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2024.03.30山东
ShangHai/
2022.10
在压力容器设计中，正确选用结构材料对于保证容器结构合理，操作安全以及合理的经济性是至关重要的。
钢材的选用应根据设备的设计压力，设计温度以及介质特性。所选用的材料在设计条件下应具有好的机械性能，耐腐蚀性能，良好的焊接性能以及冷热加工性能。除此之外，还应选用最经济的材料，以降低设备成本。
一、化工和石油化工装置中常用钢材按它的化学成分和金相组织分类定义如下:
1.碳素钢
含锰量小于等于1.2%，含碳量小于等于2.0%，不有意加其它合金元素的铁碳合金。其中低碳钢一般是指含碳量小于等于0.25%的碳素钢。从钢材可焊性考虑，用于焊接结构受压元件用钢的含碳量不应大于0.25%。也就是说，焊接压力容器用碳素钢均是低碳钢。本选材原则中所指碳素钢均为低碳钢。
2.低合金钢
低合金钢是低合金高强度钢和珠光体耐热钢的总称。其中低合金高强度钢是指以提高钢材强度和改善综合性能为主要目的合金含量小3.0%的合金钢。例
如:16MnR，15MnV等。
3.珠光体耐热钢
指以改善钢材耐热及抗氢性能为主要目的，加入铬Cr≤10%，钼等合金元素的低碳珠光体耐热钢。例如:18MnMoNb，15CrMo等钢。
4.奥氏体不锈钢
常温下金相组织大部分为奥氏体的不锈钢。例如:Cr18Ni9，Cr17Ni12Mo2。
5.铁素体不锈钢
常温下金相组织大部分为铁素体的不锈钢。例如:Cr13A1。
6.马氏体不锈钢
常温下金相组织大部分为马氏体的不锈钢。例如:Cr13。
二、各类钢材选用一般原则:
从采购和制造考虑，容器选用的钢材应尽量合并品种和规格。
⑴碳素钢
选用Q235-A、F，Q235-A，Q235-B，Q235-C钢号的条件必须符合GB150的具体规定。
受压元件壁厚小于8mm时，尽量采用碳素钢钢板。受压元件壁厚取决于刚度时，优先选用碳素钢。
⑵低合金钢
受压元件壁厚取决于强度时，在符合适用范围前提下，依次选用低碳钢、低合金钢。即20R，16MnR，15MnVR等钢板。
碳素钢和碳锰钢在425℃下长期使用，因钢中的渗碳体分解而产生碳化物相的石墨化倾向，使材料的强度，塑性和冲击韧性下降，钢材明显变脆，所以不能使用。必须采用低碳珠光体耐热钢。
⑶珠光体耐热钢
珠光体耐热钢一般用作设计温度高于350℃的耐热钢或抗氢用钢。
⑷奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢主要用于耐物料腐蚀或者物料要求干净不能受铁离子污染的工况。
奥氏体不锈钢一般不用作设计温度高于500℃的耐热钢。
奥氏体不锈钢一般只在无法选择低合金钢作低温用钢时才用作低温用钢。
当所需厚度大于12mm时，应优先考虑选用奥氏体不锈钢复合钢材。
⑸低温用钢
当设计温度为低于等于-20℃时，一般应选用低温用钢(低应力除外)。
若钢材使用在材料脆性转变温度以下且应力达到一定数值后，材料就会出现脆性破坏。若材料在使用温度下具有一定的韧性，就可以避免出现脆性破坏。在实际生产中，采用冲击试验的方法来衡量材料的韧性，并根据材料的拉伸强度规定了相应的冲击值要求。低温用钢材除满足拉伸强度和屈服强度要求外还必须满足冲击韧性的要求。
⑹耐腐蚀用钢
抗氢腐蚀钢--珠光体耐热钢用作高温抗氢钢时，因长期使用在高温下，溶于钢中的氢与碳发生化学反应所生成的甲烷聚集，使钢材产生内裂纹甚至出现开裂(即氢脆)。
为此，在高温含氢的工况下，应根据物料的氢分压(设计压力乘氢的体积百分数)和设计温度查纳尔逊曲线以求得适用于该工况的钢号。纳尔逊曲线可查HG20581。
⑺非受压元件用钢
GB150规定了压力容器用钢，对非受压元件没有作明文规定，HG20581对非受压元件钢材的选用提出如下规定:
根据部件的使用温度下限，重要性以及承受压力大小，按下述规定分别选取相应的系数K1，K2，K3。
使用高温系数K1:
T>0℃，K1=1;0℃≤T>-20℃，K1=2;-20℃≤T，K1=3。
重要性系数K2:
若有损坏，对设备仅局部有影响，K2=1;若有损坏，对设备整体有影响，K2=2。
应力水平系数K3:
应力水平低，K3=1;
应力水平小于等于许用应力的2/3，K3=2;
应力水平大于许用应力的2/3，K3=3。
K=K1+K2+K3
（三）压力容器应力腐蚀选材要点
某种金属材料只有在特定的腐蚀环境中，才发生应力腐蚀开裂。下表是容易引起应力腐蚀开裂的压力容器用钢和腐蚀环境的组合。可见，几乎每一种材料都有可能发生应力腐蚀开裂。
