低温压力容器选材的探讨.pdf

设备技术石油化工设计()低温压力容器选材的探讨何雨曦(中国石化工程建设有限公司 北京)摘要:随着低温压力容器在石油化工项目中越来越广泛的应用压力容器设计人员必须根据低温压力容器的设计条件、使用温度以及介质的腐蚀性能等设计因素来选择既能保证压力容器安全又能兼顾经济合理的低温钢材 主要依据标准从材料的化学成分、力学性能等方面对低温压力容器材料选用的问题进行分析和比较列举了工程设计中的应用实例便于加深设计人员对低温压力容器选材的理解和借鉴关键词:低温压力容器 材料选用 设计条件 化学成分 力学性能:./.在低温工况下压力容器用钢的低温韧性极其重要其强度性能指标则位于其次 随着温度降低到某一值以下钢制材料由韧性状态转变成脆性状态此时在拉应力的作用下其应力值若在低于材料屈服强度的情况下会突然发生脆性破裂这一现象被称为低温脆性破裂 为防止低温脆性破裂事故的发生世界各国压力容器设计规范依据其相关的标准规定了各自的低温界限见表 表 各国设计规范及相应的低温界限项目中国美国日本欧盟规范名称/低温界限/无明确表述 现行的/.压力容器标准对低温压力容器的界定是:设计温度低于 的碳素钢、低合金钢、双相不锈钢和铁素体不锈钢制容器以及设计温度低于 的奥氏体不锈钢制容器定义为低温容器由于钢材发生低温脆性破裂所带来的危险性很大设计人员有必要全面地了解低温压力容器用钢的特点和应用场合从而进行合理的材料选择保证低温压力容器的使用安全 关于压力容器用钢.用于 的中常温用钢压力容器中以 作为划分碳素钢和低合金钢制低温容器的界限对于设计温度等于 的压力容器 在设计时可 参 考/钢制低温压力容器技术规范可用于设计温度为 的中常温钢板列于表 表 中常温用钢板的使用温度下限项目钢板厚度/使用状态冲击试验要求使用温度下限/热轧、控轧、正火热轧、控轧正火热轧、控轧、正火热轧、控轧正火正火调质免做冲击试验 冲击 冲击(协议)免做冲击试验 冲击 冲击(协议)冲击 冲击 由表 可知:厚度 的 钢板和 钢板需要做 或 的冲击试验其使用温度下限在 而正火状态的 收稿日期:作者简介:何雨曦女 年毕业于英国曼彻斯特大学机械工程设计专业理学硕士工程师主要从事静设备设计工作 联系电话:.年第 期(第 卷)何雨曦.低温压力容器选材的探讨 钢板 和 调 质 状 态 的 钢 板 需 要 做 的冲击试验最低可在 的温度下使用 因此对中常温钢板采用不同的热处理状态配合低温冲击试验使其可以达到的使用温度下限为 .低温压力容器用钢随着低温技术和压力容器设备的不断发展低温压力容器用钢的应用也越来越广泛 目前按设计温度划分的低温用钢主要有 类:)用于 (或 )的碳锰钢和调质型高强度钢 其中以 为代表的碳锰钢在压力容器中适用面广且用量较大制造工艺成熟已完全实现国产化 随着化工设备向高参数化、大型化发展调质型高强度钢成为了低温压力 容 器 设 计 人 员 的 首 选 项()和()这两种钢在大型丙烷、丙烯和乙烯的球罐上使用较多)用于(或 )的含镍系低温钢 根据 元素含量划分有含.的钢 如 可用于设计温度 的场合广泛用于化工领域的低温装置含.的钢材如 可用于设计温度 的场合含.的钢如 可用于设计温度 的较低温工况通常用于大型乙烷、乙烯和 储罐)用于 的奥氏体不锈钢 如、等奥氏体不锈钢随着温度的降低其韧性没有明显的变弱即其具有良好的低温韧性因此适用于制作低温压力容器)铝合金 在化工装置中的应用较多如乙烯装置中的冷箱、板翅式换热器等 化学成分分析表 列出了对钢材的低温韧性起主要影响的化学成分 低温压力容器用钢的力学性能对比列于表 表 影响钢材低温韧性的化学成分及其控制含量 项目化学成分().().().由表 可看出:中常温用钢和低温用钢的含碳量都不超过.其中调质型高强度钢的含碳量控制在.以下不锈钢由于要保证其较好的耐腐蚀性因而含碳量普遍更低低温碳锰钢的镍含量均小于.使用温度下限是 当含镍量达到.