壓力容器壓力管道材料設計基礎

2021-03-04 09:50:40 字數 5188 閱讀 6774

一、壓力容器設計類別、級別的劃分:

(一)a類:

1、a1級係指超高壓容器、高壓容器(結構形式主要包括單層、無縫、鍛焊、多層包紮、繞帶、熱套、繞板等);

2、a2級係指第三類低、中壓容器;

3、a3級係指球形儲罐;

4、a4級係指非金屬壓力容器。

(二)c類:

1、c1級係指鐵路罐車;

2、c2級係指汽車罐車或長管拖車;

3、c3級係指罐式貨櫃。

(三)d類:

1、d1級係指第一類壓力容器;

2、d2級係指第二類低、中壓容器。

(四)sad類係指壓力容器分析設計。

二、壓力管道設計類別、級別的劃分:

(一)長輸管道為ga類,級別劃分為:

1、符合下列條件之一的長輸管道為ga1級:

(1)輸送有毒、可燃、易爆氣體介質,設計壓力p 〉1.6mpa的管道;

(2)輸送有毒、可燃、易爆液體介質,輸送距離(指產地、儲存庫、使用者間的用於輸送商品介質管道的直接距離)≥200km且管道公稱直徑dn ≥300 mm 的管道;

(3)輸送槳體介質,輸送距離≥50km且管道公稱直徑dn≥150mm的管道;

2、符合下列條件之一的長輸管道為ga2級:

(1)輸送有毒、可燃、易爆氣體介質,設計壓力p≤1.6mpa的管道;

(2)ga1(2)範圍以外的管道;

(3)ga1(3)範圍以外的管道。

(二)公用管道為gb類,級別劃分為:

1、gb1:燃氣管道;

2、gb2:熱力管道。

(三)工業管道為gc類,級別劃分為:

1、符合下列條件之一的工業管道為gc1級:

(1)輸送gb5044《職業性接觸毒物危害程度分級》中,毒性程度為極度危害介質的管道;

(2)輸送gb50160《石油化工企業設計防火規範》及gbj16《建築設計防火規範》中規定的火災危險性為甲、乙類可燃氣體或甲類可燃液體介質且設計壓力p≥4.0mpa的管道;

(3)輸送可燃流體介質、有毒流體介質,設計壓力p≥4.0mpa且設計溫度大於等於400℃的管道;

(4)輸送流體介質且設計壓力p≥10.0mpa的管道。

2、符合下列條件之一的工業管道為gc2級:

(1)輸送gb50160《石油化工企業設計防火規範》及gbj16《建築設計防火規範》中規定的火災危險性為甲、乙類可燃氣體或甲類可燃液體介質且設計壓力p<4.0mpa的管道;

(2)輸送可燃流體介質、有毒流體介質,設計壓力p<4.0mpa且設計溫度大於等於400℃的管道;

(3)輸送非可燃流體介質,設計壓力p<10.0mpa且設計溫度<400℃的管道。

三 .壓力容器材料

(一)選材的基本原則

選擇壓力容器用材,須根據容器的使用條件(如溫度、壓力、介質腐蝕

性、介質對材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等)、製造工藝、

材料的焊接效能及經濟合理性選擇具有適宜的機械效能、耐腐蝕性能、物

理性能等的材料。注意在同一工程中應盡量注意用材統一,具體的選材過程

中必須仔細考慮如下因素:

(二)材料的基本效能

1. 機械效能

金屬的機械效能是指金屬材料在外力作用下表現出來的特性,如強度、彈性、硬度、韌性及塑性等。也可稱為「力學效能」。金屬材料就是用其在為同受力條件下所表現出來的不同特性指標,來衡量金屬材料的機械效能。

(1) 機械強度強度是材料抵抗外力作用不致破壞的效能特性。常用

的特性指標有屈服極限(σts)和強度極限(σb)。數值由拉伸試驗獲得。高溫時還要考慮蠕變極限(σtn)和持久極限(σtd)。

壓力容器用材要求材料不僅具有高的屈服極限,而且具有一定的屈強比(σs/σb)。屈強比反映了材料承受外載能力的能力,屈強比愈小,結構零件的可靠性愈高,萬一超載,由於塑性變形的產生而使金屬材料的強度提高而不致立刻破壞。壓力容器用材的屈強比一般為 0.

6~0.7。碳素鋼的屈強比一般為 0.

