C1超高压容器用钢及典型结构

1、超高压容器设计C1 超高压容器用钢及其典型结构超高压容器用钢及其典型结构C1.1 超高压容器用钢C1.2 超高压容器典型结构C1.1 超高压容器用钢n超高压容器除了要承受高温高压之外，还常常伴有重复载荷或冲击载荷，或腐蚀等，因此，为了确保超高压容器的安全使用，除了正确选择合理的设计准则及设计准则及设计计算公式、安全系数及结构设计计算公式、安全系数及结构外，还必须正确合理地选用合适的结构材料。 n选择超高压容器的结构材料主要应考虑：容器承受工容器承受工作压力的大小、操作壁温、载荷性质、循环次数、工作压力的大小、操作壁温、载荷性质、循环次数、工艺介质、结构特点艺介质、结构特点等等。因此，作为超高压

2、容器的用钢必须满足下列的基本要求：机械强度高，塑性韧性机械强度高，塑性韧性好，断裂韧性值高，疲劳强度高，可锻性、淬透性好。好，断裂韧性值高，疲劳强度高，可锻性、淬透性好。 n一、选材原则与主要性能指标 超高压容器用钢的主要性能指标： (一)强度与塑性n 选择超高压容器材料时，往往容易只从强度方面考虑，认为材料强度愈高愈好，或者通过热处理调质，把屈服强度、抗拉强度提得很高。但是，必须注意，材料的强度提高后，往往会使塑性和韧性降低，导致产生脆断的危险。因此，提高强度要有个极限，使屈强比在屈强比在0.80.9的范围内，有时甚至要降低强度以满足塑性、韧性的要求，使材料有足够的韧性储备，以便于吸收局部的

3、高峰值应力和抵抗冲击性载荷。n 目前国内外锻造的单层超高压容器对塑性的设计要求为：延伸率51015(化学工业中要求5 1215)；断面收缩率35，具体数据视操作条件、钢种、结构以及设计经验、习惯不同而异。n 冲击韧性K 对超高压容器的安全性有重要的意义。n首先是K值能够最敏感地反映出金属材料内部的缺陷，偏析和晶粒度的影响。有严重缺陷(例如白点)的钢材，其K值必然显著降低。因此，通过K值可以检验钢材的完善程度n其次是具有较高的K值，能使容器在低温下冷脆破坏可能减少。至于遇到载荷波动等冲击情况时，K值的作用更大。n我国超高压容器安全监察规程要求材料的夏比(V型缺口)冲击功应34J。(二)断裂韧性

4、n 表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言它是一个常数。n 当裂纹尺寸一定时，材料的断裂韧性值愈大，其裂纹失稳扩展所需的临界应力就愈大。断裂韧性测试方法断裂韧性测试方法 n测试试样表面先抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性数值（KIC）。 E为弹性模量，载荷P单位为kg, 裂纹长度C单位为mm, 显微硬度HV单位为GPa。 n超高压容器在制造加工和使用过程中，不可避免地会产生一些缺陷，由于

5、缺陷的存在，难以预料的低应力脆断倾向便会增加，为了避免容器低应力脆断的发生，必须要求材料有较高的断裂韧性高的断裂韧性。一般情况下，随着强度的提高、温度的降低及加载速度的增加，金属的断裂韧性值将降低，这也说明了愈是高强度钢，在低温下和在动载荷下愈容易发生低应力脆性破坏。n 根据对强度及断裂韧性的试验，发现不同的冶炼方法对材料强度的影响较小，而对断裂韧性却有较大的影响。在空气中冶炼的钢，其断裂韧性最差，而真空冶炼加电渣重溶或真空自耗电极重溶的钢其断裂韧性最高，因此选择材料时必须注意钢材的冶炼方法。通常要求材料的断裂韧性KIC120MPam1/2。(三)疲劳强度 n在超高压容器设计中，器壁应力水平较

