低温压力容器材料知识总结

摘要：低温压力容器的设计重点是选材，并相应地在制造、结构上加以某些限制。 低温压力容器受压元件所采用的钢材必须是镇静钢。材料的许用应力取常温20℃的数值，强度计算方法按GB 150.3 的规定。

低应力脆性断裂现象

       自从19 世纪末以来，在严寒地带的铁轨、桥梁和结构件曾发生一系列低温脆性断裂事故，由于当时科学技术的限制，钢材的冷脆问题研究未取得实质性的进展， 20 世纪40 年代以来，许多船舶、压力容器、管道、化工设备及大型结构，特别是一些焊接结构，多次发生低应力脆断，造成了巨大的损失。因此，低应力脆断就成为人们非常关注的课题，通过大量事故的调查分析，可以总结出低应力脆断具有下列特点。

        ①断裂时容器的工作压力比较低，其断裂名义应力低于材料的屈服强度，在断裂之前没有或者只有局部极小的塑性变形。

        ②裂纹扩展速率大。

        ③低应力脆断多属解理断裂或准解理断裂，断口具有晶粒状的特点，光亮而平滑。

        ④ 低应力脆断往往发生在有缺口或裂纹的容器上，并以筒体自身存在的各种工艺缺损及杂质作为裂纹源。

        ⑤断裂一般发生在较低温度下，此时材料的韧性很差。

        从上述低应力脆性断裂的特点结合断裂力学原理，对金属断裂机理进行分析，发现金属的低温韧性，即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力决定压力容器抵抗应力脆断破坏的能力。

影晌低温韧性的因素

        (1)晶体结构的影响

        试验表明，具有体心立方总阵(bcc)结构的铁素体钢的脆性转变温度较高，脆性断裂倾向较大，密排六方结构(hcp)次之，面心立方结构(fcc) 的金属如铜、铝、镍和奥氏体类钢则基本上没有这种温度效应，即没有低应力脆断。

        事实上除非存在第二相或处于导致产生应力腐蚀开裂的环境下，面心立方金属一般不发生脆性断裂，其主要原因是当温度降低时，面心立方金属的屈服强度没有显著变化，而且不易产生形变孪晶，位错容易运动，局部应力易于松弛，裂纹不易传播，一般没有脆性转变温度。

        但是体心立方金属则不同，在中温区域，其强度(特别是屈服强度)受杂质、载荷速度和合金元素的影响非常明显，而在0.2T0(T0为金属的熔点，单位为K) 以下的低温区域内随温度的降低，其屈服强度增加很快，最后几乎与抗拉强度相等，尤其是在低温下容易产生形变孪晶，故易引起低应力脆性断裂。

       (2) 化学成分的影响

        对低温压力容器用钢而言， 增加含碳量，将增大材料的脆性，使脆性转变温度急剧上升，所以低温用钢的含碳量不超过0.2 % ，近年来国外有一种发展和应用低碳( < 0.15 %)或微碳(<0 . 06%) 钢的明显趋势。

        锰元素是扩大奥氏体区的元素，含锰量增加能使钢材得到细致而富有韧性的铁素体和珠光体晶粒，因而可改善钢材在低温下的韧性。含碳量一定时，提高锰比值可以得到较低的无延性转变温度，降低碳含量，提高锰碳比，其无延性转变温度降低，钢板的允许使用温度降低。

        镍也是提高钢材低温韧性的重要元素，甚至更优于锰，当含镍3. 5% 时，可以使钢在-100℃仍保持很高的韧性，而含镍9 % 的钢可用作液氮容器，耐-196℃的低温。

        在含锰的铁素体类低温用钢材中，添加少量V 、Ti 、Nb 、Al 等含金元素，通过轧制或随后的热处理，使碳化物、氮化物弥散析出进行沉淀强化，从而获得较高的强度和良好的低温韧性。

        (3) 晶粒度的影响

        晶粒尺寸是影响钢的低应力脆断的重要因素，细晶粒不仅使金属有较高的断裂强度，而且使脆性转变温度降低，这是由于晶界存在杂质和脆性相，往往是裂纹源。

        晶粒细化，一方面使单位面积上脆性相相对减少，表面能提高，裂纹形核和扩展的概率降低，从而提高了钢的低温抵抗脆断能力，另一方面细晶粒钢性能比较均匀，降低了脆性转变温度。

        (4)夹杂物的影响

        磷易产生晶界偏析，钢中的氧以各种氧化物的形式在晶界析出，两者都极大地提高了钢的脆性转变温度，导致低应力脆断，因此低温用钢必须充分脱氧。例如镇静钢的低温韧性优于沸腾钢；若用Si + AI 、AI + Ti (V 、Nb) 综合脱氧，可进一步细化晶粒，其低温韧性更好。

