低溫壓力容器材料知識總結

 低溫壓力容器的設計重點是選材，并相應地在制造、結構上加以某些限制。

        低溫壓力容器受壓元件所采用的鋼材必須是鎮靜鋼。材料的許用應力取常溫20℃的數值，強度計算方法按GB 150.3 的規定。

       自從19 世紀末以來，在嚴寒地帶的鐵軌、橋梁和結構件曾發生一系列低溫脆性斷裂事故，由于當時科學技術的限制，鋼材的冷脆問題研究未取得實質性的進展， 20 世紀40 年代以來，許多船舶、壓力容器、管道、化工設備及大型結構，特別是一些焊接結構，多次發生低應力脆斷，造成了巨大的損失。因此，低應力脆斷就成為人們非常關注的課題，通過大量事故的調查分析，可以總結出低應力脆斷具有下列特點。

        ①斷裂時容器的工作壓力比較低，其斷裂名義應力低于材料的屈服強度，在斷裂之前沒有或者只有局部極小的塑性變形。

        ②裂紋擴展速率大。

        ③低應力脆斷多屬解理斷裂或準解理斷裂，斷口具有晶粒狀的特點，光亮而平滑。

        ④ 低應力脆斷往往發生在有缺口或裂紋的容器上，并以筒體自身存在的各種工藝缺損及雜質作為裂紋源。

        ⑤斷裂一般發生在較低溫度下，此時材料的韌性很差。

        從上述低應力脆性斷裂的特點結合斷裂力學原理，對金屬斷裂機理進行分析，發現金屬的低溫韌性，即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力決定壓力容器抵抗應力脆斷破壞的能力。

        (1)晶體結構的影響

        試驗表明，具有體心立方總陣(bcc)結構的鐵素體鋼的脆性轉變溫度較高，脆性斷裂傾向較大，密排六方結構(hcp)次之，面心立方結構(fcc) 的金屬如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼則基本上沒有這種溫度效應，即沒有低應力脆斷。

        事實上除非存在第二相或處于導致產生應力腐蝕開裂的環境下，面心立方金屬一般不發生脆性斷裂，其主要原因是當溫度降低時，面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化，而且不易產生形變孿晶，位錯容易運動，局部應力易于松弛，裂紋不易傳播，一般沒有脆性轉變溫度。

        但是體心立方金屬則不同，在中溫區域，其強度(特別是屈服強度)受雜質、載荷速度和合金元素的影響非常明顯，而在0.2T0(T0為金屬的熔點，單位為K) 以下的低溫區域內隨溫度的降低，其屈服強度增加很快，最后幾乎與抗拉強度相等，尤其是在低溫下容易產生形變孿晶，故易引起低應力脆性斷裂。

       (2) 化學成分的影響

        對低溫壓力容器用鋼而言， 增加含碳量，將增大材料的脆性，使脆性轉變溫度急劇上升，所以低溫用鋼的含碳量不超過0.2 % ，近年來國外有一種發展和應用低碳( < 0.15 %)或微碳(<0 . 06%) 鋼的明顯趨勢。

        錳元素是擴大奧氏體區的元素，含錳量增加能使鋼材得到細致而富有韌性的鐵素體和珠光體晶粒，因而可改善鋼材在低溫下的韌性。含碳量一定時，提高錳比值可以得到較低的無延性轉變溫度，降低碳含量，提高錳碳比，其無延性轉變溫度降低，鋼板的允許使用溫度降低。

        鎳也是提高鋼材低溫韌性的重要元素，甚至更優于錳，當含鎳3. 5% 時，可以使鋼在-100℃仍保持很高的韌性，而含鎳9 % 的鋼可用作液氮容器，耐-196℃的低溫。

        在含錳的鐵素體類低溫用鋼材中，添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素，通過軋制或隨后的熱處理，使碳化物、氮化物彌散析出進行沉淀強化，從而獲得較高的強度和良好的低溫韌性。

