Cr-Mo钢制压力容器的设计

高亚龙

（南京中建化工设备制造有限公司)

Cr-Mo钢制压力容器的设计

高亚龙*

（南京中建化工设备制造有限公司)

介绍了Cr-Mo钢材的特性，阐述了Cr-Mo钢制压力容器设计时在选材、强度计算、结构设计、技术要求以及材料采购说明书编写等方面应注意的问题。

Cr-Mo钢 材料特性 强度计算 结构设计 技术要求 材料采购

0 概述

Cr-Mo钢是压力容器常用的钢种之一，广泛应用于煤化工、化肥、炼油和化工等行业的各类反应器中，特别是应用于加氢装置和重整装置上的高温高压临氢设备中。Cr-Mo钢具有优异的抗氢腐蚀性能和良好的高温强度，是高温高压容器壳体和封头的首选材料。

1 Cr-Mo钢的主要特性[1]

Cr-Mo钢材具有很好的抗氢腐蚀性能和耐高温氧化性能，从而在高温高压临氢环境中得到了广泛应用。但部分Cr-Mo钢长期在370～595℃温度范围内操作会产生冲击韧性下降、韧脆转变温度升高的现象，即所谓的回火脆性，因而易产生裂纹、不易成形等问题。因此，Cr-Mo钢制压力容器的设计除了要符合常规要求外，更需要注意在选材、强度计算、结构设计、技术要求及材料采购等方面的特殊要求，以确保Cr-Mo钢制压力容器的制造质量和安全使用。

1.1 耐热性

金属材料抵抗高温氧化的能力，称为耐热性或抗氧化性。耐热钢要求钢材在中、高温条件下金相组织稳定，否则就可能产生石墨化现象，金属材料的脆性会急剧增大。此外，耐热钢还要求钢材具有较高的高温持久强度和蠕变极限。而热稳定性好、含有强碳化物形成元素Cr、Mo、V的Cr-Mo钢，可提高渗碳体的分解温度，阻止石墨化的发生，从而提高钢材的高温持久强度和蠕变极限。

1.2 抗氢腐蚀性

在炼化装置中，有些设备承受一定的温度和压力，并在临氢介质工况下运行。因此，当容器壁温高于200℃且氢分压较高时，就应考虑氢对钢材的损伤。氢损伤一般表现为钢材表面或内部脱碳以及氢腐蚀开裂。高温高压下，氢进入金属内部与钢中一种组分或元素产生化学反应，从而导致金属破坏的现象称为氢腐蚀。为了防止氢腐蚀，在钢中加入Cr、Mo以形成稳定碳化物，避免或减少甲烷的产生，从而提高抗氢性能。

1.3 回火脆性[2]

回火脆性是指钢材在某一温度范围内操作而产生冲击韧性下降（或韧脆转变温度升高）的现象。Cr-Mo钢回火脆性的特性如下：

（1）Cr-Mo钢回火脆性发生在370～595℃的温度范围内。接近这个温度范围的上限时，脆化速度高；接近这个温度下限时，脆化速度缓慢。

（2）脆化材料和非脆化材料的差别，仅表现在缺口冲击韧性和韧脆转变温度的不同，而拉伸性能无明显差别。回火脆化的程度一般可用韧脆转变温度的升高来表示。

（3）大量实验表明，在压力容器常用的Cr-Mo钢中，含Cr量为2%～3%的Cr-Mo钢回火脆化倾向最严重。

（4）在P、Sb、Sn、As微量不纯元素含量高的情况下，脆化倾向特别显著，Si和Mn对脆化具有促进作用。

2 选材

选材必须考虑设备的操作条件，如设计压力、设计温度、介质特性等。Cr-Mo钢的选用一般基于下述两种原因。一是介质中不含氢气，但设计温度高，这时若选用碳素钢或其他低合金钢及高合金钢，其许用应力低，壳体设计厚度偏厚。二是介质中含有氢气，这类设备往往设计温度和设计压力均较高，这时若选用奥氏体不锈钢，其许用应力低，壳体设计厚度很厚，制造难度大且材料费用高。基于以上两种情况，若选用Cr-Mo钢，则壳体设计厚度减小，设备总质量相应减小，可大大减少设备费用。

对于容器中介质不含氢气，但设计压力大或设计温度高的情况，板材一般选用15CrMoR，管材和锻件一般选用15CrMo。

对于设计温度大于等于200℃的临氢容器设备，首先应计算出氢分压，然后对照API RP941标准中的《钢在氢环境中的操作极限》图表（Nelson曲线）正确选用Cr-Mo钢材[1]。

