ASME压力容器建造材料的选择

1.1   常规考虑本文仅作为材料选择工程师的一个信息性指导。对于特定的项目,材料在工程图或者材料文件中必须要体现的。压力容器用的材料选择是一个非常难以确定的任务。

压力容器建造材料的选择必须是标准批准的材料规范。材料工程师的目标是选择初期投资少的经济型材料,同时能满足未来的维护费用低,工艺要求的操作条件和其他要求。

选择最合适的材料需要考虑非常多的因素(例如具说服性的经验和试验测试结果),这些因素包含:

  • 腐蚀性环境下的耐腐蚀性能
  • 设计温度和压力下的强度要求
  • 成本
  • 市场的可利用性(方不方便买到)
  • 制造的难度
  • 未来维护的要求

通常情况下,化工设备是根据特定的最少服役年限在具体的操作条件下设计基于腐蚀的。根据腐蚀速率(mm/每年)能计算出总的腐蚀余量,并将其加到计算的需要厚度里面。如下是典型石化设备的设计寿命:

  • 20年:精馏塔,反应器,高压换热器的壳体,其他难以替代的主要设备;
  • 10~15年:碳钢罐,可移动的反应器部件,合金或碳钢塔的内件;
  • 5~10年:碳钢管线,换热器管束,各种各样的工艺塔内件

材料的选择必须要满足设备服役过程中的压力,温度,腐蚀环境,循环或操作的稳定性等。容器材料最初的选择是满足服役环境的要求,因此将建造材料根据服役特性分为:不腐蚀环境,其腐蚀速率可以忽略或非常低且能明确地评估(对于碳钢,最大腐蚀0.25in;否则得选择更耐腐蚀的材料);腐蚀环境,需要特别的材料而不是碳钢和低合金钢。

1.2   非腐蚀服役

除了抵抗腐蚀外,材料选择的基础条件是设计温度和设计压力。

在超低低温范围(从-425℉到-150℉)内,碳钢和低合金钢是脆性的,必须用奥氏体补休钢或非铁基材料(例如铝合金),在很低的温度下也不会出现冲击强度下降的情况。对于超低温和低温的区分接线通常是-240℉。

材料由塑性变为脆性的温度通常叫做冷脆转变温度,通过特定温度下的夏比V性缺口冲击试验是容易确定的。低温设备的的设计计算是按照室温下的材料特性。然而有些材料(ULT 23)在非低的温度下具有更高的屈服和拉伸强度,这可以降低设备的重量和成本。因为低温下,大多数材料的活性低,腐蚀问题就少了。

在低温范围(从-150℉到+32℉,标准上限是-20℉),低合金钢和细晶粒碳钢经过冲击试验发现是能满足要求的。

在中温范围(+33℉到+800℉),低碳钢就能满足要求。直到+800℉,低碳钢都表现为弹性,即当最大应力低于屈服点,载荷移除后,结构能够恢复到其原始尺寸。许用应力时基于屈服强度或强度极限,通过短时间的断裂试验获得;当存在波动或冲击应力时,补充疲劳或冲击试压。

注:

1. 304,304L,347和含Ni 36%的不锈钢用在温度低于-425℉时,必须要做冲击试验。

2.  压力容器钢板需要满足标准SA-20,其中有钢板的相应试验要求。对于低温环境,碳钢材料需要满足冲击要求,典型的例子:SA-516 60,正火以满足-50℉下冲击要强求。

3.  设计温度的限制时金属 在特定环境下的表现和与其机械性能一致。高温限制很难准确地定义。例如,为了避免石墨化或氢蚀问题,一些碳钢用在石化厂时的推荐最高设计温度为550℉。

