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《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG 21-2016) 第2章 材料
日期:2020年9月17日 浏览[35]

《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG 21-2016) 

2   材  料

 

2.1   材料通用要求

2.1.1  基本要求

1)   压力容器的选材应当考虑材料的力学性能、物理性能、工艺性能和与介质的相容性;

2)   压力容器材料的性能、质量、规格与标志,应当符合相应材料的国家标准或者行业标准的规定;

3)   压力容器材料制造单位应当在材料的明显部位作出清晰、牢固的出厂钢印标志或者采用其他可以追溯的标志;

4)   压力容器材料制造单位应当向材料使用单位提供质量证明书,材料质量证明书的内容应当齐全、清晰并且印制可以追溯的信息化标识,加盖材料制造单位质量检验章;

5)   压力容器制造、改造、修理单位从非材料制造单位取得压力容器材料时,应当取得材料制造单位提供的质量证明书原件或者加盖了材料经营单位公章和经办负责人签字(章)的复印件;

6)   压力容器制造、改造、修理单位应当对所取得的压力容器材料及材料质量证明书的真实性和一致性负责;

7)   非金属压力容器制造单位应当有可靠的方法确定原材料或者压力容器成型后的材质在腐蚀环境下使用的可靠性,必要时进行试验验证。

2.1.2  境外牌号材料的使用

2.1.2.1境外材料制造单位制造的材料

1)   境外牌号材料应当是境外压力容器现行标准规范允许使用并且境外已有在相似工作条件下使用实例的材料,其使用范围应当符合相应标准规范的规定;

2)   境外牌号材料的性能不得低于本规程的基本要求(如磷、硫含量,冲击试样的取样部位、取样方向和冲击吸收能量指标,断后伸长率等);

3)   材料质量证明书应当满足本规程 2.1.1 的规定;

4)   压力容器制造、改造、修理单位应当对实物材料与材料质量证明书进行审查,并且对主要受压元件材料的化学成分和力学性能进行验证性复验,复验结果实测值符合本规程以及相应材料标准的要求后,方可投料使用;

5)   用于焊接结构压力容器受压元件的材料,压力容器制造、改造、修理单位在首次使用前,应当掌握材料的焊接性能并且进行焊接工艺评定;

6)   主要受压元件采用未列入本规程协调标准的标准抗拉强度下限值大于

7)   540MPa 的低合金钢,或者用于设计温度低于-40℃的低合金钢,材料制造单位应当按照本规程 1.9 的规定通过新材料技术评审,方可允许使用。

2.1.2.2境内材料制造单位制造的钢板(带)

境内材料制造单位制造的境外牌号钢板(带),应当符合本规程 2.1.2.1 的各项要求,并且应当制定企业标准。

2.1.2.3境外牌号材料的选用

设计单位若选用境外牌号的材料,在设计文件中应当注明其满足 2.1.2.1 中的各项要求。

2.1.3新材料的使用

2.1.3.1未列入本规程协调标准的材料

主要受压元件采用未列入本规程协调标准的材料,试制前材料的研制单位应当进行系统的试验研究工作,并且按照本规程 1.9 的规定通过新材料技术评审。

2.1.3.2材料制造单位首次制造的钢材

材料制造单位首次制造用于压力容器的标准抗拉强度下限值大于 540MPa 的低合金钢,或者用于压力容器设计温度低于-40℃的低合金钢,应当按照本规程 1.9 的规定通过新材料技术评审。

2.1.4  材料投用和标志移植

(1)压力容器制造、改造、修理单位应当保证所使用的压力容器材料符合本规程的要求,并且在材料进货检验时审查材料质量证明书和材料标志;对不能确定质量证明书的真实性或者对性能、化学成分有怀疑的主要受压元件材料,应当进行复验,确认符合本规程及相应材料标准的要求后,方可投料使用;

(2)对于外购的第Ⅲ类压力容器用Ⅳ级锻件,应当进行复验;

(3)用于压力容器受压元件的材料在分割前应当进行标志移植,保证材料具有可追溯性。

2.1.5材料代用

压力容器制造、改造、修理单位对受压元件的材料代用,应当事先取得原设计单位的书面批准,并且在竣工图上做详细记录。

2.2   金属材料技术要求

2.2.1钢材技术要求

2.2.1.1熔炼方法

压力容器受压元件用钢,应当是氧气转炉或者电炉冶炼的镇静钢。对标准抗拉强度下限值大于 540MPa 的低合金钢钢板和奥氏体-铁素体不锈钢钢板,以及用于设计温度低于-20℃的低温钢板和低温钢锻件,还应当采用炉外精炼工艺。