6、高，选择疲劳强度高的材料变得十分重要。n钢材中非金属夹杂物的含量以及磷、硫的含量，都会大幅度地降低材料的疲劳强度。因为在金属内的夹杂物处，正是大的应力集中点，交变应力时，这些应力集中点上最初以微小范围，然后以较大范围开始疲劳。n据推断，当钢材所含的夹杂物缺陷大于壁厚的3时，将使其疲劳强度下降33，对于椭圆形或球形夹杂物尤其应加以注意。更不允许有延伸型的夹杂物。因此，选择材料时，必须尽可能地减少夹杂物的含量，而采用真空冶炼则是减少夹杂物含量最有效的手段。n 钢材中磷、硫含量对钢材的韧性及各向异性亦有显著的影响。对于AIS4340钢，若将其磷、硫含量减至0.02以下，则可显著改善钢材的韧性及缩小各

7、向异性的程度。在高强度钢中，夹杂物的数量越多，各向异性程度亦越大。n此外，钢中存在的化学成分的偏析也是构成各向异性的一个因素。因此，超高压容器锻件中的磷、硫含量应严格控制，均应0.015。钢中的气体(如氢、氧、氮等)、有害杂质(如铜、钛等)及有害痕量元素，(如砷、锡、锑；铅、铋等)也应严格控制到尽可能地少。 二、材料的冶炼及热处理 (一)冶炼n 由于不同的冶炼方法对超高压容器用钢的断裂韧性及疲劳强度断裂韧性及疲劳强度有显著的影响，因此；目前超高压容器用钢大都采用新的冶炼方法，如真空冶金、喷射冶金、炉外精炼和电渣重溶等。甚至有的冶炼是几种方法的综合。 1电炉(平炉)+真空铸锭 n采用电炉或平炉初

8、炼钢水，出钢后通过中间包注入真空室的钢锭中，在铸造过程中达到钢水的脱气处理。n重型锻件中出现白点主要是由氢引起，为了除去氢气，才引入真空脱气工艺。该方法也可进行真空碳脱氧，即电炉或平炉初炼钢水不进行脱氧(沸腾钢)，在真空铸锭条件下，依靠钢水自身中的碳来脱去钢水中的氧，使钢水达到完全脱氧的一种工艺。2碱性平炉真空喷射法(VI法) n碱性平炉碱性平炉炼钢(basic open hearth steelmaking) 在碱性耐火材料砌筑的熔炼室内进行熔炼的平炉炼钢法。碱性平炉碱性平炉的炉底和堤坡由镁质或镁铬质耐火材料砌筑，炉顶由悬挂式镁砖或铝镁砖构成。冶炼过程使用碱性渣操作，能有效地去除钢液中的磷和

9、一定程度的脱硫。 n碱性平炉初炼，钢渣分流，在包内进行合成渣洗，把平炉钢质量提高到电炉钢的水平；利用RH真空系统预脱氧(V)，为提高喷粉效果创造条件；然后真空，喷粉同时进行(VI)，以加强钢液搅拌和提高脱硫脱氧效果；喷粉后继续真空，以净化喷粉过程的污染。 3钢包精炼n将普通冶炼的钢水，注入钢包中精炼，钢包有加热、除气、搅拌和加料设备。钢包精炼，改善了成分的分散情况能获得很低的磷、硫和气体含量，浇注温度的调节明显改善(也可以在包中进行碳脱氧)。 4电渣重溶法n电渣重溶法是将普通冶炼的钢，再经电渣重溶来降低钢中的硫和氧含量，使钢的纯净度得到很大的改善。电渣重溶的另一个明显效果是整个钢锭具有同向的、

10、合乎理想的凝固，而且只有轻微的偏析，这是其他冶金方法不可比拟的。(二)热加工n厚壁超高压容器用钢锻件由水压机热加工锻造成型。热加工的目的是破坏钢锭的铸造组织，使各个晶粒产生机械变形，并促进其均匀化，压合存在于钢锭内部的空隙，并使锻件成型。容器用钢，要求有较高的横向韧性，所以必须控制适当的锻造比锻造比，一般锻造比控制在34就可以破坏树枝结晶组织，使机械性能在各方面上没有显著差异，过大的锻造比将降低钢的横向性能。(三)热处理n热处理是挖掘材料潜力，得到所需要的综合机械性能的重要手段，特别是对于超高强度钢，它的优越性能都是经过热处理后获得的。为了防止早期断裂，常选择强度与韧性有良好匹配的热处理。n厚

