温度对压力容器用钢材性能的影响

原创 胡伟明  2021-05-26 20:56:00  阅读 76 次 评论 0 条
摘要:

温度影响有的压力容器,例如热壁加氢反应器,长期在高温下工作;又如液氢或液氧储罐,在低温下工作。钢材在高温和低温下的性能与常温下并不相同,且高温下往往与作用时间有关。短期静载条件下的影响在高温情况下,温度对低碳钢力学性能的影响如下图所示,弹性模量E和屈服强度ReL随温度升高而降低,而抗拉强度Rm先随温度升高而升高,但当温度达到一定值时,反而很快下降。因此,在温度较高时,仅仅根据常温下钢材抗拉强度和屈服强度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强度。在低温下,随着温度降低,碳素钢和

温度影响

有的压力容器,例如热壁加氢反应器,长期在高温下工作;又如液氢或液氧储罐,在低温下工作。钢材在高温和低温下的性能与常温下并不相同,且高温下往往与作用时间有关。

短期静载条件下的影响

在高温情况下,温度对低碳钢力学性能的影响如下图所示,弹性模量E和屈服强度ReL随温度升高而降低,而抗拉强度Rm先随温度升高而升高,但当温度达到一定值时,反而很快下降。因此,在温度较高时,仅仅根据常温下钢材抗拉强度和屈服强度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强度。

温度对低碳钢力学性能的影响.png

在低温下,随着温度降低,碳素钢和低合金钢的强度提高,而韧性降低。奥氏体不锈钢在强度提高的同时仍有良好的韧性,对于碳素钢和低合金钢,当温度低于20℃时,通常采用温度为20℃的许用应力;对奥氏体不锈钢,在低温下可以取比常温下更高的许用应力。

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,这一温度通常被称为韧脆性转变温度或无延性转变温度。钢材低温变脆现象是低温下工作的压力容器经常遇到的现象。确定钢材韧脆转变温度有不同的方法和手段。在一系列不同温度的冲击试验中,冲击吸收功急剧变化或断口韧性急剧转变的临界温度就是钢材的韧脆转变温度。

需要注意的是,并不是所有金属都会产生明显的低温变脆现象。一般说来,具有体心立方晶格的金属,如碳素钢和低合金钢,都会产生明显的低温变脆现象;而具有面心立方晶格的金属,如铜、铝和奥氏体不锈钢,冲击吸收功随温度的变化很小,在很低的温度下仍具有较高的韧性。

高温、长期静载荷条件的影响

在室温下,持续载荷对钢材力学性能影响不明显,但是在高温下钢材的强度等性能除随温度的升高而改变外,还和时间有密切关系。金属在长时间的高温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。只有当温度达到一定程度时才会出现蠕变现象。碳素钢的温度超过300~350℃,低合金钢超过400℃,铬钼低合金钢超过450℃,高合金钢超过550℃时,蠕变现象明显。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。

①蠕变曲线

温度和应力给定时,金属材料应变与时间之间的关系可用下图所示的蠕变曲线来表示。典型的蠕变曲线一般可分为三个阶段:减速蠕变、恒速蠕变和加速蠕变。图中Oa线段是试样加载后的瞬时应变,从a点开始随时间增加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。

蠕变与时间的关系.png

上图中,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加而逐渐降低,因此也称为蠕变的减速阶段;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;cd为蠕变第三阶段,在这阶段里蠕变速率不断增加,直至断裂。

同一材料在给定温度不同应力或给定应力不同温度下的蠕变曲线形状并不相同。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。

②蠕变极限与持久强度

蠕变极限是高温长期载荷作用下,材料对变形的抗力。一般采用在给定温度和规定时间内,使试样产生一定量的蠕变总伸长率的应力值表达。蠕变极限常用Rnt表示,指设计温度下经10万小时工作或试验后产生1%变形时的应力平均值。    ‘