        (3) 晶粒度的影響

        晶粒尺寸是影響鋼的低應力脆斷的重要因素，細晶粒不僅使金屬有較高的斷裂強度，而且使脆性轉變溫度降低，這是由于晶界存在雜質和脆性相，往往是裂紋源。

        晶粒細化，一方面使單位面積上脆性相相對減少，表面能提高，裂紋形核和擴展的概率降低，從而提高了鋼的低溫抵抗脆斷能力，另一方面細晶粒鋼性能比較均勻，降低了脆性轉變溫度。

        (4)夾雜物的影響

        磷易產生晶界偏析，鋼中的氧以各種氧化物的形式在晶界析出，兩者都極大地提高了鋼的脆性轉變溫度，導致低應力脆斷，因此低溫用鋼必須充分脫氧。例如鎮靜鋼的低溫韌性優于沸騰鋼；若用Si + AI 、AI + Ti (V 、Nb) 綜合脫氧，可進一步細化晶粒，其低溫韌性更好。

        充分脫氧不僅能有效地降低氧、硫、磷及其他氣體含量，而且還使夾雜物球化，減少位錯的塞積，從而降低鋼的脆性轉變溫度。

        試驗表明，極純金屬的低溫脆性與晶粒類型無關。例如不含碳、氮、氧、硼的純鐵，即使在4K 的低溫也是可塑的。而雜質(特別是晶界脆性相)對低應力脆斷影響很大，如25 %Cr 的Fe- Cr 合金中微量的碳、氧、氮是促進低應力脆斷的重要原因。

        (5) 熱處理和扭微組織的影響

        熱處理對鋼的低應力脆斷有很大影響。調質處理是獲得鐵素體和粒狀碳化物組織的常用方法，可以明顯改善鋼材的低溫韌性。但隨著調質處理回火溫度的上升，粒狀碳化物的聚集反而影響低溫韌性，所以應嚴格控制調質處理時的回火溫度不致過高。

        正火是低溫用鋼采用最多的熱處理方法。鋼材中合金元素增多，則正火溫度應相應提高。而鋼的退火組織比正火組織粗大，其低溫韌性遠比經正火或調質處理的差，所以，低溫壓力容器用鋼都不進行退火處理。需進行焊后熱處理的低溫壓力容器及其受壓元件，在任何情況下，焊后熱處理的溫度都不應超過鋼材的回火溫度。

        熱處理還有抑制脆性相從晶界析出，改變析出相的形態、大小、數量、分布，均勻組織，改善鋼的強度和低溫韌性的作用。在回火組織(回火馬氏體)中有一定量的殘余奧氏體或鐵素體，可有效地阻止裂紋擴展。淬火時效和應變時效，都使鋼的脆性轉變溫度升高，增大低應力脆斷的敏感性，因此對時效敏感的沸騰鋼不宜作低溫用鋼。

        (6) 冷變形的影響

        冷變形使鋼的韌性降低，應變時效更使低溫韌性惡化，脆性轉變溫度升高，所以對于大型高壓容器，在使用時必須重視缺口韌性。因為在制作過程中， 冷變、冷壓、焊接變形等，都會導致脆化，故冷變形及焊接后應進行低溫退火。

        (7)應力狀態的影響

        低應力脆斷與應力狀態關系很大。當容器存在裂紋或缺口時， 容易產生低應力脆斷。缺口愈尖銳. 預裂紋尺寸愈大，愈容易引起低應力脆斷。當焊接接頭中有裂紋存在，又具有殘余應力時，低應力脆斷更為明顯。

        目前所有的壓力容器規范對低溫壓力容器的設計都是采用根據室溫抗拉強度或屈服強度所決定的許用應力進行的。用該方法能有效地防止發生大塑性變形的破壞。為了防止根據這種設計方法設計的壓力容器在低溫下發生低應力脆斷，要求鋼材必須具有一定的韌性. 并且對設計和制造也提出了一定的要求。如何確定所需要的韌性水平，首先取決于采用哪一種防止脆性斷裂的原則。