        充分脱氧不仅能有效地降低氧、硫、磷及其他气体含量，而且还使夹杂物球化，减少位错的塞积，从而降低钢的脆性转变温度。

        试验表明，极纯金属的低温脆性与晶粒类型无关。例如不含碳、氮、氧、硼的纯铁，即使在4K 的低温也是可塑的。而杂质(特别是晶界脆性相)对低应力脆断影响很大，如25 %Cr 的Fe- Cr 合金中微量的碳、氧、氮是促进低应力脆断的重要原因。

        (5) 热处理和扭微组织的影响

        热处理对钢的低应力脆断有很大影响。调质处理是获得铁素体和粒状碳化物组织的常用方法，可以明显改善钢材的低温韧性。但随着调质处理回火温度的上升，粒状碳化物的聚集反而影响低温韧性，所以应严格控制调质处理时的回火温度不致过高。

        正火是低温用钢采用最多的热处理方法。钢材中合金元素增多，则正火温度应相应提高。而钢的退火组织比正火组织粗大，其低温韧性远比经正火或调质处理的差，所以，低温压力容器用钢都不进行退火处理。需进行焊后热处理的低温压力容器及其受压元件，在任何情况下，焊后热处理的温度都不应超过钢材的回火温度。

        热处理还有抑制脆性相从晶界析出，改变析出相的形态、大小、数量、分布，均匀组织，改善钢的强度和低温韧性的作用。在回火组织(回火马氏体)中有一定量的残余奥氏体或铁素体，可有效地阻止裂纹扩展。淬火时效和应变时效，都使钢的脆性转变温度升高，增大低应力脆断的敏感性，因此对时效敏感的沸腾钢不宜作低温用钢。

        (6) 冷变形的影响

        冷变形使钢的韧性降低，应变时效更使低温韧性恶化，脆性转变温度升高，所以对于大型高压容器，在使用时必须重视缺口韧性。因为在制作过程中， 冷变、冷压、焊接变形等，都会导致脆化，故冷变形及焊接后应进行低温退火。

        (7)应力状态的影响

        低应力脆断与应力状态关系很大。当容器存在裂纹或缺口时， 容易产生低应力脆断。缺口愈尖锐. 预裂纹尺寸愈大，愈容易引起低应力脆断。当焊接接头中有裂纹存在，又具有残余应力时，低应力脆断更为明显。

防止低应力脆断的设计原则

        目前所有的压力容器规范对低温压力容器的设计都是采用根据室温抗拉强度或屈服强度所决定的许用应力进行的。用该方法能有效地防止发生大塑性变形的破坏。为了防止根据这种设计方法设计的压力容器在低温下发生低应力脆断，要求钢材必须具有一定的韧性. 并且对设计和制造也提出了一定的要求。如何确定所需要的韧性水平，首先取决于采用哪一种防止脆性断裂的原则。

        ①允许存在一定的缺陷，但能防止开裂。在焊接区一般来说存在的缺陷较多且韧性较差。而断裂总是从缺陷和韧性较差的地方开始的。因此采用这一原则时，单纯测定母材的性能是不够的，还必须测定热影响区和熔合线的性能。要求韧性最差的地方能承受外载荷所产生的应变。

        ② 允许有缺陷存在并有可能自韧性较差的焊接区开裂，主要靠母材来防止裂纹扩展而避免发生断裂事故。但由于焊缝金属、熔合线和热影响区的韧性常较母材差，所以裂纹往往沿着焊接接头区扩展，因此用这种方法来防止脆断并不可靠。

        ③允许自缺陷处发生开裂，而容器的各个部位均能止裂。初看起来这种方法是最安全的，但它存在两个缺点。

第一，采用这种防止脆断方法时要选用韧性非常好的材料，这意味着材料成本费非常高昂；

第二，它的致命缺点是它作为一个绝对安全准则的有效性是和结构类型有关的。

对带缺陷容器的爆破试验结果表明：在完全液压状态下止裂较容易，在气压或带有部分气体的液压情况下，由于系统中储藏的能量较大，止裂纹困难或必须设计专门的止裂结构。

而对于石油化工及制冷空分行业的低温压力容器来说，其内部介质往往是气液两相或虽然为液相，但其工作温度高于其正常沸点，因此不能用止裂原则来防止低应力脆断。

由此可见，对于低温压力容器来说最适当的防止脆断的办法是原则① ，即防止开裂原则。目前世界各国的压力容器规范都采用这一原则。

钢材低温韧性的评定方法

        自20 世纪40 年代钢结构的脆性断裂引起人们重视以来，各国对钢材低温韧性的评定方法以及评定指标进行了广泛的研究及试验。其中与压力容器关系较为密切的试验方法有下列几种：低温冲击韧性试验(V 形缺口、DVM 试样)；落锤试验；全厚度试板试验(宽板试验、双重拉伸试验、ESSO 试验)；断裂力学试验(平面应变断裂韧性KIC 及裂纹尖端张开位移COD 法) 。