11、壁超高压容器用钢的最终热处理大都采用正火加淬回火的调质处理。 新型的热处理方法 n (1)控制气氛和真空热处理。控制气氛和真空热处理。采用控制气氛和真空热处理可有效地提高热处理质量，特别明显的是可提高材料的疲劳强度和耐磨性，并降低缺口敏感性。n (2)形变热处理。形变热处理。形变热处理是将加热、塑性变形和淬火冷却结合起来的一种复合处理工艺。经形变热处理的材料，其机械性能与普通淬火相比，可使抗拉强度提高310，延伸率提高1014，冲击韧性提高2030。n (3)超高温淬火。超高温淬火。采用较高的淬火温度，以得到板条状马氏体组织，从而使性能大大提高。如将AISl4340钢的淬火温度由原来的870o

12、C提高至1200oC，再通过200oC低温回火，其平面断裂韧性值可提高一倍，屈服极限也明显提高。n (4)超细晶粒淬火。超细晶粒淬火。通过多次循环相变快速加热淬火，使铁素体奥氏体铁素体的相变多次循环进行，形核率大大增加，奥氏体晶粒不断细化，最后得到极微细的晶格组织。经过这样热处理的材料，断裂韧性显著提高，同时强度、韧性和缺口韧性也都有很大提高。n 在热处理过程中，对大型锻件来说由于回火后不能快冷，故高温回火脆性的问题显得很突出。对于高强度钢，常在350oC左右发生韧性明显下降的现象，称为低温回火脆性低温回火脆性。不可能通过快冷消除，且一旦出现脆性，重新热处理也不能消除。因此，使用铬镍钼钢应避免

13、在200450oC之间回火。 三、推荐材料n由于中碳铬镍钼钒钢具有良好的淬透性和强度、韧性的配合，所以CrNiMo和CrNiMoV钢为目前国内外超高压容器用钢的通用钢种。典型用钢如美国的4340、4330、4140，英国的En25、En27，德国34CrNiM08，日本的CrNiV，中国的30CrNi5MoV、PCrNi3MoV等。近年来，有发展较低碳含量较高镍含量的高韧性钢趋势，如美国的HYl30和中国的34CrNiMoV。美国钢铁产品的标准 nANSI 美国国家标准美国国家标准American National Standards InstitutenAISI 美国钢铁学会标准美国钢铁学会

14、标准American Iron and Steel InstitutenASTM 美国材料与试验协会标准美国材料与试验协会标准American Society for Testing and MaterialsnASME 美国机械工程师协会标准美国机械工程师协会标准American Society of Mechanical EngineersnAMS 航天材料规格航天材料规格Aero Space SpecificationnAPI 美国石油学会标准美国石油学会标准American Petroleum InstitutenAWS 美国焊接协会标准美国焊接协会标准American Welding

15、 SocietynSAE 美国机动车工程师协会标准美国机动车工程师协会标准Society of Automotive EngineersnMIL 美国军用标准美国军用标准Military Specifications n在ASTM、SAE、AISI标准中，碳素钢和合金钢牌号的表示方法基本相同。大都采用四位阿拉伯数字表示，间或在中间或末尾加入字母。例如：1005，94B15，3140等。n四位数字中的前两位数字表示钢种类型及其主要合金元素含量。后两位数字表示钢的平均含碳量为万分之几的数值。n 1. 第一位数（或第一、二位数）表示如下类别号：1碳素钢，2镍钢，3镍铬钢，4钼钢，5铬钢，61铬钒钢，

16、8低镍铬钢，92硅锰钢，93、94、97、98铬镍钼钢。 n2. 第二位数（类别号为二位数者无此项）表示如下钢种或合金元素含量： 碳素钢：0一般碳素钢,1易切削钢，3锰结构钢。 钼钢：1铬钼钢，3和7镍铬钼钢，6和8镍钼钢，0、4、5含Mo量不同的钼钢。 镍和镍铬钢：用百分数表示平均含镍量。 铬钢：0铬含量较低，1铬含量较高。 低镍铬钢：6、7、8、1表示镍和铬含量一定，钼含量不同。6表示钼含量0.150.25，7表示钼含量0.20.3，8表示钼含量0.30.4，1表示钼含量0.080.15。 n3. 第三、四位数表示含碳量平均值，以万分之几表示。 有些钢号中间插入B或L：B含硼钢，L含铅钢。