        ①允許存在一定的缺陷，但能防止開裂。在焊接區一般來說存在的缺陷較多且韌性較差。而斷裂總是從缺陷和韌性較差的地方開始的。因此采用這一原則時，單純測定母材的性能是不夠的，還必須測定熱影響區和熔合線的性能。要求韌性最差的地方能承受外載荷所產生的應變。

        ② 允許有缺陷存在并有可能自韌性較差的焊接區開裂，主要靠母材來防止裂紋擴展而避免發生斷裂事故。但由于焊縫金屬、熔合線和熱影響區的韌性常較母材差，所以裂紋往往沿著焊接接頭區擴展，因此用這種方法來防止脆斷并不可靠。

        ③允許自缺陷處發生開裂，而容器的各個部位均能止裂。初看起來這種方法是最安全的，但它存在兩個缺點。

第一，采用這種防止脆斷方法時要選用韌性非常好的材料，這意味著材料成本費非常高昂；

第二，它的致命缺點是它作為一個絕對安全準則的有效性是和結構類型有關的。

對帶缺陷容器的爆破試驗結果表明：在完全液壓狀態下止裂較容易，在氣壓或帶有部分氣體的液壓情況下，由于系統中儲藏的能量較大，止裂紋困難或必須設計專門的止裂結構。

而對于石油化工及制冷空分行業的低溫壓力容器來說，其內部介質往往是氣液兩相或雖然為液相，但其工作溫度高于其正常沸點，因此不能用止裂原則來防止低應力脆斷。

由此可見，對于低溫壓力容器來說最適當的防止脆斷的辦法是原則① ，即防止開裂原則。目前世界各國的壓力容器規范都采用這一原則。

        自20 世紀40 年代鋼結構的脆性斷裂引起人們重視以來，各國對鋼材低溫韌性的評定方法以及評定指標進行了廣泛的研究及試驗。其中與壓力容器關系較為密切的試驗方法有下列幾種：低溫沖擊韌性試驗(V 形缺口、DVM 試樣)；落錘試驗；全厚度試板試驗(寬板試驗、雙重拉伸試驗、ESSO 試驗)；斷裂力學試驗(平面應變斷裂韌性KIC 及裂紋尖端張開位移COD 法) 。

       其中以低溫夏比(V 形缺口)沖擊韌性試驗應用最為廣泛，并以在沖擊試驗中對應的一定的吸收功AkV 或一定的斷口纖維百分率的溫度(即脆性轉變溫度〉來評定材料的低溫韌性。

        美國早期的ASME 規范，對于低碳鋼及某些低合金鋼制成的容器，在低于某一溫度(此溫度和材料厚度有關)下工作時，要求其材料的夏比(V 形缺口)沖擊試驗沖擊功不小于20J 。該規定是建立在大量的破壞事故及其材料試驗基礎上的，對當時規范所推薦鋼板的大量夏比(V 形缺口)沖擊試驗結果中，發現起裂型鋼板的最大沖擊功約為14J ，傳裂型最大沖擊功不超過18J ，大于27 J 的均屬于止裂型。

        基于當時的研究結果，人們便把夏比(V形缺口)沖擊試驗沖擊功A kV = 20J 作為材料在其最低使用溫度下的韌性考核指標。到了1953 年，由于使用了較高強度的鋼種，其臨界轉變溫度基點轉移到AkV 沖擊功曲線的較高位置上去了， 20J 的AkV 沖擊功指標并不能避免脆斷的發生。

        因而對高強度鋼而言，不同的鋼種應分別對指標進行校正(或附加側向膨脹量≥0.38mm) ，這種觀點在ASME 規范1977年版本已有反映。表13 - 3 所列為現行ASME VIII - 1對低溫鋼夏比(V 形缺口)沖擊試驗的最小沖擊功值。