持久强度是在给定温度下,使材料经过规定时间发生断裂的应力值,是材料在高温长期负荷作用下抵抗断裂的能力。持久强度常用RDt表示,指设计温度下经过10万小时工作或试验后不发生断裂的最大应力平均值。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。但在高温和拉应力联合作用下,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,从而使零件内的应力逐渐降低,这种构件在高温长期应力作用下,总变形不变,应力随时间增加而自发的逐渐降低现象称为应力松弛。材料抵抗应力松弛的性能为松弛稳定性。如高温压力容器中的连接螺栓,可能因应力松弛而引起容器泄漏。

高温下材料性能的劣化

在常温下,钢材的金相组织及力学性能一般都相当稳定,不随时间而变化。但在高温下,钢材的表现与室温下材料的表现不同,钢材的金相组织和力学性能发生变化,即发生材料性能的劣化。在高温下长期工作的钢材,除前面介绍的蠕变脆化外,材料性能的劣化主要有:珠光体球化、石墨化、回火脆化、氢腐蚀和氢脆。

①珠光体球化

压力容器用碳素钢和低合金钢,在常温下的组织一般为铁素体加珠光体。正常的珠光体组织是片状渗碳体均匀地分布在铁素体基体上,当温度较高时,片状渗碳体会逐渐聚集成球状,使材料的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久强度下降,这种现象称为珠光体球化。例如,中度球化会使碳素钢常温强度下降10%~15%;严重球化时下降20%~30%。巳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。

②石墨化

钢在高温长期作用下,珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象,Fe3C->3Fe+C(石墨),称为石墨化或析墨现象。石墨化的第一步是珠光体球化,石墨化是钢中碳化物在高温长期作用下分解的最终后果。石墨化使钢材发生脆化,强度和塑性降低,冲击韧性降低得更多。碳素钢和碳锰钢在高于425℃下长期使用时,应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向,设计中可以采取的措施有:改变材质,如选择适合于中温条件下使用的压力容器用Cr-Mo钢;降低容器的设计使用寿命;适当提高容器的壳体厚度和降低受压元件应力水平等。

③回火脆化

Cr-Mo钢在脆化温度区间(300~600℃)持续停留后出现的材料及焊接接头常温冲击功显著下降或韧脆转变温度升高现象称为回火脆化。影响回火脆化的主要因素是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,Cr-Mo钢对回火脆化越敏感。

④氢腐蚀和氢脆

氢能引起材料多种类型的性能劣化。

Ⅰ.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。按照发展阶段和严重程度,氢腐蚀可分为两个阶段:一是氢与钢材表面的碳化合生成甲烷,引起钢表面脱碳,使力学性能恶化;二是氢渗透到钢材内部,与固溶碳或碳化物反应生成甲烷。生成的甲烷,不能扩散出去,聚集在晶界上,形成压力很高的气泡,造成钢材内部脱碳和微裂纹的形成。

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。一般情况下,碳素钢在200℃以上的高压氢环境中有可能发生氢腐蚀。钢中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素,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,在氢腐蚀环境中一般按照Nelson曲线选择钢材。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℃。确定设计温度时应留有20℃以上的温度安全裕度。

Ⅱ.氢脆是指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象,属氢致环境脆化。氢的来源有两种途径:一是内部氢,指钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢;二是外部氢,指钢在氢环境中使用时所吸收的氢。

在高温、高氢分压环境下工作的压力容器,氢会以原子形式渗入到钢中,被钢的基体所溶解吸收。当容器冷却后,氢的溶解度大为降低,形成分子氢的富集,造成氢脆。因此,这类容器在停车时,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。需要指出的是:高温并不是氯脆的必要条件,当氢气的压力很高时,在常温下钢材也有可能发生氢脆,即常温高压氢脆。

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、铝、锰等,都会不断脱溶,从而使材料高温强度下降。

材料的脆化单靠外观检查和无损检测不能有效地发现,因而由此引起的事故往往具有突发性。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。



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