6 左右,低合金高強度鋼為 0.65~0.75,合金結構鋼為 0.

85(2)塑性材料的塑性是指金屬材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力。材料的塑性是用延伸率(δ)及斷面收縮率(ψ)來表示。它們的數值由拉伸試驗獲得。

一般情況下,塑性材料的延伸率和斷面收縮率較大,而脆性材料則較小。金屬材料的塑性指標在壓力容器設計具有重要的意義。首先,塑性良好的材料可以順利地進行某些成型工藝,如冷衝壓、冷彎曲等。

其次,良好的塑性使零件在使用時萬一超載,也能由於塑性變形使用權材料強度提高而避免突然襲擊斷裂。壓力容器的主要零部件都是承壓的,無論從製造工藝的要求不是從使用安全的要求,都希望金屬材料具有良好的塑性。一般碳鋼、碳錳鋼δ≥16%,其它合金鋼δ≥14%。

(3)硬度所謂硬度是指金屬材料抵抗壓入物壓陷能力的大小,也可以說是材料對區域性塑性的抗力。硬度可採用不同的方法在不同的儀器上測定,其所得的硬度指標也各不相同。最常用的硬度指標為布氏硬度(hb)、洛氏硬度(hrc)、和維氏硬度(hv),其數值可以互相換算。

硬度是金屬材料的重要效能之一。一般情況下,材料的硬度高,其耐磨性也較好。材料的硬度與強度之間也有一定的關係(因為硬度是反映材料區域性塑性變形的抗力),根據經驗,硬度與抗拉強度有如下近似關係:

軋制、正火或退火的低碳鋼 σb =0.36hb;

軋制、正火或退火的中碳鋼 σb =0.35hb;

硬度 hb≤250 經熱處理的合金鋼 σb =0.34hb;

硬度 hb250~400,經熱處理的合金鋼 σb =0.33hb;

由於測定硬度方便,在生產中常用測定硬度的方法來估算鋼材的強度。

對焊接接頭,也常用測定熱影響區硬度的方法來確定其淬硬程度。

換熱管與管板的連線採用脹接時,換熱管材料的硬度值一般須低於管板材料的硬度值。 螺栓和螺母匹配使用,一般螺栓材料的硬度值須高於螺母30hb。

(4)韌性韌性是指材料抵抗衝擊載荷的效能指標, 材料韌性用衝擊功 akv來衡量,衝擊功 akv是指材料受到衝擊負荷的作用下,產生斷裂時所消耗能量大小的特性,即衝擊試樣所消耗的功,其單位為 j。由於衝擊功 akv是金屬材料各項機械效能標中對材料的化學成分、冶金質量、組織狀態及內部缺陷等比較敏感的乙個質量指標,而且也是衡量材料脆性轉變和斷裂特性的重要指標,所以對壓力容器用鋼來說,尤其是低溫壓力容器衝擊功是一項重要的效能指標。

(5)溫度對材料機械效能的影響材料的屈服極限、強度極限和彈性模量隨溫度的公升高而降低。如果裝置的操作溫度較高,則必須選用在相應溫度下能保持其強度指標的材料。

如果材料在高溫下承受高的應力,則材料的抗蠕變效能是關鍵性的。材料蠕變極限指在某一溫度下受恆定載荷作用時,在規定的持續時間內(10萬小時)產生 1%的變形時的應力;持久極限是材料在某一溫度下受恆定載荷作用時,在規定的持續時間內(10 萬小時)引起斷裂時的應力.在實際試驗中,常常用較短時間的試驗結果來外推長時間的效能,但一般限制外推時間不得大於試驗時間的 10 倍。持久強度是高溫元件設計選材的重要依據,是 gb150 中確定許用應力的強度指標之一. 低溫情況下,通常塑性金屬材料往往以脆性方式破壞。

引起鋼製焊接壓力容器脆性破壞的因素非常複雜。它取決於材料的晶格結構,板材的厚

度,加工後的殘餘應力、結構缺陷以及材料的使用溫度。

目前各國標準規範均以夏比 v 型缺口衝擊試驗來檢驗材料對脆性破壞的敏感性。

2. 耐腐蝕性能

耐腐蝕性能是金屬材料抵抗介質腐蝕的能力。壓力容器中處理的介質大多數具有腐蝕性的,在設計中必須根據操作介質來選擇耐腐蝕材料。 引起材料腐蝕的因素多種多樣,工程中常將常見的腐蝕情況分為:

均勻腐蝕、點蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕、氫脆、磨蝕等。

(1) 均勻腐蝕

均勻腐蝕是在整個金屬表面均勻地發生腐蝕,這種腐蝕相對其它形式的腐蝕其危害最小。gb150 中 c2只考慮均勻腐蝕 c2=kb

其中 b—設計壽命(年) k—腐蝕速率(mm/ 年 )一般分為

不腐蝕輕微腐蝕腐蝕重腐蝕

b mm/年 <0.05 0.05~0.13 0.13~0.25 ≥0.25

c2 mm 0123

(2) 應力腐蝕

應力腐蝕是指金屬在持久拉應力和腐蝕性環境聯合作用下產生腐蝕裂紋,並使裂紋迅速擴充套件,從而可能出現的早期性破壞的腐蝕形式.

幾種常見的應力腐蝕環境:

a.碳鋼及低合金鋼焊製化工容器對介質 naoh 的應力腐蝕與介質濃度、溫度有關。當 naoh 溶液在其與烴類的混合物中體積大於等於 5%時,也應根據 naoh 溶液的濃度符合該要求。

naoh 溶液濃度小於等於 1%或 naoh 溶液在其與烴類的混合物中體積小於 5%時,不受此限制。

naoh 溶液

當超過以上範圍的碳鋼、低合金鋼材料需焊後進行消除應力熱處理。

b.溼 h2s 應力腐蝕

介質同時符合下列條件時,即為溼 h2s 應力腐蝕環境:

①溫度小於等於(60+2p)℃;

p 為壓力,mpa

②h2s 分壓大於等於 0.00035mpa 即相當於常溫在水中 h2s 溶解度大於等於 10p.p.m;

③介質中含有液相水或處於水的**溫度以下;

④ph<9 或有氰化物(h**)存在。

c.液氨應力腐蝕環境

當容器接觸的液氨介質同時符合下列各項條件時,即為液氨應力腐蝕環境:

①介質為液態氨,含水量不高(≤0.2%),且有可能受空氣(o2或 co2)汙染的場合;

②使用溫度高於-5℃。

對於應力腐蝕環境的容器除進行焊後消除應力熱處理,在焊接要求、焊接接頭硬度等方面都要提出具體要求。

奧氏體不鏽鋼材料在氯化物溶液、高溫水、高濃度 naoh 等介質往往產生應力腐蝕。

(3)氫腐蝕環境

氫在常溫常壓下不會對鐵碳合金引起氫蝕,當溫度在 200℃~300℃發生「氫脆」,金屬在高溫下與氫反應生成甲烷,甲烷氣在晶界空隙內引起裂紋,使材料的塑性降低,引起這種腐蝕有合成氨、合成甲醇、石油加氫等工業生產,設計溫度大於等於 200℃與氫氣氛相接觸的壓力容器用鋼應按納爾遜曲線選材,並應留有 20℃以上的溫度安全裕度。滿足於曲線的碳素鋼和珠光體耐熱鋼在氫氣氛中使用須經過焊後消除應力熱處理。

奧氏體不鏽鋼在氫分壓範圍的氫氣中使用都是滿意的,焊後也無必要進行消除應力熱處理。

(4)晶間腐蝕

可能引起晶間腐蝕環境必須是存在電解質的電化學腐蝕環境,奧氏體不鏽鋼晶間腐蝕的電解質主要是酸性介質。如:工業醋酸、甲酸、硝酸、草酸、鹽酸、硫酸、磷酸等。

防晶間腐蝕的措施:1)固熔化處理 2)降低鋼中碳含量 3)新增穩定碳化物的元素 (nb. ti.

ni)

3. 材料的物理效能

材料的主要物理效能包括:密度ρ、導熱係數λ、比熱 c、熔點 tm、線膨脹係數α等。在不同的使用場合,對材料的物理效能有不同的要求,如用於傳熱表面的材料要求有較高的導熱係數。

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前言引言 1 範圍1 2 規範引用檔案1 3 術語和定義1 4 基本要求3 5 工作規範4 附錄a 規範性附錄8 附錄b 規範性附錄10 附錄c 資料性附錄12 附錄d 資料性附錄13 本標準按照gb t 1.1 2009 標準化工作導則第1部分 標準的結構和編寫 給出規則編寫。本標準由舟山市質量技...