2.2.1.2化学成分(熔炼分析)

2.2.1.2.1  用于焊接的碳素钢和低合金钢

碳素钢和低合金钢钢材碳(C) 、磷(P) 、硫(S) 的含量, C ≤ 0.25 %、P ≤0.035%、S≤0.035%。

2.2.1.2.2  压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢

压力容器专用钢中的碳素钢和低合金钢(钢板、钢管和钢锻件),其磷、硫含量应当符合以下要求:

1)   (1) 标准抗拉强度下限值小于或者等于   540MPa   的钢材, P≤ 0.030 %、S≤0.020%;

2)   (2)标准抗拉强度下限值大于   540MPa   的钢材,P≤0.025%、S≤0.015%;

3)   (3)用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值小于或者等于 540MPa 的钢材,P≤0.025%、S≤0.012%;

4)   (4)用于设计温度低于-20℃并且标准抗拉强度下限值大于  540MPa  的钢材,P≤0.020%、S≤0.010%。

2.2.1.3力学性能

2.2.1.3.1  冲击吸收能量

厚度不小于 6mm 的钢板、直径和厚度可以制备宽度为 5mm 小尺寸冲击试样的钢管、任何尺寸的钢锻件,按照设计要求的冲击试验温度下的 V  型缺口试样冲击吸收能量( KV2 )指标应当符合表 2-1 的规定。

表 2-1 碳素钢和低合金钢(钢板、钢管和钢锻件)冲击吸收能量(注 2-1)

钢材标准抗拉强度下限值

Rm (MPa)

3 个标准试样冲击吸收能量平均值KV2 (J)

≤450

≥20

>450~510

≥24

>510~570

≥31

>570~630

≥34

>630~690

≥38(且侧膨胀值 LE≥0.53mm)

>690

≥47(且侧膨胀值 LE≥0.53mm)

注 2-1:

1)   试样取样部位和方向应当符合相应钢材标准的规定;

2)   冲击试验每组取 3 个标准试样(宽度为 10mm),允许 1 个试样的冲击吸收能量数值低于表列数值,但不得低于表列数值的 70%;

3)   当钢材尺寸无法制备标准试样时,则应当依次制备宽度为 7.5mm 和 5mm 的小尺寸冲击试样,其冲击吸收能量指标分别为标准试样冲击吸收能量指标的 75%和 50%;

4)   钢材标准中冲击吸收能量指标高于表 2-1 规定的钢材,还需要符合相应钢材标准的规定。

2.2.1.3.2  断后伸长率

1)   压力容器受压元件用钢板、钢管和钢锻件的断后伸长率( A )应当符合本规程以及相应钢材标准的规定;

2)   焊接结构用碳素钢、低合金高强度钢和低合金低温钢钢板,其断后伸长率指标应当符合表 2-2 的规定;

3)   (3)采用不同尺寸试样的断后伸长率指标,应当按照 GB/T 17600.1《钢的伸长率换算  第 1 部分:碳素钢和低合金钢》和 GB/T  17600.2《钢的伸长率换算   第 2 部分:奥氏体钢》进行换算,换算后的指标应当符合本条规定。

表 2-2 钢板断后伸长率指标(注 2-2)

钢板标准抗拉强度下限值Rm (MPa)

断后伸长率A (%)

≤420

≥23

>420~550

≥20

>550~680

≥17

>680

≥16

注 2-2:钢板标准中断后伸长率指标高于本表规定的,还应当符合相应钢板标准的规定。

2.2.1.4钢板超声检测

2.2.1.4.1  检测要求

厚度大于或者等于 12mm 的碳素钢和低合金钢钢板(不包括多层压力容器的层板) 用于制造压力容器主要受压元件时,凡符合下列条件之一的,应当逐张进行超声检测:

a)   盛装毒性危害程度为极度、高度危害介质的;

b)   在湿 H2S 腐蚀环境中使用的;

c)   设计压力大于或者等于 10MPa 的;

d)   产品标准或者设计者要求逐张进行超声检测的。

2.2.1.4.2  检测合格标准

钢板超声检测应当按照 NB/T 47013《承压设备无损检测》的规定进行。符合本规程 2.2.1.4.1 第(1)项至第(3)项的钢板,合格等级不低于Ⅱ级;符合本规程 2.2.1.4.1 第(4)项的钢板,合格等级按照相应产品标准或者设计文件的规定。

