Cr-Mo鋼制壓力容器的設計

高亞龍

（南京中建化工設備制造有限公司)

Cr-Mo鋼制壓力容器的設計

高亞龍*

（南京中建化工設備制造有限公司)

介紹了Cr-Mo鋼材的特性，闡述了Cr-Mo鋼制壓力容器設計時在選材、強度計算、結構設計、技術要求以及材料采購說明書編寫等方面應注意的問題。

Cr-Mo鋼 材料特性 強度計算 結構設計 技術要求 材料采購

0 概述

Cr-Mo鋼是壓力容器常用的鋼種之一，廣泛應用于煤化工、化肥、煉油和化工等行業的各類反應器中，特別是應用于加氫裝置和重整裝置上的高溫高壓臨氫設備中。Cr-Mo鋼具有優異的抗氫腐蝕性能和良好的高溫強度，是高溫高壓容器殼體和封頭的首選材料。

1 Cr-Mo鋼的主要特性[1]

Cr-Mo鋼材具有很好的抗氫腐蝕性能和耐高溫氧化性能，從而在高溫高壓臨氫環境中得到了廣泛應用。但部分Cr-Mo鋼長期在370～595℃溫度范圍內操作會產生沖擊韌性下降、韌脆轉變溫度升高的現象，即所謂的回火脆性，因而易產生裂紋、不易成形等問題。因此，Cr-Mo鋼制壓力容器的設計除了要符合常規要求外，更需要注意在選材、強度計算、結構設計、技術要求及材料采購等方面的特殊要求，以確保Cr-Mo鋼制壓力容器的制造質量和安全使用。

1.1 耐熱性

金屬材料抵抗高溫氧化的能力，稱為耐熱性或抗氧化性。耐熱鋼要求鋼材在中、高溫條件下金相組織穩定，否則就可能產生石墨化現象，金屬材料的脆性會急劇增大。此外，耐熱鋼還要求鋼材具有較高的高溫持久強度和蠕變極限。而熱穩定性好、含有強碳化物形成元素Cr、Mo、V的Cr-Mo鋼，可提高滲碳體的分解溫度，阻止石墨化的發生，從而提高鋼材的高溫持久強度和蠕變極限。

1.2 抗氫腐蝕性

在煉化裝置中，有些設備承受一定的溫度和壓力，并在臨氫介質工況下運行。因此，當容器壁溫高于200℃且氫分壓較高時，就應考慮氫對鋼材的損傷。氫損傷一般表現為鋼材表面或內部脫碳以及氫腐蝕開裂。高溫高壓下，氫進入金屬內部與鋼中一種組分或元素產生化學反應，從而導致金屬破壞的現象稱為氫腐蝕。為了防止氫腐蝕，在鋼中加入Cr、Mo以形成穩定碳化物，避免或減少甲烷的產生，從而提高抗氫性能。

1.3 回火脆性[2]

回火脆性是指鋼材在某一溫度范圍內操作而產生沖擊韌性下降（或韌脆轉變溫度升高）的現象。Cr-Mo鋼回火脆性的特性如下：

（1）Cr-Mo鋼回火脆性發生在370～595℃的溫度范圍內。接近這個溫度范圍的上限時，脆化速度高；接近這個溫度下限時，脆化速度緩慢。

（2）脆化材料和非脆化材料的差別，僅表現在缺口沖擊韌性和韌脆轉變溫度的不同，而拉伸性能無明顯差別。回火脆化的程度一般可用韌脆轉變溫度的升高來表示。

（3）大量實驗表明，在壓力容器常用的Cr-Mo鋼中，含Cr量為2%～3%的Cr-Mo鋼回火脆化傾向最嚴重。

（4）在P、Sb、Sn、As微量不純元素含量高的情況下，脆化傾向特別顯著，Si和Mn對脆化具有促進作用。

2 選材

選材必須考慮設備的操作條件，如設計壓力、設計溫度、介質特性等。Cr-Mo鋼的選用一般基于下述兩種原因。一是介質中不含氫氣，但設計溫度高，這時若選用碳素鋼或其他低合金鋼及高合金鋼，其許用應力低，殼體設計厚度偏厚。二是介質中含有氫氣，這類設備往往設計溫度和設計壓力均較高，這時若選用奧氏體不銹鋼，其許用應力低，殼體設計厚度很厚，制造難度大且材料費用高。基于以上兩種情況，若選用Cr-Mo鋼，則殼體設計厚度減小，設備總質量相應減小，可大大減少設備費用。