根据上述应力腐蚀开裂特征，共同的防止途径是：
①尽量消除拉应力，或施加以压应力。设备机加工或焊接后最好进行消除应力退火，或进行喷丸处理等操作，造成表面压应力。
②改变介质的腐蚀性，使其完全不腐蚀（包括使其进入稳定钝态），或者使其转为全面腐蚀，均可以防止应力腐蚀开裂。前者如使用缓蚀剂；后者如对于可经常更换的零部件改变介质成分造成全面腐蚀。
③选用耐应力腐蚀开裂的金属材料。
④采用阴极保护。
金属在氢氧化钠溶液中的应力腐蚀开裂称碱脆。碳钢、低合金钢、不锈钢等多种金属材料皆可发生碱脆。氢氧化钠浓度在5%以上的全部浓度范围内，碳钢几乎都可能产生碱脆；碳钢及低合金钢的温度和氢氧化钠浓度超过曲线对应的限定值时，焊后应进行消除应力热处理。碳钢及低合金钢压力容器壳体用钢板的腐蚀裕量不得小于3mm，以增强耐均匀腐蚀能力并降低壳体应力水平。盛装氢氧化钾溶液的碳钢及低合金钢焊制容器也应参照上述要求。
下图所示的关系早在20世纪50年代初就已发表并成为腐蚀著作引用最多的资料，但时至今日仍不断发生碳钢设备的碱脆破坏事故，且环境温度条件明显地在破裂区（应力消除）范围。究其原因，有些与加热方式有关，即以热水加热为主但是在冬季辅助以蒸汽加热造成了超温（超过50℃）。解决措施可以考虑以下几方面：改变加热方式，重新考虑选材和热处理方案；设置温度检测点防止超温等。
对于奥氏体不锈钢而言，氢氧化钠浓度在0.1%以上时，18-8型奥氏体不锈钢即可发生碱脆，以氢氧化钠浓度为40%时最危险，这时发生碱脆的温度为115℃左右。当奥氏体不锈钢中加入2%钼时，则可使其碱脆界限缩小，并向碱的高浓度区域移动。镍和镍基合金具有较高的耐应力腐蚀性能，它的碱脆范围变得狭窄，而且位于高温浓碱区。
在石油炼制工业中，以加氢脱硫装置为典型，不锈钢连多硫酸(H2SxO6，x=3~5)的应力腐蚀开裂颇为引人注目。设备在正常运行时，受硫化氢腐蚀，生成的硫化铁，在停车检修时，与空气中的氧及水反应生成了H2SxO6。在Cr-Ni奥氏体不锈钢设备、管道的残余应力较大的部位（焊缝热影响区，弯管部位等）产生应力腐蚀裂纹。
碳钢和低合金钢在20~40℃温度范围内对硫裂的敏感性最大，但奥氏体不锈钢的硫裂大多发生在高温环境，随着温度升高，奥氏体不锈钢的硫裂敏感性增强。
在含硫化氢及水的介质中，如果同时含醋酸，或者二氧化碳和氯化钠，或磷化氢，或砷、硒、锑、碲的化合物或氯离子，则对钢的硫裂起促进作用。
对于奥氏体不锈钢的硫裂，氯离子和氧起促进作用，304L和316L不锈钢对硫裂的敏感性有如下的关系：H2S+H2O 对于碳钢和低合金钢来说，淬火加回火的金相组织抗硫裂最好，未回火马氏体组织最差。钢抗硫裂性能依淬火+回火组织、正火+回火组织、正火组织、未回火马氏体组织的顺序递降。 钢的强度越高，越容易发生硫裂。钢的硬度值越高，越容易发生硫裂。NACE标准规定，含流油、气田用钢的HRC<22。现国际上普遍采用它作为碳钢和低合金钢在湿硫化氢环境中使用的标准。这并没有什么理论根据，只是现场经验的总结。例外的情况是极个别的。 控制硫裂措施：在硫裂环境中的受压元件不宜选用18-8型奥氏体不锈钢和标准抗拉强度大于540MPa的碳钢和低合金钢；降低钢板中S、P含量；增加非金属夹杂物和晶粒度检查以避免夹杂物超标和保证细晶粒要求；当选用标准未推荐材料，或改变材料的制造工艺，或选用无使用经验的材料时，要对材料进行抗SSCC性能评定试验；壳体用钢板的腐蚀裕量不得小于3mm；不得采用铜及各种铜合金；不允许存在铁素体钢或双相不锈钢与奥氏体铜之间的异种金属焊接接头等。 ①碳钢和低合金在液氨中的应力腐蚀开裂（氨脆） 纯净的液氨不会引起应力腐蚀开裂，当液氨中混入空气(O0、N2、CO2)，如化肥工业中的农用液氨，则会引发应力腐蚀开裂，在液相部位和气相部位均会产生。如液氨中含水量超过0.2%，可抑制破裂的产生。对焊缝进行消除残余应力的热处理，是必要的防护措施。 ②碳钢在CO-CO2-H2O环境中的应力腐蚀开裂 合成氨、制氢的脱碳系统、煤气系统、有机合成及石油气等工业中常发生这类损伤事故。 ③奥氏体不锈钢在高温水中的应力腐蚀开裂 动力工业及核工业中，常发生这类损伤事故。溶解O2是促进因素，裂纹是晶间型，但如含有Cl-，则裂纹将呈穿晶型。 ④碳钢在硝酸盐溶液、煤气液、焦炉气中都对应力腐蚀开裂敏感。 如碳钢在焦炉气(以CH4和H2为主，内含CO2、H2S、NH3、HCN、H2O)中，35℃环境下，使用一年便发现裂纹。