3 强度计算

强度计算主要包括筒体、封头、设备法兰、筒体端部和平盖等的强度计算或校核计算，以及开孔补强计算。由于《固定式压力容器安全技术监察规程》（以下简称《固容规》）的限制，国内使用的压力容器大多按国内标准设计、制造。因此，若选用国内牌号材料，可直接用“SW6-2011过程设备强度计算软件”（以下简称为“SW6-2011”）进行各受压元件的强度计算或校核计算，材料在设计温度下的许用应力可直接在SW6-2011计算软件中生成。若选用国外牌号材料，可根据相关标准查出材料的Rm、Rs、ReLt等，并根据GB 150.1—2011中的表1计算得出材料在设计温度下的许用应力、常温下的许用应力，连同该材料其他参数，如标准抗拉强度、标准屈服强度、弹性模量、线性系数等，将这些参数输入SW6-2011计算软件中的用户材料数据库，然后用SW6-2011计算软件进行各受压元件的强度计算或校核计算[3]。

强度计算时，注意各受压元件的焊接接头系数可按GB 150.1—2011的规定选取，一般取1.0。

对于较厚而需热成形的壳体，在确定其名义厚度时，应考虑成形减薄量，可适当增加厚度，以确保热成形后的厚度大于设计厚度。

4 结构设计

4.1 焊接接头

由于Cr-Mo钢易产生裂纹，所以焊接接头一般应采用全焊透形式；对于标准抗拉强度下限值Rm≥540 MPa的Cr-Mo钢，必须采用全截面焊透的对接接头形式[4]。

4.2 开孔补强结构

Cr-Mo钢制压力容器的开孔补强结构应采用整体补强，即通过增加壳体壁厚或用加强管补强，不得使用补强圈补强。

对于插入式接管，当Cr-Mo钢材的标准抗拉强度下限值Rm≥540 MPa时，接管内径边角处应倒圆，圆角半径一般取δnt/4（δnt为接管壁厚）或19 mm两者中的较小值。

4.3 局部结构

GB 150.4—2011规定，任意厚度的Cr-Mo钢，均应进行焊后热处理。对于一些不便于焊后热处理的部件，例如一些高温换热器，其管板使用Cr-Mo钢锻件，而换热管及与管板焊接的小接管使用不锈钢，可在管板管头侧及小接管与管板焊接部位预先堆焊不锈钢（分过渡层及耐蚀层），并在堆焊过渡层后进行热处理，管板与换热管及小接管焊完后就可不再进行热处理了。其他类似的问题也可参考这样处理。这样，既解决了Cr-Mo钢与不锈钢的焊接问题，又解决了Cr-Mo钢的焊后热处理问题。

5 技术要求

除了一般技术要求外，Cr-Mo钢制压力容器的制造还应增加一些附加要求，主要归纳如下。

5.1 材料要求

Cr-Mo钢制压力容器的设计对材料有下述一些要求：在设计技术要求中，应注明Cr-Mo钢主材所应符合的标准号，并注明其使用的热处理状态为正火+回火。金相组织中应至少含90%以上的贝氏体组织。由于Cr-Mo钢制压力容器的设计温度较高，所以一般还需注明设计温度下的屈服强度ReLt。有特殊要求的，还应注明材料在正火+回火热处理后的力学性能，如室温抗拉强度Rm、室温屈服强度ReL、室温延伸率A、室温断面收缩率Z、常温或低温（一般是容器使用环境温度低于0℃）夏比（V形缺口）冲击功值和180°冷弯试验要求等。对于1.25Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo钢材料用于高温临氢设备，还须提出材料回火脆化倾向评定（即模拟焊后热处理及步冷试验）要求。

对于板材厚度大于25 mm的壳体或业主有附加要求的壳体，应注明壳体材料需逐张进行超声检测，按JB/T 4730—2005规定的Ⅱ级验收合格。

有特殊要求的，技术要求中还应注明材料化学成分中的P、S含量及其他微量元素的限制含量。

5.2 无损检测要求

所有Cr-Mo钢焊接坡口表面及所有需要堆焊的Cr-Mo钢表面，焊接前或堆焊前应进行磁粉或渗透检测。所有A、B类焊接接头应进行100%射线检测，按JB/T 4730—2005规定的Ⅱ级验收合格。所有C、D类焊接接头应进行100%磁粉或渗透检测，按JB/T 4730—2005规定的Ⅰ级验收合格。如果需要，D类焊接接头在热处理前还应进行100%超声检测，水压试验后再进行100%磁粉或渗透检测，均按JB/T 4730—2005规定的Ⅰ级验收合格。各设备附件如保温支撑、吊耳垫板、支耳（座）垫板等，与壳体的焊接接头，应进行100%磁粉检测，按JB/T 4730—2005规定的Ⅰ级验收合格。临时附件及表面补焊处也应进行100%磁粉检测，按JB/T 4730—2005规定的Ⅰ级验收合格[5]。

