压力容器用钢材

压力容器应用范围很广，工作条件多种多样，如高温、低温、高压、腐蚀介质作用等，因而压力容器能否安全运行，在很大程度上，取决于金属材料的性能。金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料的物理性能、化学性能和力学性能；工艺性能是指金属的铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削性能等。

要提高压力容器的安全可靠性，确保其安全运行，设计是第一个环节。设计压力容器首先就是材料的选择。由于绝大多数压力容器皆由钢板卷焊制成，因此，仅以压力容器用钢介绍其性能特点及应用。

一、金属材料的常温力学性能

力学性能是金属材料在外力作用下所表现出来的抵抗变形和破坏的能力。力学性能指标包括机械强度、塑性、硬度、韧性以及疲劳断裂性能等指标。

1. 强度与塑性指标

1）强度

强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力，常见的强度指标有：抗拉强度Rm、屈服强度Re L，高温压力容器还需考虑高温持久强度σD、蠕变极限σn。

2）塑性

塑性是指金属材料产生塑性变形的能力。在拉伸试验中，材料的塑性用断后伸长率A和断面收缩率Z表示。

2. 硬度

硬度表示材料表面抵抗外物压入的能力，是衡量材料软、硬程度的指标。常用的硬度指标有布氏硬度（HBW）和洛氏硬度（HRC）。

3. 冲击韧度

冲击韧度是材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力，是衡量材料抵抗冲击载荷能力的指标。

二、钢材的力学性能

低碳钢是工程上应用最广泛的材料，同时，低碳钢试验中所表现出来的力学性能最为典型。将试件装上试验机后，缓慢加载，直至拉断，试验机的绘图系统可自动绘出试件在试验过程中工作段的变形和拉力之间的关系曲线。试件的拉伸图不仅与试件的材料有关，而且与试件的几何尺寸有关。用同一种材料做成粗细不同的试件，所得的拉伸图差别很大。所以，不宜用试件图表征材料的拉伸性能。将拉力F除以试件横截面积So，得试件横截面上的应力σ。将伸长量 lΔ除以试件的标距0l，得试件的应变ε。以ε和σ分别为横坐标与纵坐标，这样得到的曲线则与试件的尺寸无关，此曲线为应力−应变图或σ ε− 曲线。

图7−2所示为低碳钢（Q235）拉伸试验的σ ε− 曲线。从图中可见，整个拉伸过程可分为四个阶段。

图7−2 低碳钢（Q235）拉伸试验的 −σ ε曲线

1. 第Ⅰ阶段——弹性阶段

在试件拉伸的初始阶段，ε和σ的关系表现为直线 Oa，ε和σ成正比，直线的斜率为常数E，所以有 Eσ ε= ，其中，E为材料的刚度性能指标——弹性模量，这就是胡克定律。

直线Oa的最高点a所对应的应力，称为比例极限，用 pR表示，即只有应力低于比例极限，胡克定律才能适用。Q235 钢的比例极限Rp≈200MPa。弹性阶段的最高点b所对应的应力是材料保持弹性变形的极限点，称为弹性极限。此时，在 ab段已不再保持直线，但如果在b点卸载，试件的变形将会完全消失。由于a、b两点非常接近，所以，工程上对弹性极限和比例极限并不严格区分。

2. 第Ⅱ阶段——屈服阶段

当应力超过弹性极限时，σ−ε曲线上将出现一个近似水平的锯齿形线段，如图中bc段，这表明，应力在此阶段基本保持不变，而应变却明显增加，此阶段称为屈服阶段。若试件表面光滑，可看到其表面有与轴线大约呈 45°的条纹，此条纹称为滑移线，这是由最大剪应力引起的。

根据《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010），材料的屈服强度分为上屈服强度Re H（定义为力首次下降前的最大值对应的应力）和下屈服强度Re L（定义为不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小值对应的应力），Q235 钢的屈服强度约为235 MPa。

3. 第Ⅲ阶段——强化阶段

经过屈服阶段后，ce段曲线又逐渐上升，表示材料恢复了抵抗变形的能力，且变形迅速加大，这一阶段称为强化阶段。强化阶段中的最高点e所对应的是材料所能承受的最大应力，称为抗拉强度，用Rm表示。在强化阶段，试件的横向尺寸明显缩小。Q235钢的抗拉强度约为400 MPa。