4.   与受压元件相焊或操作时传递载荷的材料与主体材料一样。与9%Ni钢直接相焊的材料须与母材一样,或者是不会因热处理而硬化的奥氏体不锈钢。

5.   如果SA-36材料用于温度低于32℉,须硅脱氧细化晶粒钢材。

高温(高于800℉)下,材料的机械性能发生变化,表现为强度极限和屈服极限的下降,且失去了塑性,材料变脆了。在持续载荷下,材料持续性变形增加,这叫做蠕变。蠕变率是通过单位时间单位时间单位长度伸长率来表示的。实际上,有些蠕变发生在650℉以上,但是这不会产生明显的影响,知道温度达到800℉。设计许用应力基于两个参数:(a)设备服役期内蠕变过程中的变形必须限制在许用范围内;(b)破裂决不允许发生。许用应力时通过长时间的蠕变试验和高温度下的断裂应力来确定。高温持久限制的数据很少。

高温下的材料选择是一个复杂的问题,不想低温下材料选择那么直接。材料的选择也必须基于几个因素。材料微观的变化可能会影响高温下的机械性能。合金材料的机械性能受化学承恩和晶粒粗细的影响。通常情况下,低温和中温偏好于细化晶粒的材料,因为材料的拉伸应力,疲劳强度和冲击韧性会更好,同时耐腐蚀性能也会更好。然而,在高温下,主要影响因素是蠕变断裂强度,因此更偏好于粗晶粒材料。

用于高温压力容器建造的材料分为以下5类:

1. 碳钢:因为碳含量的不同,温度低于650℉时材料的强度变化,但是蠕变范围内的性能很类似。这类材料的使用不收硫腐蚀或氢蚀的限制,是中温或高温低压下最经济的材料。不仅是因为材料的单价便宜,而且这些材料的制造难度相比而言比较低。单个元素的增加都会增加材料成本,同时可能导致难以制造和焊接。碳钢容器的成远低于合金钢容器。

2. 碳钼钢,低铬钼合金钢(最高到3Cr-1Mo)和中铬钼钢(最高到9Cr-1Mo):某些这类材料最高能够用到1200℉,需要有耐石墨化和氢蚀的能力。这些材料较碳钢而言具有更好的蠕变断裂性能和高温强度。当对于温度高于650℉的高压容器,这类材料是比较经济的。另外,这类材料需要抵抗氧化,硫化或氢蚀。

3. 铁基不锈钢:某些情况下用。

4. 奥氏体不锈钢:这个是温度在1200℉到1500℉之间标准中唯一有许用应力的材料。由于耐氧化性能的下降限制了高于这个温度的使用。

5. 特殊抗高温材料:这类材料用于温度高于1500℉,包含310不锈钢和耐热铬镍合金(incoloy)

大量高温容器是由便宜的,低合金,碳钢建造而成,例如SA-240 B,通过内部衬足够厚的耐热材料,将金属壁温限制在材料能够承受的范围内。内部保温是不现实的,对于换热器或小直径管道,常用不锈钢。当内部衬耐热材料是,不同的热膨胀率必须考虑,同时也得考虑热量从内部焊缝传递到筒体上,这将导致温度梯度载荷。

1.3  腐蚀服役

玻璃,橡胶,搪瓷,铅和聚四氟乙烯都成功地作用防护性衬里材料。用这些衬里材料需要特殊的制造方法。然而,对于石化厂,最常用和商业上可用的耐腐性材料是不锈钢 。对于最大厚度为3/8in的容器壳体,最经济的是用不锈钢板;超过这个厚度常用碳钢或低合金钢带耐腐蚀衬里材料。

通常情况下,防护性衬里与碳钢基材有三种连接方式:整体复合板,衬条,堆焊。

整体复合:

整体复合或轧制复合板是通过将碳钢或低合金钢基板与耐腐蚀衬里热轧到一起,边缘是焊接在一起的。高温下轧制,压力使得基板和衬里之间固态相的焊接。标准要求连接界面的剪切强度通常最少超过20000psi。大多数情况下,耐腐蚀层的厚度为2~3mm就足够了。很少有整体复合层的厚度超过3/8in的场合。