   目前，國外壓力容器規范中采用20J 作為低碳鋼在最低工作溫度或設計溫度下鋼材缺口韌性唯一判據的有：美國ASME VIII - 1 及ASME VIII -2，法國規范等。德國AD 規范W10 采用DVM試樣的沖擊功作為判據，具體要求是：在設計溫度下的DVM試樣沖擊功韌性為橫向35J / cm2 ，此值相當于采用V 形缺口夏比試樣，在設計溫度提高10℃的試驗溫度下達到縱向27 J 。從其鋼材標準提高的數據來看，在采用相同試樣型式的前提下，縱橫向的沖擊功之比大約為1：0.7。

        我國現行的鋼制壓力容器標準GB 150.1 ~ 150.4 參考采用了ASME VIII - 1 的有關規定，因此也是以20J 作為相當于低碳鋼強度級別的鋼材的驗收判據。對鋼板來講，我國標準根據國內鋼材情況，要求橫向取樣，比之國外縱向取樣，其沖擊功的要求并不低于國外按規則設計的規范中對鋼材的韌性要求。

        (1)低溫鋼材的韌性要求

        ①試驗方法  低溫壓力容器及其受壓元件所采用的鋼材，必須進行夏比V 形缺口沖擊試驗。

        鋼材的沖擊試驗方法，應符合GB/ T 229 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》的有關規定。沖擊試樣按10mm X 10mm X 55mm 標準試樣。若無法制備標準試樣時，也可采用7.5mm X 10mm X 55mm 、5mm X 10mm X 55mm 的小尺寸試樣，其沖擊功指標分別為標準試樣沖擊功指標的75 % 或50 % 。試樣的缺口應沿厚度方向(棒材沿徑向)切取，并以3 個試樣為1組。

        ②取樣規則  根據需要，鋼材可按批進行沖擊試驗取樣，其分批要求及試樣截取應遵循以下規定。

        a. 鋼板  每批鋼板由同一牌號、同一爐號、同一厚度、同一熱處理制度組成。每批鋼板重量不大于30t 。每批取1組試樣，試樣方向為橫向。

        b. 鋼管  每批鋼管由同一牌號、同一爐(罐)號、同一規格和同一熱處理制度(爐次)組成。每批鋼管按直徑分類：外徑小于或等于76mm 且壁厚小于或等于3mm 的鋼管每批不超過400 根；外徑大于351mm 的鋼管每批不超過50 根；其他尺寸鋼管每批不超過200 根。在每批中的任意兩根鋼管上各取1組試樣。取樣位置應靠近鋼管內壁，一般為縱向，對大直徑厚壁管可沿切向取樣。缺口應沿厚度方向切取。

        c. 鍛件  按照NB / T 47009 《低溫承壓設備用低合金鋼鍛件》規定的取樣數量和取樣部位切取試樣。

        d. 鋼棒  每批鋼棒由同一牌號、同一冶煉爐號、同一斷面尺寸、同一熱處理制度、同期制造的毛坯組成，每批抽取一件毛坯進行試驗。試樣取樣方向為縱向。直徑不大于40mm的毛坯，試樣的縱軸應位于毛坯中心；直徑大于40mm 的毛坯，試樣的縱軸應位于毛坯半徑的1 /2 處。

        ③ 試驗溫度  低溫壓力容器用鋼的沖擊試驗溫度必須低于或等于容器或其受壓元件的設計溫度。當容器或其受壓元件使用在"低溫低應力工況"時，鋼材的沖擊試驗溫度必須低于或等于調整后的設計溫度。

