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无锡瑞升不锈钢反应锅:使用双相不锈钢制造压力容器以增强结构强度

发布时间:2018-12-06 14:32:00 点击:    

无锡瑞升不锈钢反应锅2018年12月6日讯  美国 ASME 标准第 VIII 部分是最常用的压力容器设计与制造规范。 该部分包含两个分段。 段 1 是已经充分证明行之有效但趋于保守的设计标准。 材料规格标准 ASME II A 段: SA-240 或“规范案例”中涵盖了几种双相不锈钢(以及奥氏体不锈钢)钢种,且可根据 ASME 标准第 VIII 部分第 1 段进行应用。在一定的条件下,利用更高强度的双相不锈钢种可减少压力容器壳体的厚度,这样可提升结构强度(与低强度的合金相比,诸如奥氏体不锈钢如 316 或传统压力容器(碳)钢。 高合金(高氮)奥氏体不锈钢也可替代具有类似设计许用应力的双相钢种)。

然而,最新制定的压力容器规范(例如欧洲标准 EN 13445,中国标准GB150 或更新后的ASME 标准第VIII 部分第 2 段)中提供了更多先进的设计标准,允许采用更高的设计应力,从而获得了更高的重量减轻和成本节约的潜力。遗憾的是,GB150根据GB 24511 标准仅适用于双相不锈钢种 2205 (S22053/S22253)(基于GB24511 的要求);而ASME 标准第 VIII 部分第 2 段根据ASME,Section II,D部分的要求仅适用于2205 (S31803/S32205) 和 2507 (S32750)。欧洲材料规格标准 EN 10028-7 对于双相不锈钢种的涵盖范围则比较完善。


1

简介


20 世纪 70 年代末制定的压力容器标准中对于现代 22Cr 双相不锈钢(例如 2205 型)的引入,催生了 20 世纪 80 年代末将双相不锈钢用于耐压系统(例如煮浆器)的商业突破,请参见图 1。


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图1  2205双相不锈钢牛皮纸煮浆器


采用双相不锈钢 2205 制造的牛皮纸煮浆器(设计压力:200°C 时 15 巴),于 1989 年投入使用。其壳体厚度为 20-25 毫米,该产品用于替代壳体厚度 42 毫米的碳钢容器,重量节约了大概 50%。


使用双相不锈钢建造压力容器的主要优点如下: 强度更高,可实现更高的结构强度,即可实现比奥氏体不锈钢如 316 或低碳钢更薄的壳体厚度,耐用性及耐腐蚀性比传统压力容器钢种更好。 因此通常无需使用保护性涂层,减少了维护需求并延长了使用寿命。 此外,通过现代化含氮 22Cr 双相不锈钢合金的开发,双相钢种的可焊接性得到了显著提升,而这也是压力容器设计和制造的关键因素。


综合上述优点,使用双相不锈钢建造整体式双相不锈钢容器,其经济性要高于使用碳钢加奥氏体不锈钢内衬或先进保护涂层系统制造的同种产品。


双相不锈钢的单位重量材料成本虽然高出压力容器钢数倍,但由于材料利用率更高、强度更高、容器壳体腐蚀裕量几乎没有,材料消耗也更少。 更薄的壁厚意味着焊接工作量更少,再加上无需添加涂层,可大幅减少容器的制造时间,从而节约时间和资金。 


因此,若是考虑容器的总体初始投资成本,双相钢种的成本已经非常具有竞争力,尤其是对于大型容器而言。 而且,若是计算全寿命成本(计入维护成本和维护期间的生产力损失),则优点还更加明显,请参见图 2。


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图 2 各方面的成本: 材料、建造、生命周期成本




2

压力容器的规范与标准


ASME 标准第 VIII 部分第 1 段 (VIII-1) 是全世界最常用的压力容器设计与制造规范。 该规范基于经验制定,且使用传统的“公式设计”设计原则。 ASME 第 II 部分 A 段 (II-A) “材料规范”所包含的材料规格标准 SA-240 中,列出了约 25 种不同类型的双相不锈钢种。 ASME 第 II 部分 D 段 (II-D) “特性”中,包含了相应的材料数据,例如屈服强度和抗拉强度、最大设计许用应力以及最高使用温度。


除了美国 ASME 规范之外,常用的压力容器规范还有欧洲设计标准 EN 13445 及其附属的材料标准 EN 10028-7,当前其中包含五种双相不锈钢种(修订版即将推出,下一版本中将增加四种双相钢种)。 EN 13445 满足欧洲压力容器指令 (PED) 的要求,且源自几个欧盟成员国的国家压力容器设计规范。 