整体复合板拥有很多优点。整体复合板可以是热成型或冷成型,载荷很小的预焊件可以直接焊在复层上,连续的连接面消除了任何腐蚀介质泄露到复层和基层之间。有可能因为两种才俩奥的热膨胀不一样而产生峰值应力,从而导致复层的缺陷,特别是焊缝区域,但是基于实践经验,整体复合板在高温或循环载荷下性能良好。然而,需要特别的试验来证明整体复合板是适用于预定的操作腐蚀工况的。同时推荐经常进行服役设备的检测。当层间温度较高时,碳会从基层材料扩散到奥氏体复层,但是碳化区域非常窄,不会影响整体的强度或复合板耐腐蚀性能。碳的扩散可以利用镍基复层来控制到最小。

当需要抵抗轻微的腐蚀时,很多复层材料是直接由铬加工而成,例如405或410S。它们的热膨胀低于碳钢。对于更加严格的腐蚀工况用18-8不锈钢。当需要焊接或焊后热处理时,用低碳含量或更稳定等级的材料作为复层。焊后热处理温度有可能位于不稳定性奥氏体不锈钢碳化物析出温度或sigma相形成温度区域范围内,需要特别注意这方面的复层材料的选择,否则热处理将导致复层材料的机械性能和耐腐蚀性能下降。

注1. 内件(塔盘,防冲板等)与衬里的材料等级一样;注2. 衬里的最大服役温度可以通过基材的最大服役温度来控制;

注3. 标准不推荐Cr含量超过14%的不锈钢用在温度高于800℉(427℃)场合;

注4. 当材料容器脆化时,操作温度需在750℉~950℉(399℃~510℃)之外;

注5. 不适用于焊接;

注6. 因为奥氏体钢和碳钢的热膨胀不同,碳钢的石墨化,通常将操作温度限制在800℉(427℃)之内。

 带/条形衬里:

压力容器另一个可选择的用于耐腐蚀层材料是通过焊接到容器壳体上的带性或条形衬里。衬带/条的常规厚度为2~3mm。任何可用做整体衬板的都能用作衬带或衬条。

带形衬里:带的长度在3~5ft(914~1524mm)之间,宽度在3~6in(76.2~152.4mm)之间,这取决于服役温度(窄条用于高温)。衬带是通过四周连续焊在基材上的。衬带件的焊缝宽度为6.35~12.7mm。填充金属的化学成分必须与衬带一样。在焊接完成后需要进行肥皂泡试验,来检测焊缝的致密性。

条形衬里:衬条的长度和宽度均为几英尺,紧密贴合,对于温度低于800℉(427℃),衬条与基材的连接是通过方形分别38.1X38.1mm点焊;对于温度高于800℉(427℃),衬条与基材的连接是通过方形分别38.1X25.4mm点焊。有些时候会用塞焊或有缝焊接。点焊的目的包含:

1) 电焊使得衬条与容器壁紧密贴合;

2) 当操作温度高时,通常衬条和基材热膨胀率的不同,衬里将弯曲变形。点焊防止衬里弯曲变形,随着时间的增加部分发展成塑性变形。

3) 点焊的分别应尽可能地近以防止衬里弯曲,防止液压试验时突然泄压带来的变形。

通常情况下,衬条和衬带是在容器已经焊接完成后焊在壳壁上的。然而,衬条可以在基板成型前焊接。碳钢表面要处理好以适应衬里表面。这样建造的设备成本没有整体复合板的贵,然而当 需要整体紧密型时要用整体复合板。

堆焊材料:

堆焊时另一种常用于制造复合板材料方法。在压力容器建造中,该方法特别用作前面方法的一个补充。堆焊不收结构形状的限制。

堆焊有镀铬潜在的缺点:

1. 会产生很大的残余应力;