對于容器中介質不含氫氣，但設計壓力大或設計溫度高的情況，板材一般選用15CrMoR，管材和鍛件一般選用15CrMo。

對于設計溫度大于等于200℃的臨氫容器設備，首先應計算出氫分壓，然后對照API RP941標準中的《鋼在氫環境中的操作極限》圖表（Nelson曲線）正確選用Cr-Mo鋼材[1]。

3 強度計算

強度計算主要包括筒體、封頭、設備法蘭、筒體端部和平蓋等的強度計算或校核計算，以及開孔補強計算。由于《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《固容規》）的限制，國內使用的壓力容器大多按國內標準設計、制造。因此，若選用國內牌號材料，可直接用“SW6-2011過程設備強度計算軟件”（以下簡稱為“SW6-2011”）進行各受壓元件的強度計算或校核計算，材料在設計溫度下的許用應力可直接在SW6-2011計算軟件中生成。若選用國外牌號材料，可根據相關標準查出材料的Rm、Rs、ReLt等，并根據GB 150.1—2011中的表1計算得出材料在設計溫度下的許用應力、常溫下的許用應力，連同該材料其他參數，如標準抗拉強度、標準屈服強度、彈性模量、線性系數等，將這些參數輸入SW6-2011計算軟件中的用戶材料數據庫，然后用SW6-2011計算軟件進行各受壓元件的強度計算或校核計算[3]。

強度計算時，注意各受壓元件的焊接接頭系數可按GB 150.1—2011的規定選取，一般取1.0。

對于較厚而需熱成形的殼體，在確定其名義厚度時，應考慮成形減薄量，可適當增加厚度，以確保熱成形后的厚度大于設計厚度。

4 結構設計

4.1 焊接接頭

由于Cr-Mo鋼易產生裂紋，所以焊接接頭一般應采用全焊透形式；對于標準抗拉強度下限值Rm≥540 MPa的Cr-Mo鋼，必須采用全截面焊透的對接接頭形式[4]。

4.2 開孔補強結構

Cr-Mo鋼制壓力容器的開孔補強結構應采用整體補強，即通過增加殼體壁厚或用加強管補強，不得使用補強圈補強。

對于插入式接管，當Cr-Mo鋼材的標準抗拉強度下限值Rm≥540 MPa時，接管內徑邊角處應倒圓，圓角半徑一般取δnt/4（δnt為接管壁厚）或19 mm兩者中的較小值。

4.3 局部結構

GB 150.4—2011規定，任意厚度的Cr-Mo鋼，均應進行焊后熱處理。對于一些不便于焊后熱處理的部件，例如一些高溫換熱器，其管板使用Cr-Mo鋼鍛件，而換熱管及與管板焊接的小接管使用不銹鋼，可在管板管頭側及小接管與管板焊接部位預先堆焊不銹鋼（分過渡層及耐蝕層），并在堆焊過渡層后進行熱處理，管板與換熱管及小接管焊完后就可不再進行熱處理了。其他類似的問題也可參考這樣處理。這樣，既解決了Cr-Mo鋼與不銹鋼的焊接問題，又解決了Cr-Mo鋼的焊后熱處理問題。

5 技術要求

除了一般技術要求外，Cr-Mo鋼制壓力容器的制造還應增加一些附加要求，主要歸納如下。

5.1 材料要求

Cr-Mo鋼制壓力容器的設計對材料有下述一些要求：在設計技術要求中，應注明Cr-Mo鋼主材所應符合的標準號，并注明其使用的熱處理狀態為正火+回火。金相組織中應至少含90%以上的貝氏體組織。由于Cr-Mo鋼制壓力容器的設計溫度較高，所以一般還需注明設計溫度下的屈服強度ReLt。有特殊要求的，還應注明材料在正火+回火熱處理后的力學性能，如室溫抗拉強度Rm、室溫屈服強度ReL、室溫延伸率A、室溫斷面收縮率Z、常溫或低溫（一般是容器使用環境溫度低于0℃）夏比（V形缺口）沖擊功值和180°冷彎試驗要求等。對于1.25Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo鋼材料用于高溫臨氫設備，還須提出材料回火脆化傾向評定（即模擬焊后熱處理及步冷試驗）要求。