欧洲标准 EN 13445 的设计规则通常比 ASME VIII-1 更加先进,具体到高强度钢上,就是更高的强度利用和结构强度。 为了与欧洲标准的发展相配,ASME 于 2007 年更新了第 8 部分第 2 段 (VIII-2),提供了更多工程设计规则和更高的设计许用应力。 但是,ASME VIII-2 仅适用于双相不锈钢种 2205(S31803 和 S32205)和 2507 (S32750)。


中国制定了本国的压力容器设计规范 GB 150 [7] 及其附属材料规格标准 GB 24511 。 遗憾的是,与 ASME 和 EN 规范相比,GB 规范所包含的双相不锈钢种非常有限,只涉及 2205 型的两个钢种 (S22053/S22253)。



2.1
ASME第 II 部分和第 VIII 部分

表1 列出了材料规格标准 ASME II-A: SA-240 中选定双相不锈钢种的编号及其化学成分,同时还列出了几种奥氏体不锈钢种作为参照。表 1 中所列钢种的局部耐腐蚀性,通过耐点蚀当量 (PRE)(基于 SA-240 中所提供的铬、钼、氮化学成分范围)和临界点蚀温度 (CPT)(基于 ASTM G 150 的试验测得值)来表示 [9]。 可使用 PRE 值(或更适合的 CPT 值)来为钢种的耐腐蚀性进行排名:从低镍、低合金双相不锈钢种 S32101(与奥氏体钢种 316L 相当)往上一直排到超级双相不锈钢种 S32760 和 S32750(与六钼奥氏体钢种 S31254 相当)。 注意,双相不锈钢种 2205 可提供 S31803 和 S32205 两种类型,其中后者的合金成分(铬、钼、氮)不超过上限。


表1 选定双相不锈钢和奥氏体不锈钢的化学成分百分比、PRE 值和 CPT 值

(基于 ASME II-A: SA-240)

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表2 中列出了基于 ASME VIII-1 和 VIII-2 设计标准的室温 (RT) 下名义屈服强度和抗拉强度、断裂伸长率和设计许用应力值。对于 SA-240 尚未纳入的新钢种或针对已纳入钢种的其他或延伸设计规则准备完成时尚未纳入的新钢种,请参见根据适用 ASME 规范允许使用的、ASME 每年发布的“规范案例”(现有“规范案例”见表 2)。 


表2 选定双相和奥氏体钢种在室温 (20°C) 下的机械数据(基于 ASME 第 II 部分 D 段)

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2.2
EN 10028-7/EN 13445 和 GB 24511/GB 150 

表 3 和表 4 分别列出了基于欧洲和中国标准的、选定双相和奥氏体不锈钢种在室温下的机械属性和最大许用应力。


表 3 基于 EN 10028-7 的选定双相和奥氏体不锈钢种在室温 (20°C) 下的机械属性,以及基于 EN 13445 的室温下最大设计许用应力。

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表 4 基于 GB 24511 的选定双相和奥氏体不锈钢种在室温 (20°C) 下的机械属性,以及基于 EN GB 150 的室温下最大设计许用应力。

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3

 压力容器设计


3.1
许用应力的设计标准

表 5 中列出了基于 ASME VIII-1 和 VIII-2 以及 EN 13445 和 GB 150 的最大设计许用应力的设计标准。表 2-4 中列出的室温下设计许用应力,均为根据这些标准算出的值。


表5 最大设计许用应力的设计标准。 “T”表示设计温度,“RT”表示室温

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注意,EN 13445 和 GB 150 都允许奥氏体不锈钢使用 1.0% 的名义屈服强度,这样其设计许用应力比使用 0.2% 名义屈服强度的情况要高。 EN 13445 也允许断裂伸长率高于 35% 的奥氏体钢种使用更高的设计应力。


3.2
最大设计许用应力

根据 ASME VIII-1 和 VIII-2,EN 13445 和 GB 150 得出的 22Cr 双相不锈钢(例如,S32205、S31803、1.4462 和 S22053)设计许用应力与奥氏体不锈钢种 316/316L 设计许用应力的对照图,请参见图 3(以设计金属温度为横轴的图表)。 可以很清楚地看出,在考虑所有设计标准的情况下,在允许的温度范围内,双相不锈钢的设计许用应力明显高于奥氏体钢种 316。

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图3 基于 ASME、EN 和 GB 规范的 2205 钢种与 316/316L 钢种的最大许用应力与设计金属温度线形对照图。