17、 末尾加“H”时，表示对淬透性有一定要求的钢种。有些加前置字母“M”或“MT”：M机械级，MT机械用管材。 nHY系列钢是铜合金化钢，由于在钢中加入铜，因而提高了钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性等。铜还可以改善海水中和含H2S环境中的耐蚀性，铜的加入量超过0.2 %还可以完全地阻止管线钢的氢致开裂。另外，含铜的钢轨不仅提高了耐蚀性，其耐磨性也有较大幅度的提高，而且还降低了白点敏感性。HY高强度系列钢从1950年开始在美国海军舰船上使用。HY钢具有高强度和高断裂韧性，代表型号HY-80，HSLA-80，HY-100，HSLA-100和HY-130钢。 美国航母甲板用的含有稀土的特种

18、钢材是硬度为100的HY-100特种钢 ,中国能造万吨巨轮，但是，造不出航母，首先缺少的是HY-100特种钢，美国严格禁止这种钢材出口中国，日本也一样 超高压容器由于承受极高的压力，应力水平较高，考虑到轴对称结构受力情况较好，以及制造的方便，一般均为圆筒形结构。常见的典型结构有： 1单层厚壁容器 (1)整体锻造筒体；(2)单层自增强筒体。2多层缩套容器 (1)双层缩套筒体；(2)多层缩套筒体； (3)缩套加自增强筒体。3绕丝式筒体 (1)绕丝式筒体；(2)绕丝式框架。4剖分式筒体5压力夹套式容器6综合式容器 (1)剖分式内筒加多层缩套外筒； (2)剖分式内简加自增强外筒； (3)剖分式内筒加层

19、间充压式及自增强外筒。 C1.2 超高压容器典型结构C1.2 超高压容器典型结构 1单层厚壁容器单层厚壁容器 (1)整体锻造筒体；(2)单层自增强筒体。(1)整体锻造筒体 整体锻造筒体是厚壁容器中最为常见，也是最早采用的一种型式，在国内外都广泛使用。其制造方法是：首先铸出一个足够大的钢锭，然后将钢锭两头品质不良的部分切去，再将钢锭放到万吨水压机上锻成圆柱形。然后加热，用棒形冲头把钢锭通心，再把钢锭套在心轴上锻内壁，使内径大致达到所需要的尺寸，退火消除内应力并降低硬度后，内外壁进行车削加工，并车出端部套法兰的螺纹。整体锻造的结构如图1-1所示。 单层锻造圆筒结构比较简单，而且由于锻造过程钢锭中有

20、缺陷的部分已被切除，其余部分质量都比较好，经过锻压后，材料性能均匀，组织致密，机械强度得到提高，一般没有薄弱环节，是比较安全可靠的。但是，如果是超高强度钢，韧性不够好时内壁机加工过程产生的刀痕、台阶等易引起应力集中，产生疲劳裂纹。此外，这种结构的锻造过程需要庞大的冶炼、锻造及热处理设备；生产周期长；锻造比i2.5时，金属切削工作量与材料切削量都很大；不能按内外层的工作条件选用不同的材料，因而成本比较高。 单层锻造厚壁容器的应用虽然很多，但它的使用范围却有很大的局限性。这是因为单层厚壁圆筒在内压的作用下，应力沿整个壁厚的分布极不均匀；外壁(应该说距内壁稍远的位置，如0.4倍壁厚处)应力变得很低，

21、且随径比的增加，这种不均匀性就更为严重。 1单层厚壁容器单层厚壁容器 (1)整体锻造筒体；(2)单层自增强筒体。(2)整体锻造单层自增强筒体单层整体锻造筒体不能应用于压力很高的场合，为了提高容器的承载能力，比较合理而有效的办法是使器壁产生预应力，利用预应力去抵消一部分工作应力，以提高容器的弹性操作范围。自增强技术就是使厚壁圆筒产生预应力的方法之一。其具体做法是：在容器使用前先在圆筒内壁施加一个内压，使内壁发生屈服，产生塑性流动，而外壁仍为弹性区；然后卸除内压，由于外层材料的弹性收缩，从而使已塑性变形的内层材料在弹性恢复后受到外层材料的弹性压缩而产生压缩应力，外层材料受到内层材料塑性变形的扩张而