對于板材厚度大于25 mm的殼體或業主有附加要求的殼體，應注明殼體材料需逐張進行超聲檢測，按JB/T 4730—2005規定的Ⅱ級驗收合格。

有特殊要求的，技術要求中還應注明材料化學成分中的P、S含量及其他微量元素的限制含量。

5.2 無損檢測要求

所有Cr-Mo鋼焊接坡口表面及所有需要堆焊的Cr-Mo鋼表面，焊接前或堆焊前應進行磁粉或滲透檢測。所有A、B類焊接接頭應進行100%射線檢測，按JB/T 4730—2005規定的Ⅱ級驗收合格。所有C、D類焊接接頭應進行100%磁粉或滲透檢測，按JB/T 4730—2005規定的Ⅰ級驗收合格。如果需要，D類焊接接頭在熱處理前還應進行100%超聲檢測，水壓試驗后再進行100%磁粉或滲透檢測，均按JB/T 4730—2005規定的Ⅰ級驗收合格。各設備附件如保溫支撐、吊耳墊板、支耳（座）墊板等，與殼體的焊接接頭，應進行100%磁粉檢測，按JB/T 4730—2005規定的Ⅰ級驗收合格。臨時附件及表面補焊處也應進行100%磁粉檢測，按JB/T 4730—2005規定的Ⅰ級驗收合格[5]。

5.3 熱處理要求

所有的Cr-Mo鋼制壓力容器均需進行焊后熱處理，采用整體熱處理還是分段熱處理應根據設備的長度來定。對于一些不便于熱處理的部件，可按本文第4.3條的方法處理。

至于制造過程中焊前預熱及焊后進行的中間熱處理，如局部焊后熱處理或消氫處理要求，這屬于制造工藝范疇，技術要求可不另外注明。

6 材料采購說明書的編寫

對于中國的Cr-Mo鋼材料，目前大多使用的板材為15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R等，標準為GB 713-2014，鍛件標準NB/T 47008—2010、管材標準GB 9948—2013或GB 6479—2013中所列材料的使用也較普遍。如果在壓力容器設計中對這些材料的要求不是很苛刻，這些材料的采購一般不需編寫材料采購說明書，只需提出一些常規的附加要求（如板材表面的超聲檢測、鍛件級別以及高溫力學性能）給材料采購部門即可，否則應根據需要增加相應的附加要求。

對于國外的Cr-Mo鋼材料，由于使用這些材料的壓力容器對材料的要求較苛刻（主要是1.25Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo），需要提供完整的材料采購說明書給材料采購部門進行材料采購。以下對使用較多的美國ASME材料中1.25Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo鋼的材料采購說明書編寫要點作一較詳細的闡述。

6.1 寫明材料所應符合的通用標準

應當寫明材料所應符合的通用標準，如板材應符合ASME標準SA387/SA387M《壓力容器用鉻-鉬合金鋼板》的要求，鍛件應符合SA182/SA182M《高溫用鍛制或軋制合金鋼和不銹鋼公稱管道法蘭、鍛制管配件、閥門和零件》的要求等[6]。有的業主還有其企業自己的工程標準，因此采購材料時還應注明材料所需符合的工程標準。

6.2 冶煉方法及晶粒度要求

1.25 Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo鋼應采用由電爐或氧氣轉爐冶煉、精煉爐精煉、真空脫氣工藝生產的細晶粒鋼。對于用實心鋼錠鍛造的鍛件，主截面部分的鍛造比不得小于3.5。