       其中以低温夏比(V 形缺口)冲击韧性试验应用最为广泛，并以在冲击试验中对应的一定的吸收功AkV 或一定的断口纤维百分率的温度(即脆性转变温度〉来评定材料的低温韧性。

        美国早期的ASME 规范，对于低碳钢及某些低合金钢制成的容器，在低于某一温度(此温度和材料厚度有关)下工作时，要求其材料的夏比(V 形缺口)冲击试验冲击功不小于20J 。该规定是建立在大量的破坏事故及其材料试验基础上的，对当时规范所推荐钢板的大量夏比(V 形缺口)冲击试验结果中，发现起裂型钢板的最大冲击功约为14J ，传裂型最大冲击功不超过18J ，大于27 J 的均属于止裂型。

        基于当时的研究结果，人们便把夏比(V形缺口)冲击试验冲击功A kV = 20J 作为材料在其最低使用温度下的韧性考核指标。到了1953 年，由于使用了较高强度的钢种，其临界转变温度基点转移到AkV 冲击功曲线的较高位置上去了， 20J 的AkV 冲击功指标并不能避免脆断的发生。

        因而对高强度钢而言，不同的钢种应分别对指标进行校正(或附加侧向膨胀量≥0.38mm) ，这种观点在ASME 规范1977年版本已有反映。表13 - 3 所列为现行ASME VIII - 1对低温钢夏比(V 形缺口)冲击试验的最小冲击功值。

目前，国外压力容器规范中采用20J 作为低碳钢在最低工作温度或设计温度下钢材缺口韧性唯一判据的有：美国ASME VIII - 1 及ASME VIII -2，法国规范等。德国AD 规范W10 采用DVM试样的冲击功作为判据，具体要求是：在设计温度下的DVM试样冲击功韧性为横向35J / cm² ，此值相当于采用V 形缺口夏比试样，在设计温度提高10℃的试验温度下达到纵向27 J 。从其钢材标准提高的数据来看，在采用相同试样型式的前提下，纵横向的冲击功之比大约为1：0.7。

        我国现行的钢制压力容器标准GB 150.1 ~ 150.4 参考采用了ASME VIII - 1 的有关规定，因此也是以20J 作为相当于低碳钢强度级别的钢材的验收判据。对钢板来讲，我国标准根据国内钢材情况，要求横向取样，比之国外纵向取样，其冲击功的要求并不低于国外按规则设计的规范中对钢材的韧性要求。

低温压力容器用钢

        (1)低温钢材的韧性要求

        ①试验方法  低温压力容器及其受压元件所采用的钢材，必须进行夏比V 形缺口冲击试验。

        钢材的冲击试验方法，应符合GB/ T 229 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》的有关规定。冲击试样按10mm X 10mm X 55mm 标准试样。若无法制备标准试样时，也可采用7.5mm X 10mm X 55mm 、5mm X 10mm X 55mm 的小尺寸试样，其冲击功指标分别为标准试样冲击功指标的75 % 或50 % 。试样的缺口应沿厚度方向(棒材沿径向)切取，并以3 个试样为1组。

        ②取样规则  根据需要，钢材可按批进行冲击试验取样，其分批要求及试样截取应遵循以下规定。

        a. 钢板  每批钢板由同一牌号、同一炉号、同一厚度、同一热处理制度组成。每批钢板重量不大于30t 。每批取1组试样，试样方向为横向。

        b. 钢管  每批钢管由同一牌号、同一炉(罐)号、同一规格和同一热处理制度(炉次)组成。每批钢管按直径分类：外径小于或等于76mm 且壁厚小于或等于3mm 的钢管每批不超过400 根；外径大于351mm 的钢管每批不超过50 根；其他尺寸钢管每批不超过200 根。在每批中的任意两根钢管上各取1组试样。取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样。缺口应沿厚度方向切取。

        c. 锻件  按照NB / T 47009 《低温承压设备用低合金钢锻件》规定的取样数量和取样部位切取试样。

        d. 钢棒  每批钢棒由同一牌号、同一冶炼炉号、同一断面尺寸、同一热处理制度、同期制造的毛坯组成，每批抽取一件毛坯进行试验。试样取样方向为纵向。直径不大于40mm的毛坯，试样的纵轴应位于毛坯中心；直径大于40mm 的毛坯，试样的纵轴应位于毛坯半径的1 /2 处。