提供的设计数据从 -30°C 一直到双相不锈钢的最高使用温度 316°C(基于 ASME 规范),或 250°C(基于欧洲 EN 10028/13445 规范)。如果满足 ASME VIII 中适用的韧度评估标准,则双相不锈钢种可用在低于 -30°C 的设计温度(使用同样的设计应力)环境下。 这同样适用于 EN 13445。中国标准 GB 150 规定的双相不锈钢种许用温度范围为 -30°C 至 300°C。


然而,对于低温应用,明显还是应该选择奥氏体不锈钢这种具有优秀低温耐受能力的钢种。 同样,当设计温度高于 300°C 时,也应选择奥氏体不锈钢种而非双相不锈钢,后者在高温下可能出现脆化现象。


从图 3 中还可看到,对于 S 32205 和 S31803 在室温下的设计许用应力,ASME VIII-2 规范比 ASME VIII-1 规范高出约 45%。 此外,在高达 100°C 时,VIII-2 规范中,S32205 设计许用应力比 S31803 高约 5%,而超过 100°C 后,两者处于同一水平;对于 VIII-1 规范,这 5% 的优势会一直保持到 316°C。


基于抗拉强度的设计标准,通常表示基于 ASME VIII 规范的双相不锈钢种的设计许用应力。 其中,基于 0.2% 名义屈服强度的设计标准对于奥氏体不锈钢种起着决定性作用。 除了在室温条件下,基于 0.2% 名义屈服强度(以及奥氏体不锈钢种基于 1% 的名义屈服强度)的设计标准对于 EN 13445 标准双相不锈钢种的设计应力起着决定性的作用。对于 G 150,基于抗拉强度的设计标准表示双相不锈钢种直至约 200°C 的最大设计许用应力。


此外,ASME VIII-2 规范中的 S32205 钢种,其设计许用应力随着温度的上升而下降,从室温到 200°C 下降了 14%(从 276 降至 236 兆帕),而 S32205 (VIII-1) 从室温到 200°C,其设计许用应力只降低了 7%(从 187 降至 174 兆帕)。 


EN 13445 标准中EN 1.4462 钢种的设计许用应力,在室温下,介于 S32205 和 S31803 (ASME VIII-2) 之间。 在 200°C 时,EN 1.4462 的设计许用应力会降低 10%,但仍比 ASME VIII-1 标准 S32205 的设计许用应力值高约 20%。


最后,在室温下,GB 150 规范 S32205 的设计许用应力介于 VIII-1 规范 S32205 和 VIII-2 规范 S32205 之间。 但在 200°C 时,S32205 的设计许用应力只比 ASME VIII-2 规范 S32205 低几个百分点。

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图4 选定双相不锈钢种的 ASME VIII-1 规范和 VIII-2 规范钢种最大设计许用应力与设计金属温度曲线图


对比图 4 中选定范围内 ASME VIII-1 规范双相不锈钢种和 VIII-2 规范双相不锈钢种的设计许用应力可以发现,使用 VIII-2 规范的优势非常明显。 但是,其设计要求比 VIII-2 要高,VIII-2 规范只能使用 S31803、S32205 和 S32750。


在 VIII-1 规范中,厚度在 10 毫米以内时,S82441 的优点尤为突出,其设计应力较 S32205 高出约 10%(最高可比 S31803 高出 20%)。在双相不锈钢种中,S32304 明显具有最低的设计许用应力。


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图 5 双相不锈钢种 S32205 与根据 ASME VIII-1 规范所选定的奥氏体不锈钢种的最大设计许用应力


将较高含氮量奥氏体钢种(S31254 和 S32654)与 ASME VIII-1 标准双相不锈钢种 S32205 对比时,图 5 中可以明显看出来,前者可提供类似的设计应力水平,而在较宽的温度范围内,前者的设计应力水平甚至要优于 S32205。 而含氮量极低的奥氏体不锈钢种(例如 S31600 和 N08904),其设计许用应力明显低于 S32205。 注意,ASME VIII-2 规范不能让奥氏体不锈钢种获益。



3.3
压力容器壳体中的强度利用

图 6 中概要总结了 ASME VIII-1 和 VIII-2 规范双相和奥氏体不锈钢种在室温下的最大设计许用应力。在只考虑将膜应力作为压力容器壳体关键设计标准的情况下,不同钢种(以 316 为参照)可节约的材料重量如图 7 所示。