6.3 列出材料所應符合的化學成分表

要列出材料所應符合的化學成分表，包括產品分析和熔煉分析。在設備制造過程中，材料中的Si、Mn、P、Sn元素經多次中間熱處理后會使材料具有較強的回火脆化傾向，所以應對這些元素通過控制材料的回火脆性敏感性系數J來加以限制。在材料采購說明書中應注明J值。

式（1）中各元素符號以質量百分含量代入（各標準不同）。

通常P+Sn≤0.012。

Sb、Sn、As屬低熔點金屬，在設備制造過程中經多次中間熱處理后這些元素會在晶粒間析出，也會使材料脆化，所以對于這些元素也要通過控制焊縫金屬的回火脆性敏感性系數X來加以限制。在材料采購說明書中也應注明X值。

式（2）中各元素符號以質量百分含量代入（各標準不同）。

此外，還應限制S含量小于0.010%。

6.4 力學性能和回火脆化傾向評定[7]

材料采購說明書所列材料的力學性能要與設計技術要求中的一致。材料采購說明書中應注明進行力學性能試驗的試樣的切取位置、試驗項目、執行標準、試驗部位和試樣數量以及試樣熱處理條件，一般采用列表表示。

材料回火脆化傾向評定采用分步冷卻（即SC法，其處理程序如圖1所示）前后轉變溫度增加值ΔVTr54（見圖2所示）的方法。該方法可用來衡量鋼材及焊縫金屬脆化傾向的程度，此值越大，意味著脆化傾向越明顯。鋼材使用若干年后，預計的轉變溫度如式（3）所示，其中x系數是調整短期加速脆化和長期等溫脆化之間的差別，y值是鋼材脆化后轉變溫度的控制值。

式中VTr54——經Min.PWHT后的夏比V沖擊功為54 J時的轉變溫度，見圖2中曲線A；

ΔVTr54——經Min.PWHT+SC（分步冷卻）脆化熱處理后（曲線B）的夏比V沖擊功為54 J時相應曲線A的轉變溫度增量，見圖2所示；

Min.PWHT——最小程度熱處理，指設備在制造過程中可能經受的最小程度的焊后熱處理。

圖1 分步冷卻脆化處理程序

圖2 沖擊功與試驗溫度的關系曲線

目前，國內外工程公司對2.25Cr-1Mo鋼回火脆化后轉變溫度的要求也趨于接近，通常要求VTr54+2.5ΔVTr54≤10℃。

圖2中曲線A、B通常各由八個試驗溫度點組成，一般取-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-30℃、-10℃、0℃和20℃。每一個試驗溫度下各取三個夏比沖擊試樣，共計48個試樣進行沖擊試驗。曲線A、B應平滑完整，并應有上下平臺值。

模擬焊后熱處理分為可能達到的最大程度熱處理Max.PWHT和最小程度熱處理Min.PWHT。最大程度熱處理包括奧氏體化和回火，所有高于482℃的中間熱處理，一次制造返修后的焊后熱處理，最終焊后熱處理以及至少一次額外地留給用戶將來使用的焊后熱處理。通常地，1.25Cr-0.5Mo材料定為675±14℃×200-2h，2.25Cr-1Mo材料定為690±5℃×260+2h。最小程度熱處理包括奧氏體化和回火，所有高于482℃的中間熱處理，最終焊后熱處理。通常地，1.25Cr-0.5Mo材料熱處理定為675±14℃× 6 h，2.25Cr-1Mo材料熱處理定為690±5℃×80-2h。6.5無損檢測

材料采購說明書中應注明材料的無損檢測方法、標準及合格級別。

6.6 表面質量及標記

注明板材或管材表面質量應符合的標準。

6.7 材料規格及用量

板材的寬度應根據殼體的總長及卷板機的能力而定，盡量提高板材的利用率。此外，板材的總量還應考慮材料復驗以及設備在制造過程中進行各項試驗所需的用量。

6.8 其他問題

需要強調的一點是，Cr-Mo鋼制壓力容器受壓元件采用國外材料還應符合《固容規》2009修訂版第2.9條的要求。其中材料的技術要求一般不得低于國內相應材料的技術要求，如鋼板的P、S含量（熔煉分析）分別不應大于0.030%和0.020%，C含量不應大于0.25%等[4]。