4. 第Ⅳ阶段——局部变形阶段

在强化阶段，试件的变形基本是均匀的。过e点后，变形集中在试件的某一局部范围内，横向尺寸急剧减少，形成缩颈现象。由于在缩颈部分横截面面积明显减少，使试件继续伸长所需要的拉力也相应减少，故在σ ε− 曲线中，应力由最高点下降到f点，最后试件在缩颈段被拉断，这一阶段称为局部变形阶段。

上述拉伸过程中，材料经历了弹性变形、屈服、强化和局部变形四个阶段。对应前三个特征点，其相应的应力值依次为比例极限、屈服强度和抗拉强度。对低碳钢来说，屈服强度和抗拉强度是衡量材料强度的主要指标。

试件拉断后，材料的弹性变形消失，塑性变形则保留下来，试件长度由原长l0变为l1，试件拉断后的塑性变形量与原长之比以百分比表示，即：

式中 A——断后伸长率。

断后伸长率是衡量材料塑性变形程度的重要指标之一，Q235 钢的断后伸长率为 20%～30%。断后伸长率越大，材料的塑性性能越好。工程上将伸长率大于5%的材料称为弹塑性材料，如铸钢、铝合金、青铜等。伸长率小于5%的材料称为脆性材料，如铸铁、高碳钢、混凝土等。

衡量材料塑性变形程度的另一重要指标是断面收缩率Z。设试件拉伸前的横截面积为S0，拉断后断口横截面面积为S1，则断面收缩率为：

断面收缩率越大，材料的塑性越好，Q235钢的断面收缩率为50%。

通过拉伸试验，可以获得材料力学性能的下述三类指标：

（1）刚度指标——弹性模量E。

（2）强度指标——屈服强度（Re H和Re L）和强度极限Rm。

（3）塑性指标——断后伸长率A和断面收缩率Z。

三、温度对材料力学性能的影响

温度对钢材的力学性能有显著的影响，图7−3所示为碳钢的力学性能随温度变化的情况。在50 ℃～100 ℃时，碳钢的抗拉强度有所下降；在200 ℃～300 ℃时，碳钢的抗拉强度有所提高并出现峰值，峰值对应的温度为250 ℃左右；之后随温度升高，碳钢的抗拉强度急剧下降。与此相应，碳钢的塑性在250 ℃前后的趋势是先下降而后明显上升。碳钢这种在200 ℃～250 ℃时抗拉强度上升而塑性下降的现象叫“蓝脆性”。

合金钢的力学性能随温度的变化与碳钢相似，随着温度的升高，强度降低，塑性增大。

长期在高温条件下运行的压力容器，其金属材料还会出现蠕变、松弛等现象。

1. 蠕变

在高温和应力的长期作用下，材料的塑性变形逐渐增加的现象称为蠕变。碳钢在350 ℃左右时出现蠕变，合金钢出现蠕变的温度在400 ℃以上。蠕变的快慢取决于载荷、温度、材质等因素。对一定的材质，进入蠕变温度范围以后，载荷越大，温度越高，蠕变速度越快，至蠕变破坏所需的时间越短。

图7−3 温度对20号钢力学性能的影响

通常用持久强度及蠕变极限表示钢材的高温强度，即抗蠕变能力。所谓持久强度是指在一定温度下，经过规定的工作期限（1×105h）引起蠕变破坏的应力。蠕变极限则是在一定温度下，在规定的工作期限（1×105h）内引起规定蠕变变形（1%）的应力，以表示。

2. 热松弛

热松弛是特定情况下的一种蠕变现象，承载初仅发生弹性变形的螺栓或弹簧，在高温和应力作用下逐步产生塑性变形，即蠕变变形，由于总应力不变，塑性变形的增加伴随着弹性变形的减少，即弹性变形逐步转化成塑性变形。而螺栓或弹簧中的应力是与弹性变形成正比的，随着弹性变形的减少和塑性变形的增加，螺栓或弹簧中的应力逐渐降低，本来拉紧的螺栓或弹簧产生了松弛。

3. 珠光体球化

压力容器常用碳素钢和低合金钢，如20R、16Mn R、15Cr Mo、12Crl Mo V等，在常温下的组织一般为铁素体+珠光体，而珠光体晶粒中的铁素体及渗碳体是呈薄片状相间排列的。当珠光体钢长期在高温下使用时，珠光体中的片状渗碳体会逐渐变成球状，并缓慢聚集长大成球团，这种现象称为珠光体球化。珠光体球化的结果使材料的常温强度及高温强度显著降低，塑性、韧性变差，材质老化。

