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1、1,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.压力容器用材以及环境和 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 MATERIALS,2,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,3.3.2 介质,3.3.3 加载速率,3,3.3.1 温度,不同用途的压力容器的工作温度不同。,钢材在,低温,中温,高温,下，性能不同,高温下，钢材性能往往与作用时间有关,4,一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响,1、高温下,图3-3
2、温度对低碳钢力学性能的影响,在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。,5,2、低温下,随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。当温度低于20时，钢材可采用20时的许用应力。,韧脆性转变温度（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转变温度或脆性转变温度。,6,图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线,7,低温变脆的金属：,具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢,低温仍有很高韧性的金属：,面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功
3、随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。,8,9,二、高温、长期静载下钢材性能,蠕变现象,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，这种现象被称为蠕变现象。蠕变发生的三要素：高温、应力、时间。,蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。,蠕变的危害,10,1、蠕变曲线,蠕变曲线三阶段,减速蠕变,恒速蠕变,加速蠕变,图3-5 蠕变应变与时间的关系,一定温度和一定应力条件下,11,cd为蠕变的第三阶段,ab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，因此也称为蠕变
4、的减速阶段.,bc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，故也称为蠕变的恒速阶段.,在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。,oa线段试样加载后的瞬时应变。,a点以后的线段从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。,12,对于同一材料，改变温度或改变应力，蠕变曲线都会不同：,当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段；相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失。,13,2、蠕变极限与持久强度,a、蠕变极限是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。,蠕变极限表示法,b、持久强度在给定的温度下，经过一
5、定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。,14,考虑蠕变极限和持久强度的场合：,蠕变极限适用于在高温运行中要严格控制变形的零件的设计，如涡轮叶片,高温压力容器设计中，不仅要防止过大的变形，而且要确保在规定条件下不会蠕变断裂，往往同时用蠕变极限和持久强度来确定许用应力。（蠕变极限常用第二种表示法，且一般规定时间为105h，总伸长率为1%；确定持久强度的时间为105h。）,15,松弛,在常温下工作的零件，在发生弹性变形后，如果变形总量保持不变，则零件内的应力将保持不变。但在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应
6、力逐渐降低，这种现象称为松驰。如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏。,16,三、高温下材料性能的劣化,在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：,17,a、珠光体球化,危害：使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降,例如，中度球化会使碳素钢常温强度下降10%-15%;严重球化时下20%-30%。已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。,18,b、石墨化,危害：使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。产生环境：石墨现象只出现在一定的高温范围。对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。温度升高，使石墨化加剧，但温度
7、过高，非但不出现石墨化现象，反而使己生成的石墨与铁化合成渗碳体。预防：要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、鈦、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。,19,c、回火脆化,高温临氢设备常使用的12Cr1MoV等铬钼钢，长期在325-575oC下使用，或者从此温度范围缓慢冷却，脆性转变温度会升高，韧性降低，这种现象称为回火脆化。研究表明：影响2.25Cr-1Mo钢回火脆化的主要因素为化学成分和热处理条件。P、Sb、Sn和As等杂质元素越多，奥氏体化温度越高，2.25Cr-1Mo钢对回火脆化越敏感。,20,d、氢腐蚀和氢脆,氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等
8、压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。,21,d-1.氢腐蚀,是指高温高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。,氢腐蚀有两种形式：,22,一般情况下，碳素钢在200以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。钢 中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢 腐蚀的能力。奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。目前，一般按照Neson曲线选用抗氢用钢。根据该曲线，碳素钢在氢分 压小于3.45MPa时，允许的使用温度约为250;1.25Cr-0.5Mo钢在氢 分压小于6.9MPa时的允许使用温度大约为520。,影响氢腐蚀的因素主要有：,温度、氢分压、时间、合金成分、应力等,23,在高温、高氢
9、分压环境下工作的压力容器，在停车时，应先降压，保温消氢（200以上）后，再降至常温。切不可先降温后降压。,d-2.氢脆,指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。,氢的来源,24,钢材长时间在高温下，还会发生合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配，那些对固溶体起强化作用的合金元素，如铬、钼、锰等，都会不断脱溶，从而使材料高温强度下降。除低温、高温外，中子辐照也会引起材料辐照脆化。在设计阶段，预测材料性能是否会在使用中劣化，并采取有效的防范措施，对提高压力容器的安全性具有重要意义。,除以上4种劣化外，还要注意：,25,3.3.2 介质,一、腐蚀概述,1、按腐蚀的机理来分,金属腐蚀分类：,电化学腐蚀：形
10、成微电池，有电流,化学腐蚀：发生化学反应，无电流,应力腐蚀：拉应力特定腐蚀介质,对于埋地设备，还包括微生物腐蚀和电流干扰腐蚀，详见郑津洋等编著的长输管道安全风险辨识、评价和控制，化学工业出版社，2004,26,二、应力腐蚀,1、应力腐蚀的特征,三个阶段,孕育阶段,是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；,裂纹稳定扩展阶段,在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；,裂纹失稳阶段,最终发生的突然断裂。,断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。,值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏（Leak Before Break）。,27,应力腐蚀开列的特征：,a拉伸应力,b特定合金和介质的组合,c一般为延迟脆性断裂,28,2、常见的应力腐蚀,a.碱溶液,b.湿硫化氢,c.液氨,d.硝酸盐溶液,有关选材、制造、检验的要求见HG20581“钢制化工容器材料选用规定”,29,3、应力腐蚀的预防措施,一般从选材、设计、改善介质条件和防护等几个方面采取措施，预防应力腐蚀引起的压力容器失效。,30,3.3.3 加载速率,加载速率的表示应力速率（Pa/s）或应变速率（1/s）,通常，应变速率在10 410-1s-1范围内，金属材料的力学性能没有明显变化。,31,