时即使钢在 仍保持很高的韧性对于镍含量达到的调质钢可耐 的低温将中常温用钢 和低温用钢 的化学成分进行对比 提高了 含量降低了 含量 含量的控制更加严格因此可以在更低的设计温度下使用结合表 和表 可以看出用于设计温度低于 的钢材其 和 的含量宜为:.、.高合金奥氏体耐热铸钢其化学成分中的.、.主要化学元素在钢中的作用有:)含碳量较大时会导致钢的韧脆转变温度显著升高同时钢的低温冲击韧性急剧下降故低温钢板的含碳量一般都予以严格控制)添加适当的硅元素可在钢材中起脱氧的作用进一步细化晶粒和改善钢材的低温韧性)增加含锰量能使钢材得到细致而富 石 油 化 工 设 计 年第 期(第 卷)有韧性的铁素体和珠光体晶粒降低了钢的韧脆转变温度同时可以改善钢材在低温下的韧性)磷元素是产生冷裂纹最有害的元素磷含量较大时会使钢材韧性下降增加钢的冷脆性)硫元素是产生热裂纹的最有害元素它以 的形态存在于钢中 与 能形成低熔点()的共晶体当热加工温度()高于此温度时共晶体熔化使被加工的钢材开裂这就是钢的热脆性导致的后果)镍元素是改善低温韧性最有效的元素它可以抑制先析出来的粗大铁素体形成细化铁素体晶粒降低钢材韧脆转变温度使韧脆转变趋于平缓)钒元素在热处理的时候与钢中碳、氮等残余元素形成强碳化物、氮化物这些化合物会抑制奥氏体晶粒长大从而获得良好的低温韧性 材料力学性能分析.拉伸性能分析压力容器用钢的力学性能对比列于表 表 压力容器用钢的力学性能对比 牌号厚度/拉伸试验冲击试验抗拉强度/屈服强度/断后伸长率 温度/冲击吸收能量/()()()由表 可看出:)表 所列碳素钢和低合金钢的强度随厚度增大而降低钢材的冲击吸收能量指标由最小厚度范围的抗拉强度 确定)调质型高强钢如:是屈服强度为 的高强度低合金钢从表中可以看到它和 钢板的屈服强度比、钢板高出很多 在球罐设计时选用调质型高强 年第 期(第 卷)何雨曦.低温压力容器选材的探讨 钢可以在保证强度的前提下使球壳壁厚更薄减少焊接的工作量因此在大型低温球罐设计中广泛应用)/承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带中奥氏体不锈钢在室温断后伸长率 的保证值基本上为 表中的两种奥氏体不锈钢在室温下的断后伸长率均为其塑性明显优于表中其余碳钢和低合金钢.冲击吸收能量低温夏比(形缺口)冲击韧性试验在压力容器标准中应用最为广泛由于 形缺口类似于裂纹尖端易于发生应力集中的情况因此 形缺口的冲击吸收能量主要是裂纹扩展时吸收的能量在压力容器中防止材料发生脆性断裂起关键作用的是裂纹扩展功由表 可看出:随着钢板厚度的增加其抗拉强度和屈服强度降低 在钢板厚度 时钢板的最低使用温度升高为 亦即:随着板厚的增加其冲击吸收能量值减小发生脆性断裂的可能性将变大 也可由此得出:钢板的厚度是结构脆性断裂的一个重要影响变量 低温压力容器选材的考虑在低温压力容器的设计中其许用应力按材料在 时的许用应力选取 因此在选材时主要考虑其在使用温度下限时是否还能保持良好的韧性:合适的壁厚、使用条件下的受力情况、焊接方式等内容 表 为某些项目中不同设备类型和设计条件下低温压力容器的选材实例表 工程选材实例项目设备尺寸/设备材质介质设计压力/设计温度/厚度/级间集液罐 氮气、烃./丙烯球罐丙烯./丙烯制冷压缩机二段吸入罐 丙烯./脱乙烷塔回流罐 裂解气、烃./脱甲烷塔进料 号分离罐 氢气、.脱甲烷塔回流罐 烃.制冷压缩机放净罐 乙烯./.温度对选材的影响低温压力容器的选材首先考虑容器的设计温度 是判定碳素钢、低合金钢容器为低温容器的界线 是判定奥氏体不锈钢容器为低温容器的界线 在环境温度极低(冬季)的地区还需适当考虑环境温度的影响/.中规定“环境温度”取月平均最低气温的最低值表 中的丙烯制冷压缩机二段吸入罐和脱甲烷塔回流罐设计温度均高于 但在极端情况下介质温度可能降至其常压下的沸点 和 左右所以设计时需要选用低温材料根据表 的实际选材案例总结出设计工程项目时低温设备材料的选用原则:)奥氏体不锈钢).钢或奥氏体不锈钢 或 ).低合金钢)低温低合金钢)碳钢低合金钢.