4. 石墨化

钢在高温、应力长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象，称为石墨化或析墨现象。石墨的强度很低，相当于在金属内部形成了空穴，从而出现应力集中，使金属发生脆化，强度、塑性、冲击韧度降低。

石墨化与珠光体球化相关，珠光体球化到一定程度时，就会出现石墨化现象。焊缝的热影响区最易发生石墨化，往往沿着热影响区的外缘析出石墨。对于在用压力容器材料的珠光体球化和石墨化的检查，可采用金相检验法、化学成分分析法、硬度测定法及力学性能试验法等，以确定组织缺陷是否存在及严重程度。

四、钢材的脆性

压力容器受压元件所用钢材在常温静载条件下一般都有良好的塑性和韧性性能，工程上习惯称为塑性材料。在使用这些钢材时，对可能发生的脆性破坏往往不够注意。实际上，钢材只是在特定的条件下才有较好的塑性及韧性，例如，介质的腐蚀性不大、局部应力集中较小、加工成形后通过热处理消除残余应力，以及工作压力变化不很频繁等，但这些特定条件并不是每个受压元件都具备的。

1. 冷脆性

金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。冷脆现象一般在低于0 ℃时出现，但经过长期蠕变的材料，其冷脆现象也可能发生在室温以上。对于在低温条件下工作的受压元件，考虑钢材冷脆性是选用钢材种类的基本要求。对于在高温条件下工作的受压元件，虽然在运行状态下材料的塑性性能较好，但在室温下进行水压试验时，仍有可能引起脆性破坏。为了避免在水压试验时发生破坏，国内外都规定了试验用水的温度。

1）韧脆转变温度

钢材在载荷作用下有延性断裂和脆性断裂两种形式，钢材对这两种破坏形式的抗力是不同的。若外界因素对钢材的作用首先到达某一种破坏形式的抗力，则钢材将发生该种形式的破坏。从宏观角度讲，延性断裂是由于外界因素所产生的最大剪应力先到达材料的切断抗力所致，而脆性断裂是最大拉应力先到达材料的断裂抗力所致。一般情况下，钢材的断裂抗力对温度变化不敏感，而切断抗力对温度变化很敏感，随着温度的增加急剧降低。因此，在温度较高时，外界因素所产生的最大切应力先到达切断抗力的可能性较大，材料呈延性断裂；在温度较低时，切断抗力增加速度比断裂抗力快得多，在最大切应力到达切断抗力前，最大拉应力可能已到达材料的断裂抗力，这样材料将呈脆性断裂。因此，当温度逐渐降低时，材料的破坏形式将由延性断裂逐渐转变为脆性断裂。两种破坏形式转变点的温度称为韧脆转变温度TK，TK值越高，材料延性断裂的温度范围就越小，脆性断裂的可能性越大。

2）脆性转变温度

为避免钢材在使用中因冷脆而断裂，就要测定该种钢由韧性转变为脆性的温度，即所谓的脆性转变温度NDT（或称为无塑性转变温度）。

不同的材料具有不同的脆性转变温度。即使同一种材料，在不同的情况下（如热处理状态、晶粒度、内部缺陷尖锐程度及板厚等不同），脆性转变温度也会不同。测定材料的脆性转变温度，可通过试样在不同温度下的冲击试验，找出AK值显著降低而呈现脆性的温度，即脆性转变温度。

2. 热脆性

钢材长时间停留在 400 ℃～500 ℃后再冷却至室温时，冲击韧度值有明显的下降，这种现象称为钢材的热脆性。值得注意的是，具有热脆性的钢材在高温下并不脆化，仍具有较高的冲击韧度，只有当冷却至室温时，才显示出脆化现象。对于工作温度在 400 ℃～500 ℃内的受压元件，必须重视热脆性问题。

3. 氢脆

金属中的氢是一种有害元素，只要极少量的氢（如质量分数为1×10−6）即可导致金属变脆。氢脆是在应力和氢的共同作用下使金属材料塑性、韧性下降的一种现象。引起氢脆的应力可以是外加应力，也可以是残余应力。金属中的氢则可能是本来就存在于其内部的，也可能是由表面吸附而进入其中的。例如，焊接过程中水分或油污在电弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；压力容器运行中，蒸汽腐蚀产生的氢渗入钢材中，多发生在过热器管子、汽水分层且蒸汽停滞的蒸发受热面管子中。