        ④ 沖擊功指標  鋼材試驗溫度下的沖擊功指標，按鋼材標準規定的最低抗拉強度確定，具體要求必須滿足表13-4 的規定。小試樣的沖擊功指標根據試樣寬度按比率縮減。

 注：試驗溫度下3 個試樣的沖擊功平均值不得低于表中的規定值，允許1 個試樣的沖擊功數值低于表中的規定值，但不得低于規定值的70 %。

        (2) 常用低溫壓力容器用鋼材

        常用低溫壓力容器用鋼見表13-5。

        (1)基本要求

        低溫壓力容器受壓元件或受壓元件與非受壓元件焊接用焊條電弧焊焊條應選用NB/ T47018.1~47018.7 《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》的低氫堿性焊條。埋弧焊焊劑應選用堿性或中性焊劑。

        與低溫受壓元件焊接的非受壓附件焊接接頭，當低溫下承載較大時，應按受壓元件焊接接頭同樣要求；當承載較小時， 可按可焊性要求，選用相應的焊接材料。

        低溫壓力容器用鋼焊接材料的選擇必須保證焊接接頭含有的有害雜質硫、磷、氧、氮最少，尤其是含鎳鋼應嚴格限制雜質含量，因為雜質含量增加，會明顯降低焊接接頭的韌性。

        (2) 鐵素體鋼

        鐵素體鋼之間的焊接一般應采用鐵素體型焊接材料(9 % Ni 鋼除外) 。焊接接頭的低溫沖擊試驗溫度以及焊縫金屬、熱影響區低溫沖擊功要求均與母材相同，不得低于母材性能。

        鐵素體鋼之間的異種鋼焊接用焊接材料一般按韌性要求較高側的母材選用。焊接接頭金屬的沖擊試驗溫度應不高于兩側母材中的較低者。異種鋼焊接工藝評定和產品焊接試板的熱處理狀態應與容器最終使用狀態相同，性能檢驗時應符合下列要求。

        ① 焊接接頭的拉伸和彎曲試驗要求按兩側母材中的較低要求。

        ② 焊接接頭金屬強度較低側的熱影響區的沖擊功要求按較低強度側母材要求，強度較高側的熱影響區的沖擊功要求按較高強度側母材要求。

        (3) 奧氏體鋼

        奧氏體鋼之間的焊接材料選用應符合下列要求。

        ① 焊縫金屬含碳量不大于0.10 % 。

        ② 焊縫金屬的化學成分應符合GB/ T 983《不銹鋼焊條》中E0-19-10 、E00-19 -10、E00-23-13和GB 4233《惰性氣體保護焊接用不銹鋼棒及鋼絲》、GB 4242《焊接用不銹鋼絲》中H0Cr21Ni10 、H00Cr21Ni10 、H0Cr26Ni21 的要求。

        ③ 設計溫度低于—100℃時，應按NB/ T 47014《承壓設備焊接工藝評定》進行焊接接頭區的低溫夏比(V 形缺口)沖擊試驗，并符合表13-4 的要求。

        (4)鐵素體鋼與奧氏體鋼之間焊接

        鐵素體鋼與奧氏體鋼之間的異種鋼焊接， 一般應選用Cr23Ni13 或Cr26Ni21 型高鉻鎳或鎳基焊接材料，焊后原則上不再進行消除應力熱處理。該類異種鋼焊接工藝評定和產品焊接試板應符合下列要求。

        ①焊接接頭抗拉強度不低于兩側母材中最低抗拉強度的較小值。

        ② 鐵素體鋼側熱影響區的沖擊功應按鐵素體鋼的抗拉強度，符合表13 - 4 的要求.焊縫金屬的沖擊功也應符合表13-4 的要求。

        ③接頭應進行側彎試驗，試驗方法按NB/T 47016《承壓設備產品焊接試件的力學性能》進行。彎曲試驗后在拉伸面上的焊縫和熱影響區內，沿任何方向不得有單條長度大于3mm 的開口缺陷，試樣的棱角開口缺陷不計， 但由于未熔合、夾渣或其他內部缺陷引起的棱角開口缺陷長度應計入。

        常用低溫壓力容器用鋼的焊接材料見表13 - 6 。