5.3 热处理要求

所有的Cr-Mo钢制压力容器均需进行焊后热处理，采用整体热处理还是分段热处理应根据设备的长度来定。对于一些不便于热处理的部件，可按本文第4.3条的方法处理。

至于制造过程中焊前预热及焊后进行的中间热处理，如局部焊后热处理或消氢处理要求，这属于制造工艺范畴，技术要求可不另外注明。

6 材料采购说明书的编写

对于中国的Cr-Mo钢材料，目前大多使用的板材为15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R等，标准为GB 713-2014，锻件标准NB/T 47008—2010、管材标准GB 9948—2013或GB 6479—2013中所列材料的使用也较普遍。如果在压力容器设计中对这些材料的要求不是很苛刻，这些材料的采购一般不需编写材料采购说明书，只需提出一些常规的附加要求（如板材表面的超声检测、锻件级别以及高温力学性能）给材料采购部门即可，否则应根据需要增加相应的附加要求。

对于国外的Cr-Mo钢材料，由于使用这些材料的压力容器对材料的要求较苛刻（主要是1.25Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo），需要提供完整的材料采购说明书给材料采购部门进行材料采购。以下对使用较多的美国ASME材料中1.25Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo钢的材料采购说明书编写要点作一较详细的阐述。

6.1 写明材料所应符合的通用标准

应当写明材料所应符合的通用标准，如板材应符合ASME标准SA387/SA387M《压力容器用铬-钼合金钢板》的要求，锻件应符合SA182/SA182M《高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢公称管道法兰、锻制管配件、阀门和零件》的要求等[6]。有的业主还有其企业自己的工程标准，因此采购材料时还应注明材料所需符合的工程标准。

6.2 冶炼方法及晶粒度要求

1.25 Cr-0.5Mo及2.25Cr-1Mo钢应采用由电炉或氧气转炉冶炼、精炼炉精炼、真空脱气工艺生产的细晶粒钢。对于用实心钢锭锻造的锻件，主截面部分的锻造比不得小于3.5。

6.3 列出材料所应符合的化学成分表

要列出材料所应符合的化学成分表，包括产品分析和熔炼分析。在设备制造过程中，材料中的Si、Mn、P、Sn元素经多次中间热处理后会使材料具有较强的回火脆化倾向，所以应对这些元素通过控制材料的回火脆性敏感性系数J来加以限制。在材料采购说明书中应注明J值。

式（1）中各元素符号以质量百分含量代入（各标准不同）。

通常P+Sn≤0.012。

Sb、Sn、As属低熔点金属，在设备制造过程中经多次中间热处理后这些元素会在晶粒间析出，也会使材料脆化，所以对于这些元素也要通过控制焊缝金属的回火脆性敏感性系数X来加以限制。在材料采购说明书中也应注明X值。

式（2）中各元素符号以质量百分含量代入（各标准不同）。

此外，还应限制S含量小于0.010%。

6.4 力学性能和回火脆化倾向评定[7]

材料采购说明书所列材料的力学性能要与设计技术要求中的一致。材料采购说明书中应注明进行力学性能试验的试样的切取位置、试验项目、执行标准、试验部位和试样数量以及试样热处理条件，一般采用列表表示。

材料回火脆化倾向评定采用分步冷却（即SC法，其处理程序如图1所示）前后转变温度增加值ΔVTr54（见图2所示）的方法。该方法可用来衡量钢材及焊缝金属脆化倾向的程度，此值越大，意味着脆化倾向越明显。钢材使用若干年后，预计的转变温度如式（3）所示，其中x系数是调整短期加速脆化和长期等温脆化之间的差别，y值是钢材脆化后转变温度的控制值。

式中VTr54——经Min.PWHT后的夏比V冲击功为54 J时的转变温度，见图2中曲线A；

ΔVTr54——经Min.PWHT+SC（分步冷却）脆化热处理后（曲线B）的夏比V冲击功为54 J时相应曲线A的转变温度增量，见图2所示；

Min.PWHT——最小程度热处理，指设备在制造过程中可能经受的最小程度的焊后热处理。

图1 分步冷却脆化处理程序

图2 冲击功与试验温度的关系曲线

目前，国内外工程公司对2.25Cr-1Mo钢回火脆化后转变温度的要求也趋于接近，通常要求VTr54+2.5ΔVTr54≤10℃。

图2中曲线A、B通常各由八个试验温度点组成，一般取-100℃、-80℃、-60℃、-40℃、-30℃、-10℃、0℃和20℃。每一个试验温度下各取三个夏比冲击试样，共计48个试样进行冲击试验。曲线A、B应平滑完整，并应有上下平台值。