2. 发生冶金反应,例如碳从基材扩散奥氏体焊缝,从而污染了堆焊层。堆焊的厚度一般是5~6mm,必须保证3mm纯净的复层材料。

3.  温度高于800℉(427℃)时不同的热膨胀系数变得很重要。加热和冷却时,复合层之间的剪切应力会大幅度地增加。

温度在800℉(427℃)以下,对于小尺寸接管(≤4in)用合金材料,更大尺寸的接管常用衬里结构和堆焊法兰。

上面三种方法中,堆焊时成本最高的。

1.4  螺栓材料用于压力连接的螺栓材料必须满足标准的要求。螺栓的设计不仅是强度,还包含连接节点的紧密性。为了防止螺栓连接的泄露,总的螺栓力必须超过操作液压和保持连接节点紧密度的总力。后者是由垫片材料和连接点的设计。

螺栓必须有初始的弹性变形和弹性应力。对于高温工况或持续较长时间,螺栓会发生蠕变,部分弹性变形转变为塑性变形,从而导致压紧力的下降。这叫做松弛。当松弛发生时,总的力不能压力节点,从而导致泄露。因此,抵抗松弛是非常重要的。因为松弛也发生于法兰和垫片中,他们的性能也要校核。

螺栓设计时另一个重要性能是屈服强度,缺口韧性,缺口敏感度,脆性和热膨胀率。

标准中提供的螺栓 材料许用应力考虑了更高的安全系数和预紧时额外的扭曲和弯曲应力。由于抵抗松弛能力差,碳钢螺栓对的使用最大温度为450℉(232℃)。

奥氏体不锈钢的屈服强度低,高温时更易屈服。因此,奥氏体不锈钢螺栓用于低温度和带腐蚀工况对的场合。最好是在高温下对螺栓进行预应力控制。对于其他温度。应变强化能满足要求。

实际上,SA-193 B8(304)的螺栓与SA-194 B8F(303)的螺母配对使用,因为他们拉毛的条件很接近。为了最小化预紧时螺母的拉毛,不锈钢紧固件都是要润滑的。

正如前面提到的那样,随着操作温度的上升,泄露可能发生,螺栓,垫片 和法兰由于热膨胀量的不同而导致额外的应力。标准SA-453有四个等级(660,651,662,665)包含了与奥氏体不锈钢热膨胀量相当的螺栓材料。该螺栓材料的Ni,Cr含量高,需要特殊的工艺,不用于常规用途,但是对于重要的节点是可以的。例如,用于核级奥氏体不锈钢阀门。标准SA-437有两个等级(B4B和B4C),含Cr12%的高合金钢螺栓材料,可以用于高温,高压工况,热膨胀性能与中铬钢相同。

结构连接用螺栓:

用于非压力连接的螺栓只有强度设计,因此连接的紧密性不那么重要。因此可以选择相对较为便宜的材料,只要能满足设计环境。对于非腐蚀环境,碳钢螺栓SA-307 A或B,或者SA-325;对于腐蚀环境,常用SA-193 B5,B6,B8C,B8T,B8的材料。

内部连接用螺栓,对于衬里设备,螺栓的材料需要与内部衬里一样,对于内件连接螺栓,材料与内件一样。许用拉伸和剪切应力都可以高于标准许用应力。

注1:对于使用温度在-20~-50℉,材料必须是淬火+回火热处理

注2:Cl.1表示固溶处理材料,Cl.2是固溶处理和应变加强,材料的性能更好

注1.当碳含量超过0.1%时,303用于低温工况,需要冲击试验注2.这个是产品规范,不需要应力计算

1.5  不锈钢铬含量大于等于11%,小于30%的钢材叫做不锈钢,它具有良好的耐腐蚀性能。当铬含量高于30%时叫做耐热镍基合金。

不锈钢基本上是铬铁合金。最重要的额外元素是镍。也可以增加其他元素,例如碳,锰,钼,铌,钛硒,硅,硫等,这些元素组合在一起产生了满足特殊工况的要求。不锈钢经常用于石化设备和其他行业。原因是:抵抗腐蚀环境;增加设备的寿命和操作工人的人身安全;在高温下,氧化环境中和低温环境中的强度;设备清洗方便。