2.2.1.5超高压容器用钢专项要求

2.2.1.5.1  化学成分(熔炼分析)

超高压容器用钢锻件,应当经炉外精炼工艺冶炼并且经真空处理, P ≤0.012%、S≤ 0.005%,并且严格限定钢中氢(H) 、氧(O) 、氮(N) 气体含量及砷(As)、锡(Sn)、锑(Sb)、铅(Pb)、铋(Bi)等有害痕量元素的含量。

2.2.1.5.2  力学性能

超高压容器受压元件用钢锻件的制造单位,应当提供室温力学性能,包括屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率、夏比(V 型缺口)冲击吸收能量和侧膨胀值,以及设计温度下材料的屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收缩率。其中 KV2 ≥47J,LE≥0.53mm, 当 Rm ≤880MPa  时 , A ≥16%; 当 Rm >880MPa  时 , A≥14%。

当改变冶炼、锻造或者热处理工艺时,还应当提供锻件的断裂韧性( KIC )和韧脆转变温度(FATT50),其中 KIC ≥130MPam

2.2.1.6非焊接瓶式容器用钢专项要求(注 2-3)

2.2.1.6.1  瓶体用钢材

2.2.1.6.1.1冶炼和热处理

1)   瓶体用钢材应当采用电炉或者氧气转炉冶炼,加炉外精炼并且经过真空处理;

2)   瓶体在加工成型以后,进行调质(淬火+回火)热处理,热处理后的瓶体金相组织应当为回火索氏体。

2.2.1.6.1.2化学成分和力学性能

(1)盛装氢气、天然气和甲烷等压缩气体用瓶式容器,其瓶体用钢材化学成分,C≤0.35%、P≤0.015%、S≤0.008%;经热处理后瓶体力学性能, Rm ≤880MPa、屈强比( ReL    Rm  , ReL 为屈服强度)≤0.86、A≥20%; 设计要求的冲击试验温度下的KV2  ≥47J,LE≥0.53mm,横向取样;

(2)盛装本条第(1)项以外其他压缩气体用瓶式容器,其瓶体用钢材化学成分,P≤ 0.020%、S≤ 0.010%;经热处理后瓶体力学性能, Rm ≤ 1060MPa 、 ReL  Rm ≤0.90、A≥16%; 设计要求的冲击试验温度下的 KV2 ≥47J, LE≥0.53mm,横向取样。

2.2.1.6.1.3超声检测

瓶体用钢材应当按照 NB/T 47013 进行 100%超声检测,合格级别为Ⅰ级。

2.2.1.6.2  端塞用钢材

端塞用钢材应当与瓶体材料相匹配并且采用钢锻件,钢锻件应当符合  NB/T47008《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》、NB/T 47009《低温承压设备用低合金钢锻件》或者 NB/T 47010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》的规定。与介质接触并且公称直径大于或者等于 50mm 的钢锻件,不得低于Ⅲ级;其余锻件,不得低于Ⅱ 级。

2.2.1.7储气井用钢专项要求

2.2.1.7.1  井管和接箍用钢管 力学性能应当符合以下要求:

(1)当标准抗拉强度下限值  689MPa< Rm ≤750MPa  时, ReLRm    ≤0.90,断后伸长率     A≥18%,设计要求的冲击试验温度下的  KV2  ≥41J(横向取样,下同),LE≥0.53mm;

(2)当  750MPa< Rm ≤810MPa  时, ReL0.53mm;

(3)当  810MPa< Rm ≤870MPa  时, ReLRm ≤0.91、A≥17%、 KV2 ≥47J,LE≥Rm ≤0.93、A≥15%、 KV2 ≥54J,LE≥0.53mm。

