钢如不锈钢);涡流检测涡流检测:适用于导电材料适用于导电材料,不适用于非导电材料不适用于非导电材料;渗透检测渗透检测:适用于金属材料和致密性非金属材料适用于金属材料和致密性非金属材料,不适用于疏松的多孔性材料。不适用于疏松的多孔性材料。692.2.3 热处理热处理改善综合性能热处理压力容器制造中的热处理焊后消除应力热处理固溶处理稳定化处理70一、焊后消除应力热处理目的目的：尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，尽量消除因塑性变形加工、锻造、焊接等引起的残余应力，改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。改善焊接接头的塑性和韧性，恢复因冷作和时效而劣化的力学性能。应用应用：当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力当钢板很厚，介质的毒性程度为极度或高度危害，或有应力 腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。腐蚀倾向时，压力容器应进行焊后热处理。由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一由于有色金属、不锈钢的塑性好，用它们制造的压力容器一 般不进行热处理。般不进行热处理。对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，对于压力容器中经常遇到的厚截面钢板或锻件，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，很难使整个截面上的性能尽可能均匀，此时应精心设计热处理工艺并严格执行。此时应精心设计热处理工艺并严格执行。71二、改善综合性能热处理1、固溶处理 将合金加热到一定温度并保持足够长时间将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充分使过剩相充分溶解到固溶体中溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这些以抑制这些被溶物质重新析出被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为称为固溶处理固溶处理。目的目的：提高合金的韧性和抗腐蚀性。提高合金的韧性和抗腐蚀性。72例例如如，含含钛钛或或铌铌的的奥奥氏氏体体不不锈锈钢钢在在850900温温度度范范围围内内加加热热适适当当时时间间，使使钛钛或或铌铌以以碳碳化化物物的的形形式式析析出出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。2、稳定化处理：目的：目的：稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。73第三节 环境对压力容器用钢性能的影响第二章第二章 压力容器用材以及环境和压力容器用材以及环境和 时间对其材料性能的影响时间对其材料性能的影响MATERIALS FOR PRESSURE VESSELS AND INFLUENCES OF ENVIRORMENT AND TIME ON PROPERTIES OF THESE MATERIALS742.3 环境对压力容器用钢性能的影响环境对压力容器用钢性能的影响2.3.1 温度温度2.3.2 介质介质2.3.3 加载速率加载速率752.3.1 温度温度不同用途的压力容器所在的工作温度不同。不同用途的压力容器所在的工作温度不同。钢材在钢材在低温低温中温中温高温高温下，性能不同下，性能不同高温下，钢材性能往往与作用时间有关高温下，钢材性能往往与作用时间有关介绍几种情介绍几种情况的影响况的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响二、高温、长期静载下钢材力学性能二、高温、长期静载下钢材力学性能三、高温下材料性能的劣化三、高温下材料性能的劣化76一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响1、高温下、高温下图3-3 温度对低碳钢力学性能的影响在温度较高时，仅仅根据在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。温度下材料的屈服点。772、低温下、低温下 随着温度降低，碳素钢和低合金钢的随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度强度提高，而提高，而韧性韧性降低。当温度低于降低。当温度低于20时，钢材可采用时，钢材可采用20时的时的许用应力。许用应力。韧脆性转变温度韧脆性转变温度（或脆性转变温度）（或脆性转变温度）当温度低于某一界限时，钢的冲击吸当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆性脆性状态。这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。转变温度或脆性转变温度。78图图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线注意注意:韧脆性转变温度不是在一个特定的温度，而是在一个温度韧脆性转变温度不是在一个特定的温度，而是在一个温度 范围内。范围内。79低温变脆的金属：低温变脆的金属：具有体心立方晶格的金属具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢如碳素钢和低合金钢低温仍有很高韧性的金属：低温仍有很高韧性的金属：面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。在很低的温度下仍具有高的韧性。注意注意:并不是所有金属都会低温变脆。并不是所有金属都会低温变脆。8081二、高温、长期静载下钢材性能二、高温、长期静载下钢材性能蠕变现象：蠕变现象：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。变现象。碳素钢碳素钢420400-500oC合金钢合金钢一定的应力作用一定的应力作用发生蠕变发生蠕变蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。坏发生。蠕变的危害蠕变的危害821、蠕变曲线、蠕变曲线蠕变曲线三阶段蠕变曲线三阶段减速蠕变减速蠕变恒速蠕变恒速蠕变加速蠕变加速蠕变图图3-5 蠕变应变与时间的关系蠕变应变与时间的关系一定温度和一定应力条件下一定温度和一定应力条件下83cd为蠕变的第三阶段为蠕变的第三阶段ab为蠕变的第一阶段为蠕变的第一阶段即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段因此也称为蠕变的减速阶段.bc为蠕变的第二阶段为蠕变的第二阶段在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段蠕变的恒速阶段.在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。在这阶段里蠕变速度不断增加，