氢对钢材的脆化过程是一个微观裂纹在高应力作用下扩展的过程。由于氢由原来的位置扩散到新的裂纹尖端处需要相当的时间，所以，氢脆是一种延迟断裂。为了防止发生氢脆，应对钢材中氢的来源进行严格控制。在焊接过程中，尽量去除焊条及焊剂中的水分，保持焊缝区清洁。对于氢脆倾向较大的钢材，在焊后必须进行消氢处理。此外，为了防止受压元件的蒸汽腐蚀，在结构设计及运行时，尽量避免管子超温过热。

4. 苛性脆化

苛性脆化是由于溶液内具有含量很高的苛性钠（Na OH）促使钢材腐蚀加剧而引起脆化的现象。一般认为苛性脆化是一种电化学腐蚀。当元件承受应力作用时，晶粒内部与晶间产生了电位差，具有负电位的晶界与溶液发生电化学反应，使晶界金属被腐蚀。苛性钠含量越高，OH−越多，上述电化学反应越剧烈。由此可见，产生苛性脆化必须具备三个条件：一是元件承受较高的局部应力，一般至少应接近钢材的屈服强度；二是在元件高应力区具有与高含量苛性钠溶液相接触的条件；三是具有一定的工作温度。

五、钢材的腐蚀

1. 应力腐蚀

由拉应力与腐蚀介质联合作用而引起的脆性断裂称为应力腐蚀。不论是塑性材料，还是脆性材料都可能产生应力腐蚀。它与单纯的由应力造成的破坏或由腐蚀引起的破坏不同。一定的条件下，在较低的应力水平或腐蚀性较弱的介质中，也能引起应力腐蚀。应力腐蚀所引起的破坏在事先往往没有明显的变形预兆，突然发生脆性断裂，故它的危害性很大。

2. 氧腐蚀

天然水中常溶有一定量的氧气。当把未除氧或除氧不完全的水送入压力容器时，随着水被加热，水中溶解的氧将析出并与钢材壁面接触，使钢材产生以氧为去极剂的电化学腐蚀，造成金属腐蚀减薄或穿孔。

3. 压力容器在特定介质作用下的腐蚀

压力容器盛装的工作介质，很多具有腐蚀性，如各种酸、碱及气体介质。若防范不当，就会造成严重腐蚀。即使采取了一定的设计及运行措施，也往往难于避免这类腐蚀。

六、对压力容器用钢的要求

对压力容器用钢的要求主要包括冶金质量、力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能。

1. 冶金质量

钢材的冶金质量一般包括冶炼方式，硫、磷及存在于钢中其他有害元素的含量，晶粒度，夹杂物的类型、数量和分布，气体含量及疏松、偏析、裂纹等问题。GB 150—2011《压力容器》规定，压力容器受压元件用钢应为平炉、电炉或氧化转炉冶炼。钢材的含碳量一般不大于 0.25%，为了减少钢材的热脆和冷脆倾向，钢材的化学成分中的硫、磷含量应予控制。钢材应具有良好的低倍组织和表面质量，分层、疏松、非金属夹杂物、气孔等缺陷应尽可能少，不允许有裂纹和白点。

2. 力学性能

制造压力容器部件的材料应具有足够的强度，以防止在承受压力时发生塑性变形，甚至断裂。对于在常温和蠕变温度以下使用的压力容器，强度指标主要是屈服强度Re L和抗拉强度Rm，它们是确定其钢板厚度的计算依据。对于长期在高温下使用的压力容器，还应考虑材料的抗蠕变性能，按材料的高温强度指标——蠕变极限与持久强度，并同屈服强度Re L、抗拉强度Rm一起作为确定许用应力的依据。

为保证在承受载荷时不发生脆性破坏，制造压力容器的钢材除了要有足够的强度，还应有良好的塑性与韧性。从安全的角度考虑，良好的塑性和韧性是十分重要的。首先，塑性变形能够缓和应力集中，有利于防止元件产生不能预料的早期破坏；其次，良好的塑性是加工工艺的需要；最后，较高的韧性可以保证设备在承受外加载荷时不发生脆性断裂。根据使用状态的不同，材料的韧性指标包括常温冲击韧度、低温冲击韧度和时效冲击韧度等。有关标准还规定了压力容器用钢的最低塑性值，即钢材的断后伸长率A不得低于18%。

3. 工艺性能

压力容器一般采用卷板或冲压成形的焊接结构，而钢板生产要经过锻造、热轧等过程。所以，要求钢材应具有良好的冷、热加工性能和焊接性能。良好的冷塑性变形能力可以使钢材在加工时容易成形且不会产生裂纹等缺陷。较好的可焊性，可以保证材料在规定的焊接工艺条件下，获得质量优良的焊接接头，具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产生的剩余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。