應該說明的是，Cr-Mo鋼制壓力容器在各方面的要求應根據介質特性及所選材料的不同而不同，不能千篇一律，否則會造成不必要的浪費。

7 結束語

（1）Cr-Mo鋼制壓力容器的選材應根據壓力容器的設計壓力、設計溫度、介質特性等選用，對于高溫臨氫容器設備，應對照API的Nelson曲線正確選用Cr-Mo鋼材。

（2）Cr-Mo鋼制壓力容器應按GB 150.1的規定確定Cr-Mo鋼材料的許用應力及焊接接頭系數。

（3）Cr-Mo鋼制壓力容器在結構設計時應注意與其他材料的不同點。

（4）Cr-Mo鋼制壓力容器在材料、無損檢測及熱處理等方面有附加要求。

（5）Cr-Mo鋼制壓力容器材料的材料采購說明書應根據材料類別合理地提出附加要求。

[1]葉文邦，黃正林，曹文輝.壓力容器設計指導手冊[M].北京：全國化工設備設計技術中心，2012.

[2]李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[3]中國國家標準化管理委員會.GB 150.1～GB 150.4—2011壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2012.

[4]國家質量監督檢驗檢疫總局.TSG R0004—2009固定式壓力容器安全技術監察規程[S].北京：新華出版社，2010.

[5]中國石化集團洛陽石化工程公司.鉻鉬鋼壓力容器制造及驗收工程技術條件[S].2011版.洛陽：中國石化集團洛陽石化工程公司，2011.

[6]ASME鍋爐及壓力容器委員會.ASME鍋爐及壓力容器規范：第Ⅱ卷A篇鐵基材料[S].2013版.北京：中國石化出版社，2013.

[7]李平瑾，徐道榮.鍋爐壓力容器焊接技術及焊工問答[M].北京：機械工業出版社，2004.

上海石化碳纖維齒輪工業化試用獲成功

2016年3月，上海石化使用自產碳纖維制成的復合材料齒輪，在該公司腈綸南裝置完成了為期一年的工業化應用試用。試用結果顯示，該齒輪性能優異，在綠色環保、節能減排、循環使用等方面都有著出色的表現。

參與此次試用任務的碳纖維齒輪共有5組10個，均由上海石化自產碳纖維經注塑、模壓成型后制成，具有高強度、高精度、耐高溫等優點。這些碳纖維齒輪大小不一，從“克”級直徑為3.5 cm，到“公斤”級直徑達20 cm。

據介紹，碳纖維復合材料齒輪具有自潤性，使用過程中無需加入潤滑油，因此腈綸南裝置可減少污水量近萬噸，大幅削減COD(化學需氧量)排放。同時，碳纖維比重不及鑄鐵的六分之一，制作的齒輪代替鑄鐵齒輪，可有效減少設備的運行負荷，促進節能。此外，使用碳纖維制成的碳尼齒輪，使用期間磨損產生的粉末，回收后經過處理，還可作為原材料繼續制作齒輪，實現循環利用，減少固廢產生。據了解，碳纖維復合材料齒輪憑借其誘人的潛能，已經吸引了風力發電、化工等齒輪應用行業的重點關注，許多企業、裝置也有意全面投用碳纖維復合材料齒輪，并為碳醚等復合材料齒輪的應用打基礎，進一步推進碳纖維的后加工應用技術研究和產業化應用。上海石化通過一年的工業化試用，也為接下來的推廣使用積累了豐富的理論依據和實踐基礎。（求實）

Design of Cr-Mo Steel Pressure Vessel

Gao Yalong

The characteristics of the Cr-Mo steel are introduced,meanwhile,the material selection,the strength calculation,the structure design,the technical requirements as well as the preparation of material purchasing specification during the design of the Cr-Mo steel pressure vessel are elaborated.

Cr-Mo steel;Material characteristics;Strength calculation;Structure design;Technical requirement;Material purchasing

TQ 050.2

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.08.011

2015-12-15)

*高亞龍，男，1976年生，工程師。南京市，210023。