模拟焊后热处理分为可能达到的最大程度热处理Max.PWHT和最小程度热处理Min.PWHT。最大程度热处理包括奥氏体化和回火，所有高于482℃的中间热处理，一次制造返修后的焊后热处理，最终焊后热处理以及至少一次额外地留给用户将来使用的焊后热处理。通常地，1.25Cr-0.5Mo材料定为675±14℃×200-2h，2.25Cr-1Mo材料定为690±5℃×260+2h。最小程度热处理包括奥氏体化和回火，所有高于482℃的中间热处理，最终焊后热处理。通常地，1.25Cr-0.5Mo材料热处理定为675±14℃× 6 h，2.25Cr-1Mo材料热处理定为690±5℃×80-2h。6.5无损检测

材料采购说明书中应注明材料的无损检测方法、标准及合格级别。

6.6 表面质量及标记

注明板材或管材表面质量应符合的标准。

6.7 材料规格及用量

板材的宽度应根据壳体的总长及卷板机的能力而定，尽量提高板材的利用率。此外，板材的总量还应考虑材料复验以及设备在制造过程中进行各项试验所需的用量。

6.8 其他问题

需要强调的一点是，Cr-Mo钢制压力容器受压元件采用国外材料还应符合《固容规》2009修订版第2.9条的要求。其中材料的技术要求一般不得低于国内相应材料的技术要求，如钢板的P、S含量（熔炼分析）分别不应大于0.030%和0.020%，C含量不应大于0.25%等[4]。

应该说明的是，Cr-Mo钢制压力容器在各方面的要求应根据介质特性及所选材料的不同而不同，不能千篇一律，否则会造成不必要的浪费。

7 结束语

（1）Cr-Mo钢制压力容器的选材应根据压力容器的设计压力、设计温度、介质特性等选用，对于高温临氢容器设备，应对照API的Nelson曲线正确选用Cr-Mo钢材。

（2）Cr-Mo钢制压力容器应按GB 150.1的规定确定Cr-Mo钢材料的许用应力及焊接接头系数。

（3）Cr-Mo钢制压力容器在结构设计时应注意与其他材料的不同点。

（4）Cr-Mo钢制压力容器在材料、无损检测及热处理等方面有附加要求。

（5）Cr-Mo钢制压力容器材料的材料采购说明书应根据材料类别合理地提出附加要求。

[1]叶文邦，黄正林，曹文辉.压力容器设计指导手册[M].北京：全国化工设备设计技术中心，2012.

[2]李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB 150.1～GB 150.4—2011压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4]国家质量监督检验检疫总局.TSG R0004—2009固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2010.

[5]中国石化集团洛阳石化工程公司.铬钼钢压力容器制造及验收工程技术条件[S].2011版.洛阳：中国石化集团洛阳石化工程公司，2011.

[6]ASME锅炉及压力容器委员会.ASME锅炉及压力容器规范：第Ⅱ卷A篇铁基材料[S].2013版.北京：中国石化出版社，2013.

[7]李平瑾，徐道荣.锅炉压力容器焊接技术及焊工问答[M].北京：机械工业出版社，2004.

上海石化碳纤维齿轮工业化试用获成功

2016年3月，上海石化使用自产碳纤维制成的复合材料齿轮，在该公司腈纶南装置完成了为期一年的工业化应用试用。试用结果显示，该齿轮性能优异，在绿色环保、节能减排、循环使用等方面都有着出色的表现。

参与此次试用任务的碳纤维齿轮共有5组10个，均由上海石化自产碳纤维经注塑、模压成型后制成，具有高强度、高精度、耐高温等优点。这些碳纤维齿轮大小不一，从“克”级直径为3.5 cm，到“公斤”级直径达20 cm。

据介绍，碳纤维复合材料齿轮具有自润性，使用过程中无需加入润滑油，因此腈纶南装置可减少污水量近万吨，大幅削减COD(化学需氧量)排放。同时，碳纤维比重不及铸铁的六分之一，制作的齿轮代替铸铁齿轮，可有效减少设备的运行负荷，促进节能。此外，使用碳纤维制成的碳尼齿轮，使用期间磨损产生的粉末，回收后经过处理，还可作为原材料继续制作齿轮，实现循环利用，减少固废产生。据了解，碳纤维复合材料齿轮凭借其诱人的潜能，已经吸引了风力发电、化工等齿轮应用行业的重点关注，许多企业、装置也有意全面投用碳纤维复合材料齿轮，并为碳醚等复合材料齿轮的应用打基础，进一步推进碳纤维的后加工应用技术研究和产业化应用。上海石化通过一年的工业化试用，也为接下来的推广使用积累了丰富的理论依据和实践基础。（求实）

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)

*高亚龙，男，1976年生，工程师。南京市，210023。