钢材的可焊性主要与钢材中碳的含量有关，也与其他合金元素的含量有关。合金元素对可焊性的影响比碳元素小。通常把合金元素折算成相应的碳元素，以碳当量的大小粗略地衡量钢材可焊性的大小。

经验表明，当碳含量ωCd＜0.4%时，可焊性良好，焊接时可不预热；当ωCd=0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向增大，焊接时需采用预热等技术措施；当ωCd＞0.6%时，属于可焊性差或较难焊的钢材，焊接时需采用较高的预热温度和严格的工艺措施。

4. 耐腐蚀性能

耐腐蚀性能是指材料在使用条件下抵抗工作介质腐蚀的能力。设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适当的耐腐蚀材料。对于高温压力容器用材，还应具有抗氧化性能。

金属材料的腐蚀速度常用单位时间内单位面积的腐蚀质量或单位时间的腐蚀深度来评定。化工设备选材时，通常按腐蚀深度评定金属的耐腐蚀性能，以腐蚀速率小于0.1 mm/a为耐蚀；腐蚀速率为0.1～1 mm/a为耐蚀、可用；腐蚀速率大于1 mm/a为不耐蚀（不可用）。

实际上，均匀腐蚀现象在压力容器中并不多，常见的是点腐蚀、深坑腐蚀和最为危险的晶间腐蚀或应力腐蚀。这类腐蚀不但与介质性质有关，而且与使用的温度、压力等多种因素有关。例如，氢气在常温、低压下对碳钢无腐蚀，而在高温高压下则产生严重的氢腐蚀；干燥的氯气对钢不腐蚀，如含有水分则腐蚀严重。所以，在选材时，必须根据介质在正常操作和可能发生的不利条件下的耐腐蚀性能来考虑，必要时应通过模拟试验来确定。

七、压力容器常用的钢材

不同用途的压力容器，其工作压力、工作温度、介质特性各不相同，因此，需要结合使用条件来选用钢材。

1. 碳素钢

碳素钢具有良好的塑性和韧性，工艺加工性好，特别是可焊性好。虽然强度相对较低，但仍能满足一般压力容器受压元件的要求。

压力容器常用的碳素钢有碳素结构钢和专用碳素钢两种。GB 150—2011《压力容器》列入的碳素钢板有：普通碳素钢Q235−B和Q235−C、压力容器钢20R；碳素钢管10、20、20G；碳素钢锻件20、35；碳素钢螺柱和螺母35等。碳素钢一般用于制造中低压小型容器的壳体、法兰或管板等。

2. 低合金钢

在普通低碳钢内加入少量合金元素（一般总量小于 3%）就可获得高强度、高韧性和良好可焊性与耐腐蚀的普通低合金结构钢。常用的低合金钢材有四类：钢板、钢管、锻件和螺柱，其中钢板的用量最大。常用的钢板有16Mn R、15Mn Nb R、18Mn Mo Nb R。常用的钢管有16Mn、09Mn D、12Cr Mo、10Mn WVNb等。

3. 高合金钢

常用的高合金钢材有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2等。0Cr13是铁素体钢，以铬为主要合金元素，一般含碳量≤0.15%，含铬量在12%～13%。这类钢在加热和冷却时不发生相变，因此，不能用热处理方法改变其组织和性能。通常用于腐蚀性不强和防污染的设备，如抗水蒸气、碳酸氢铵等设备。

4. 热强钢

受压元件的热强钢包括低合金热强钢、奥氏体不锈耐热钢和马氏体热强钢。热强钢的抗氧化性主要通过合金化实现，合金化作用的关键是在钢的表面形成一层完整、致密和稳定的氧化物保护膜，最有效的合金元素是Cr、Si和Al。常见的热强钢包括12Cr Mo G、15Cr Mo G、12Cr1Mo VG、12Cr2Mo WVTi B、1Cr18Ni9、1Cr19Ni9、10Cr9Mo1VNb等。

5. 低温用钢

设计温度≤−20℃的压力容器为低温压力容器，其破坏的主要原因是低温脆性断裂。大多数钢材随着温度的降低，强度会有所增加，而韧性则下降，并且存在于钢中的硫、磷等微量元素和氮、氢、氧等对钢的低温韧性都产生不良的影响，所以，低温容器用钢中硫、磷的含量都低于一般合金钢。