其他因素对选材的影响从表 的选材实例可以看到当设计温度低于 时通常选用奥氏体不锈钢而没有选用.钢以脱甲烷塔进料 号分离罐为例从表 可以查到 钢板在室温下的许用应力为 钢板在室温下的许用应力是 即 的 强 度 高 于 根据圆筒的计算厚度公式:()/()输入脱甲烷塔进料 号分离罐的设计条 件 可 以 得 到 的 计 算 厚 度 为 的计算厚度为 综上所述选用 钢板其壁厚约是 钢板壁厚的.倍且市场上的 钢板比 钢板的价格更高 然而根据现有技术和市场情况最终在设计时却选择了奥氏体不锈钢(钢)的主要原因是:石 油 化 工 设 计 年第 期(第 卷)首先从技术性的角度看以往.钢使用较多的是 标准中的 .虽然国内的 钢板已经实现了国产化然而其配套焊材和相关检验技术还不成熟在压力容器领域中的应用具有局限性 其次从供货的情况看 不锈钢比 在装置中的使用更加广泛统一订货更为方便 且奥氏体不锈钢因其低温性能比较好容器的厚度可以控制在一个合理的范围内以弥补强度低的弱点 结语文章从低温压力容器用钢的分类、低温压力容器用钢的性能对比和影响低温压力容器选材的因素 方面对低温压力容器材料的选用进行了分析和讨论对压力容器设计人员更为系统地了解低温压力容器用材料有一定的借鉴作用 选择低温压力容器材料时必须考察材料在最低的使用温度下能否保持良好的低温韧性 在设计过程中严格按照相关技术标准根据设计条件进行强度计算在符合项目装置实际使用的情况下保证选材的合理性参考文献:全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器:.北京:中国标准出版社.全国化工设备设计技术中心站.钢制低温压力容器技术规定:/.北京:北京科学技术出版社.霍中雪.国产 钢制 丙烯球罐建造技术.化工机械():.王非聂晶赵东平.低温压力容器用钢探讨.锅炉制造():.全国钢标准化技术委员会(/).锅炉和压力容器用钢板:.北京:中国标准出版社.全国钢标准化技术委员会(/).低温压力容器用钢板:.北京:中国标准出版社.全国钢标准化技术委员会(/).压力容器用调质高强度钢板:/.北京:中国标准出版社.全国钢标准化技术委员会(/).承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带:/.北京:中国标准出版社.低温压力容器材料概述.品牌与标准化():.许强.石油化工用低温压力容器设计选材分析.石油化工设备技术():.(上接第 页)例如设备内径为 采用带垫板的 型腿式支座设备筒体名义厚度为 垫板厚度也为 因其不是标准公称直径无法采用公式()计算 参考表 选定角钢支柱规格 将设计参数代入式()中得到地脚螺栓中心圆直径为:/(/)()/()结语介绍了腿式支座的结构、分类和主要尺寸指出现有文献 在推导角钢支柱腿式支座地脚螺栓中心圆直径过程中存在的问题 根据严格的几何推导得到地脚螺栓中心圆直径精确求解计算公式 通过对比计算验证了标准规范/.中的经验公式是合理的工程中可以用经验公式进行简化计算 而利用精确求解计算公式进行非标角钢支柱腿式支座的设计和计算可大幅提高工作效率和设计准确性参考文献:杨良瑾段瑞冯清晓.非裙座支承立式容器设计问题探讨.石油化工设备技术():.谢智刚.立式容器支腿设计问题的探讨.石油化工设计():.桑如苞.立式容器支腿计算方法分析.石油化工设备技术():.陈雷.腿式支座和支承式支座的比较.化学工程与设备():.赵大章.立式容器的角钢支腿.中国井矿盐():.李涛.型、型腿式支座地脚螺栓中心圆直径的计算.化工设备与管道():.丁玉林.角钢支脚安装尺寸计算.化工设计通讯():.李祥.角钢支座地脚螺栓圆直径的计算.化工设备设计():.全国锅炉压力器标准化技术委员会(/).容器支座 第 部分:腿式支座:/.北京:新华出版社.全国钢标准化技术委员会(/).热轧型钢:/.北京:中国标准出版社.():.:(.):.:():.:(.):/.:():().:():.:():.().:(.):.:():.:().