22、产生拉伸应力。这种容器称为自增强容器。图12为一经自增强处理的反应器。经自增强处理的厚壁圆筒，操作时，内壁应力水平得以较大的降低，而外层应力则有所提高，因而器壁上的应力水平趋于均匀。 大量试验证明，整体锻造自增强筒体与不经自增强处理的筒体相比有如下优点：若圆筒材料及尺寸相同，可提高耐压强度：若圆筒材料及内压相同，可减少容器壁厚及重量；自增强处理时对简体是一次耐压检查，保证使用的安全可靠；筒壁的平均应力较低，大大提高了疲劳寿命。 这种型式在工业上用得较成功的是高压聚乙烯管式反应器。管子内径f34mm，外径f78mm，设计压力320MPa，设计温度350oC。图1-2为我国自行设计制造的高压聚乙烯

23、装置中的气流搅拌反应器。设计压力为300MPa，设计温度为300，自增强处理压力为650MPa，简体材质为4340钢。 C1.2 超高压容器典型结构2多层缩套容器 (1)双层缩套筒体；(2)多层缩套筒体； (3)缩套加自增强筒体。 使厚壁容器产生预应力的另一个方法是采用多层缩套结构。即用两个或两个以上的同心圆筒，内筒有一定的过盈量，加热外筒套入内筒后冷却(或深冷内筒，把外筒套入内筒)使之紧缩在一起，使内筒产生压缩预应力达到加强的目的。 （1）双层缩套筒体 双层缩套筒体由两个同心的圆筒缩套在一起而成，如图1-3。 在缩套筒体设计时，不但希望筒体缩套后能存在部分预应力去抵消部分工作应力，从而实现筒

24、体器壁中应力均匀分布，而且更希望在设计允许的情况下，尽量加大其预应力，并要求在整个筒体器壁上能均匀地存在。为此，在筒体缩套之前，必须对套合面进行精确的机械加工，并精心地控制套合工艺，以确保理论的套合应力。经机械加工后再作缩套有下列优点：保证筒体的几何形状较精确；保证设计的过盈量；简体贴合较紧密，有利于改善传热，降低筒壁温差；使筒壁的应力分布较均匀，保证简体的强度；有效消除以前各道工序造成的误差及缺陷。 （1）双层缩套筒体 缩套容器制造必须有精良的缩套工艺，套合温度的上限绝不允许超过外筒材质的热处理温度。 根据厚壁筒体器壁上的应力分布规律，为了充分发挥材料的各自特性，往往采用高强度的材料制作内筒

25、，用强度稍低、塑性较好的材料制作外筒，这是采用，缩套结构的一个显著特点。此外，也可以用特殊耐磨的高强度材料或耐腐蚀材料制作内筒，以防止筒体磨损或腐蚀。 对于细而长的容器，若整个缩套往往容易产生咬死情况，因而不宜采用整体缩套结构，若采用，需改变套合面的形状，例如改为锥状靠外力推入，或者改为逐个短筒套合的套环式，如图1-4所示。 C1.2 超高压容器典型结构2多层缩套容器 (1)双层缩套筒体；(2)多层缩套筒体； (3)缩套加自增强筒体。（2）多层缩套筒体 缩套可以提高容器的承载能力，启发人们在双层缩套的基础上提出了多层缩套容器的设想。层数多，预应力分布均匀，不但可以提高承载能力，同时可以使每层圆