不锈钢因为表面有一层致密的氧化膜而变得耐腐蚀的。这是铬氧化物能够阻碍腐蚀的进一步发生。这层氧化膜是看不见的,是在几分钟或几个月形成,这取决于合金的类别。氧化膜的形成是可以加速的,通过人为的强氧化介质,例如含硝水。这一层人为的防护膜有双重作用,另一个是帮助移除金属表面的杂志。

如果铬的含量少于11%,氧化膜会不连续,这类钢材的耐腐蚀性能跟普通的钢一样差。

耐腐蚀性能的貌似变化是取决于铬的含量,耐腐蚀性能同样能够随着镍和钼含量的增加而得到大幅度地改善。不锈钢410和405的耐腐蚀性能低于合金含量更高的材料,例如304或者316.

不锈钢的表面不需要涂层,例如油漆等,因为这仅仅是组织表面氧化。所有的不锈钢都在某种程度上收到焊缝的热影响,这将改边材料的耐腐蚀性能和机械性能。焊缝金属是铸造结构。

不锈钢大多数是用电炉工艺加工而成的。不锈钢额成本因产品的类别,形式和质量而定,并不是所有材料都能加工成每一种形式。

根据不锈钢的合金含量,可将用于压力容器和管道的不锈钢材料分为以下三大类:

1. 高铬不锈钢(400系列),铬含量最高到30%;

2. 铬镍不锈钢(300系列),常常陈伟18-8不锈钢,铬和镍的含量是变化的;

3. 铬镍锰合金(200系列),锰代替了部分的镍。

基于微观组织的结构,这些不锈钢可以分为奥氏体,铁素体和马氏体。

奥氏体不锈钢

以内奥氏体不锈钢较大的含镍量,300系列的不锈钢在冷却后依然保持着奥氏体组织结构,铬镍和碳固溶于铁中。铜鼓微观结构分析,仅有奥氏体存在。这是高铬-镍-铁合金。他们不导磁,及时在1500℉也具有较高的耐腐蚀性能,仅能通过冷机加工硬化,在低温下的耐冲击性能很好。最常用,最典型的不锈钢等级是304和316。高铬含量的奥氏体不锈钢(309和310)能抵抗氧和硫的腐蚀到2000℉。

奥氏体不锈钢最基本的问题是敏化。大多是奥氏体不锈钢是通过固溶退货状态成型的。300系列的不锈钢的固溶退火温度在1850℉(1010℃)以上,这时奥氏体的溶解能力很强。当铬,镍和碳溶解在奥氏体中时,这些钢具有最好的耐腐蚀性能,同时韧性和强度也最好。为了在低温下得到这样的微观组织,这些不锈钢必须快速冷却到800℉以下。然而,当温度突然升高(例如焊接)到800~1600℉,碳在晶间扩散,在晶间形成碳铬化合物(Cr4C)。这就会到时周边的晶粒出现贫铬的情况。而这些形成的碳铬化合物并不耐腐蚀,同时由于贫铬导致材料的耐腐蚀性能下降。这就是常说的敏化。

所有材料的敏化都是因为退火是的冷却速度太慢或盈利释放温度。例如,不锈钢与碳钢焊接时会出现应力释放到碳钢。焊接导致的材料敏化边界是1/8~1/4in宽,轻微低向焊缝平行方向移动。这两个区域是热影响区,这个区域的敏化是最严重的,冷却非常的慢。材料的中间,包含焊缝金属是没有敏化的,因为温度升高超过了1600℉,相比较而言冷却速度比较快。

敏化正在某些环境下并不一定是有害的,例如,当材料连续曝光在液体中,且操作温度不超过120℉时。

敏化材料的耐腐蚀性能可以通过热处理方式重新获得,例如加热到1600℉来完全溶解碳,然后快速冷却。敏化在机械性能上的降低很少,中温下几乎是微不足道的,会引起低温下韧性的一些下降。

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