        ③ 试验温度  低温压力容器用钢的冲击试验温度必须低于或等于容器或其受压元件的设计温度。当容器或其受压元件使用在"低温低应力工况"时，钢材的冲击试验温度必须低于或等于调整后的设计温度。

        ④ 冲击功指标  钢材试验温度下的冲击功指标，按钢材标准规定的最低抗拉强度确定，具体要求必须满足表13-4 的规定。小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减。

  注：试验温度下3 个试样的冲击功平均值不得低于表中的规定值，允许1 个试样的冲击功数值低于表中的规定值，但不得低于规定值的70 %。

        (2) 常用低温压力容器用钢材

        常用低温压力容器用钢见表13-5。

低温压力容器用钢的焊接材料

        (1)基本要求

        低温压力容器受压元件或受压元件与非受压元件焊接用焊条电弧焊焊条应选用NB/ T47018.1~47018.7 《承压设备用焊接材料订货技术条件》的低氢碱性焊条。埋弧焊焊剂应选用碱性或中性焊剂。

        与低温受压元件焊接的非受压附件焊接接头，当低温下承载较大时，应按受压元件焊接接头同样要求；当承载较小时， 可按可焊性要求，选用相应的焊接材料。

        低温压力容器用钢焊接材料的选择必须保证焊接接头含有的有害杂质硫、磷、氧、氮最少，尤其是含镍钢应严格限制杂质含量，因为杂质含量增加，会明显降低焊接接头的韧性。

        (2) 铁素体钢

        铁素体钢之间的焊接一般应采用铁素体型焊接材料(9 % Ni 钢除外) 。焊接接头的低温冲击试验温度以及焊缝金属、热影响区低温冲击功要求均与母材相同，不得低于母材性能。

        铁素体钢之间的异种钢焊接用焊接材料一般按韧性要求较高侧的母材选用。焊接接头金属的冲击试验温度应不高于两侧母材中的较低者。异种钢焊接工艺评定和产品焊接试板的热处理状态应与容器最终使用状态相同，性能检验时应符合下列要求。

        ① 焊接接头的拉伸和弯曲试验要求按两侧母材中的较低要求。

        ② 焊接接头金属强度较低侧的热影响区的冲击功要求按较低强度侧母材要求，强度较高侧的热影响区的冲击功要求按较高强度侧母材要求。

        (3) 奥氏体钢

        奥氏体钢之间的焊接材料选用应符合下列要求。

        ① 焊缝金属含碳量不大于0.10 % 。

        ② 焊缝金属的化学成分应符合GB/ T 983《不锈钢焊条》中E0-19-10 、E00-19 -10、E00-23-13和GB 4233《惰性气体保护焊接用不锈钢棒及钢丝》、GB 4242《焊接用不锈钢丝》中H0Cr21Ni10 、H00Cr21Ni10 、H0Cr26Ni21 的要求。

        ③ 设计温度低于—100℃时，应按NB/ T 47014《承压设备焊接工艺评定》进行焊接接头区的低温夏比(V 形缺口)冲击试验，并符合表13-4 的要求。

        (4)铁素体钢与奥氏体钢之间焊接

        铁素体钢与奥氏体钢之间的异种钢焊接， 一般应选用Cr23Ni13 或Cr26Ni21 型高铬镍或镍基焊接材料，焊后原则上不再进行消除应力热处理。该类异种钢焊接工艺评定和产品焊接试板应符合下列要求。

        ①焊接接头抗拉强度不低于两侧母材中最低抗拉强度的较小值。

        ② 铁素体钢侧热影响区的冲击功应按铁素体钢的抗拉强度，符合表13 - 4 的要求.焊缝金属的冲击功也应符合表13-4 的要求。

        ③接头应进行侧弯试验，试验方法按NB/T 47016《承压设备产品焊接试件的力学性能》进行。弯曲试验后在拉伸面上的焊缝和热影响区内，沿任何方向不得有单条长度大于3mm 的开口缺陷，试样的棱角开口缺陷不计， 但由于未熔合、夹渣或其他内部缺陷引起的棱角开口缺陷长度应计入。

常用低温压力容器用钢的焊接材料

        常用低温压力容器用钢的焊接材料见表13 - 6 。