2.2.1.7.2  井口装置与井底装置用钢材

储气井井口装置与井底装置的主要受压元件的材料,应当采用 Cr-Mo 钢锻件, 级别为Ⅲ级以上(包括Ⅲ级),符合 NB/T 47008 的要求。

2.2.1.8简单压力容器用钢专项要求

简单压力容器用碳素钢应当满足以下要求:

1)   供货状态为热轧或者正火的镇静钢;

2)   化学成分,C≤0.25%、S≤0.045%、P≤0.045%;

3)   室温下标准抗拉强度下限值小于 510MPa。

注 2-3:非焊接瓶式容器、储气井、简单压力容器的含义见附件 A。

2.2.2  复合钢板专项要求

压力容器用复合钢板应当按照产品标准的规定选用,并且符合以下要求:

a)   复合钢板复合界面的结合剪切强度,不锈钢-钢复合板不小于 210MPa,镍-钢复合板不小于 210MPa,钛-钢复合板不小于 140MPa,铜-钢复合板不小于 100MPa, 锆-钢复合板不小于 140MPa;

b)   复合钢板基层材料的使用状态符合产品标准的规定;

c)   碳素钢和低合金钢基层材料(包括钢板和钢锻件)按照基层材料标准的规定进行冲击试验,冲击吸收能量合格指标符合基层材料标准或者订货合同的规定。

2.2.3  铸铁容器技术要求

2.2.3.1铸铁材料的使用限制

铸铁不得用于制造盛装毒性危害程度为极度、高度或者中度危害介质,以及设计压力大于或者等于 0.15MPa 的易爆介质压力容器的受压元件,也不得用于制造管壳式余热锅炉的受压元件,不允许拼接、焊补。

压力容器允许选用以下铸铁材料:

(1)灰铸铁,牌号为 HT200、HT250、HT300 和 HT350;

(2)球墨铸铁,牌号为 QT350-22R、QT350-22L、QT400-18R 和 QT400-18L。

2.2.3.2铸铁容器设计压力、温度限制

(1)灰铸铁容器,设计压力不大于 0.8MPa,设计温度范围为 10℃~200℃;

(2)球墨铸铁容器,设计压力不大于 1.6MPa,QT350-22R 和 QT400-18R 的设计温度范围为 0℃~300℃,QT400-18L 的设计温度范围为-10℃~300℃,QT350-22L 的设计温度范围为-20℃~300℃。

2.2.4  铸钢容器技术要求

2.2.4.1铸钢材料的使用限制

铸钢不得用于制造盛装毒性危害程度为极度、高度或者中度危害介质,湿  H2S腐蚀环境,以及设计压力大于或者等于 0.4MPa 的易爆介质压力容器的受压元件。

2.2.4.2铸钢材料的冶炼和化学成分

铸钢应当是采用电炉或者氧气转炉冶炼的镇静钢,其化学成分(熔炼分析)中的P≤0.035%、S≤0.035%;可焊铸钢材料化学成分中的   C≤0.25%、P≤0.025%、S≤0.025%;高合金奥氏体耐热铸钢还应当采用炉外精炼工艺或者电渣重熔,其化学成分中的    P≤0.035%、S≤0.020%。

2.2.4.3铸钢材料的性能

压力容器受压元件用铸钢应当在相应的材料国家标准或者行业标准中选用,并且在产品质量证明书中注明铸造选用的材料牌号。其室温下标准抗拉强度下限值小于 540MPa、 A ≥17%;设计温度下的 KV2 ≥27J。

2.2.4.4铸钢容器设计压力、温度限制

(1)碳钢或者低合金碳锰钢容器,设计压力不大于  2.5MPa,设计温度范围为-20℃~400℃;

(2) 低合金铬钼钢容器,设计压力不大于  4.0MPa,设计温度范围为  0 ℃~450℃;

(3)高合金奥氏体耐热钢容器,设计压力不大于 4.0MPa,设计温度上限参考同牌号锻钢。

2.2.5  有色金属容器技术要求

2.2.5.1通用要求

压力容器用有色金属(铝、钛、铜、镍、锆及其合金等)应当符合以下要求:

(1)用于制造压力容器的有色金属,其技术要求符合产品标准的规定,如有特殊要求,需要在设计图样或者相应的技术文件中注明;

(2)压力容器制造单位建立严格的保管制度,并且设专门场所,与碳钢、低合金钢分开存放。

2.2.5.2铝和铝合金容器

铝和铝合金用于压力容器受压元件时,应当符合以下要求:

(1)设计压力不大于 16MPa;

(2)含镁量大于或者等于  3%的铝合金(如  5083、5086),其设计温度范围为-269℃~65℃;其他牌号的铝和铝合金,其设计温度范围为-269℃~200℃。

2.2.5.3铜和铜合金容器

纯铜和黄铜用于压力容器受压元件时,其设计温度不高于 200℃。

2.2.5.4钛和钛合金容器

钛和钛合金用于压力容器受压元件时,应当符合以下要求:

(1) 钛和钛合金的设计温度不高于   315 ℃,钛- 钢复合板的设计温度不高于350℃;

(2)用于制造压力容器壳体的钛和钛合金在退火状态下使用。

2.2.5.5镍和镍合金容器

镍和镍合金用于压力容器受压元件时,应当在退火或者固溶状态下使用。

2.2.5.6钽、锆、铌及其合金容器

钽、锆、铌及其合金用于压力容器受压元件时,应当在退火状态下使用。钽和钽合金设计温度不高于 250℃,锆和锆合金设计温度不高于 375℃,铌和铌合金设计温度不高于 220℃。

2.2.6焊接材料

(1)用于压力容器受压元件焊接的材料,应当保证焊缝金属的拉伸性能满足母材标准规定的下限值,冲击吸收能量满足本规程表 2-1 的规定;当需要时,其他性能也不得低于母材的相应要求;

(2)焊接材料应当满足相应焊材标准和产品标准的要求,并且附有质量证明书和清晰、牢固的标志;

(3)压力容器制造、改造、修理单位应当建立并且严格执行焊接材料验收、复验、保管、烘干、发放和回收制度。

2.3 非金属材料技术要求

2.3.1  石墨压力容器材料

2.3.1.1石墨材料的一般要求

(1)用于制造压力容器的石墨材料应当进行工艺评定(包括浸渍工艺评定和复合物材料成型工艺评定),工艺评定报告(CMQ)和工艺评定规程(CMS)应当由制造单位技术负责人批准,经过监督检验人员确认;对于评定合格的工艺和材料,应当定期进行验证(每 6 个月至少一次);

(2)用于制造压力容器的石墨材料和粘接剂,应当与工艺评定规程中规定的材料相一致,并且具有可追溯性;

(3)用于制造石墨材料和粘接剂的原材料,应当在工艺评定报告中记录其来源和等级。

2.3.1.2石墨材料的性能要求

石墨材料的力学性能应当符合表 2-3 的要求。

表 2-3 石墨材料力学性能要求

项  目

合成树脂浸渍石墨管

合成树脂浸渍石墨块

合成树脂压型石墨管

室温下最低抗拉强度

26 MPa

14 MPa

10 MPa

205℃下最低抗拉强度

21 MPa

11 MPa

6 MPa

最低抗弯强度

39 MPa

35 MPa

最低抗压强度

69 MPa

45 MPa

31 MPa

最高渗透系数

2.9×10-3mm2/s

2.9×10-3mm2/s

2.9×10-3mm2/s

2.3.1.3粘接剂要求

粘接剂应当进行性能评定,粘接剂力学性能应当符合表 2-4 的要求。

表 2-4 粘接剂力学性能要求

项    目

粘接剂(注 2-4)料

室温下最低抗拉强度

10 MPa

205℃下最低抗拉强度

6 MPa

注 2-4:粘接剂指石墨填充料、合成树脂和固化剂的混合物。

2.3.2  纤维增强塑料压力容器材料

2.3.2.1纤维增强材料

用于制造纤维增强塑料压力容器的纤维增强材料应当与树脂有良好的浸润性, 并且满足设计要求。制造单位应当检测纤维最小强度,其值不得小于纤维制品标称性能的 90%。

2.3.2.2树脂基体

用于制造纤维增强塑料压力容器的树脂应当与设计文件的选材一致,使用前应当复验其热变形温度,其值应当高于压力容器设计温度 20℃以上。

2.3.2.3粘接材料性能要求

粘接所用材料的性能不得低于被粘接元件所用材料的性能。

2.3.2.4热塑性塑料衬里

热塑性塑料衬里与纤维增强塑料结构层的层间剪切强度不得小于 5MPa。

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