26、筒的厚度相应减薄，尺寸效应减小，保证钢材材质均匀，降低脆性转变温度，提高热套容器抗脆性断裂的能力，这是有利的。但也有缺点，如工艺路线长，工时消耗多，制作麻烦，且影响筒壁的传热，内外壁温差大。（2）多层缩套筒体 当总的壁厚不变时，层数的增加和承载能力的提高不是成正比的关系。例如K=2时，如果把单层容器的承载能力作为1.0，则双层容器的承载能力约为1.35，三层容器约为1.5，五层容器约为1.62。因此，一般认为缩套容器的层数最多为用至5层，而常用的为23层，图1-5为三层缩套容器。多层缩套容器的设计，在已知内径和外径的条件下，除合理选择层数之外，还须正确确定各层圆筒筒体的壁厚。 C1.2 超高压

27、容器典型结构2多层缩套容器 (1)双层缩套筒体；(2)多层缩套筒体； (3)缩套加自增强筒体。（3）缩套加自增强筒体 制造双层缩套自增强筒体有两个途径，一种是预先对内筒进行单层筒体的自增强处理，然后进行缩套(如果外筒也须作自增强处理，同样是在缩套前进行)。另一种是对已缩套好的双层筒体再作自增强处理。两种方法都能收到预期的效果。但是，根据应力迭加原理，由缩套引起的残余应力与由自增强处理引起的残余应力相互是有影响的，它们的迭加也较为复杂，同样理由，缩套工艺与自增强处理的相互影响也将影响筒体中弹塑性交界面的位置。所以在应用这种结构时，合理地确定两层缩套筒体的过盈量及正确确定自增强压力值是相当重要的。

28、 C1.2 超高压容器典型结构3绕丝式筒体 (1)绕丝式筒体；(2)绕丝式框架。（1）绕丝式筒体绕丝式筒体是将高强度的扁形钢带（例如界面尺寸为4X1mm或6X1.5mm等)按照预定的预拉紧力一层层缠绕在内筒上(层数视厚度而定)，由预拉紧力、缠绕层的弹性收缩对内筒施加一个外压，实现筒壁中应力均匀的目的，从而提高圆筒的强度。结构如图1-6所示。由于绕丝式容器是在一内筒外缠绕多层钢丝而成，钢丝层仅能承受周向和径向应力，而对轴向载荷则无作用。因此，绕丝简体的内筒必须有足够的厚度一则以此厚度来承受由内压力引起的轴向载荷，二则以此承受在缠绕过程中由钢带给予内筒的外压力，以防止内筒的失效或丧失稳定。 C1.

29、2 超高压容器典型结构n 绕丝式筒体的优点：可以适当控制缠绕的拉力，容易实现壁中的应力分布均匀化，比控制热套容器中的过盈量更为方便，而且制作比热套容易，安全可靠，因各层钢丝互相错开，既使某处钢丝破坏，也不可能在同一处的钢丝同时断裂，且能阻止裂纹向外扩展。即提高了容器使用的安全可靠性；选材容易，用钢丝带即可，材质比较均匀，强度高，总重量可大大减轻，筒体尺寸可缩小。n 绕丝式筒体的最大缺点是：绕丝层不能承受轴向载荷：难以提供较为满意的封头结构。为此，提出了绕丝式框架的结构。3绕丝式筒体 (1)绕丝式筒体；(2)绕丝式框架。（2）绕丝式框架这种结构由预应力钢丝缠绕框架和具有绕丝层筒体两部分组成。绕丝

30、式筒体的制作如前所述。绕丝式框架由两个半圆梁和两根立柱组成，半圆梁和立柱均开有一定宽度和深度的槽，构成一条封闭的沟槽，在其上纵向地绕上一层层的扁(圆)钢丝。这样，圆筒内压在平封头上产生的轴向力通过半圆梁由全部框架的钢丝层承受。圆筒与平端盖无螺栓联接，圆筒的轴向力几乎全部由框架钢丝承担，而使圆筒消除了一个主应力，当量应力降低，安全性高，框架绕层起着螺栓的作用。这种结构强度和刚度较高，有预应力，疲劳抗力好，结构紧凑，重量轻，制造比较容易，使用安全，爆破时只内筒有裂纹，钢丝不会断。 C1.2 超高压容器典型结构4剖分式筒体 剖分式筒体是按主应力分离原则设计的一种型式，具体结构是把靠近内壁的一剖分筒体做成数块互不相连的剖分块(或者叫