图 6  ASME VIII 规范双相和奥氏体不锈钢种在室温下的最大设计许用应力


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图7 分别采用符合 ASME VIII-1 和 VIII-2 规范的高强度双相和奥氏体不锈钢种建造压力容器壳体,较之使用 316 钢种可节约的材料重量


使用基于 ASME VIII-1 规范的双相不锈钢种,可节省约 40% 的重量,而使用基于 ASME VIII-2 规范的双相不锈钢种,最高可节约 60% 的重量。很明显,高含氮量奥氏体不锈钢种可实现的重量节约水平与基于 ASME VIII-1 规范的双相不锈钢种相当,且应用的温度范围也比双相不锈钢种广。其塑性与韧性也优于双相不锈钢种,可简化冷成型过程并可用于低温环境。


但是,从经济的角度来源,高镍和钼含量的奥氏体不锈钢种,其材料的单位重量成本大大高于对应的耐腐蚀双相不锈钢种,这不但会影响材料成本,还会影响焊接成本。 


因此,在无需进行大量成型加工,或未指定过高或过低设计温度的情况下,双相不锈钢种才是最具成本效益的压力容器材料,因为利用其更高的强度,可使用比传统奥氏体不锈钢(例如 316 不锈钢或其他压力容器钢板)更薄的壳体厚度。 后者通常需要先进的涂层系统来保护其表面,同时壳体厚度还需增加腐蚀裕量,这会降低材料的结构利用率、增加焊接工作量,从而影响制造时间和成本。


在使用寿命方面,双相不锈钢解决方案更加耐用,使用寿命更长且所需的维护工作更少,可提升容器的工作效率。 因此,在很多情况下,双相不锈钢容器的使用寿命成本,较之衬垫式或涂层式碳钢解决方案更具成本竞争力。



4

采用双相不锈钢制造的典型压力设备


双相不锈钢在压力设备中最常见的应用就是用于海水、化学品或石油和天然气运输的压力管道输送系统,这种系统通常具有专用的标准,但其内容与本文件中所涉及的压力容器标准非常相似。 如果考虑压力容器,则最常见的应用为纸浆造纸行业的煮浆器、化工行业的蒸发器和蒸馏塔、石油化工行业的换热器、化学品存储和运输行业的罐车和罐式集装箱、食品和饮料加工行业的发酵罐、湿法冶金行业的高压釜,以及供家用和工业用的热水器。


高强度是双相不锈钢种的关键特性。 然而,务必注意,并非所有条件下都适合将其用于压力容器应用。 本文件中详细阐述了需要考虑的重要因素之一:最大设计许用应力。 其他关键因素还包含内部压力和外部压力,其中后者是容器所承受的真空、风力和地震荷载所形成的合力。


图7 列出的可节省重量,仅考虑了因内部压力而带来的壳体膜压力,且受到最大设计许用应力的限制。 外部压力可能导致产品不稳定/屈曲、截面刚度成为关键设计标准且可用于表示所需的壳体厚度。 这可通过两个应用案例来表明: 牛皮纸煮浆器和蒸发器。




图 8  应用案例: 牛皮纸煮浆器


表 6  在压力容器壳体中使用双相钢种可节约的重量




图 9  应用案例:蒸发器


表7 在蒸发器壳体中使用双相钢种可节约的重量



注意,在这两个案例中,蒸发器的内部压力与外部压力之比小于煮浆器。 后者的尺寸也较大,其内部介质所带来的液体静压力与其内部压力相当,进一步提升了膜应力,可充分利用双相不锈钢较高的强度(可节省约 33% 的重量)。 而用在蒸发器上则对壳体厚度的减少非常有限,这是因为真空压力才是此产品的关键设计标准,且壳体上必须增加加强环(如图 9 所示)才能实现足够的刚度(即是说,进一步削减厚度就必须增加加强环的数量),因此,可节省的重量几乎为零。 此外,对于较高且较细的容器(例如蒸馏塔),必须将外部荷载、尤其是风荷载视为关键因素。



5

结论


  • 美国压力容器规范 ASME 第 VIII 部分中所涉及的双相不锈钢,很好地涵盖了从低镍、低合金双相钢种到高合金超级双相钢种; 

  • 中国压力容器规范 GB 150 对于双相不锈钢的涉及非常有限;

  • 与传统不锈钢(例如 316 型)相比,压力容器壳体中使用双相不锈钢,可充分利用材料强度、削减壳体厚度并节约材料重量;

  • 技术方面更加先进的 ASME 第 VIII 部分第 2 段,允许为双相不锈钢使用大幅高出第 1 段所提供基础规则的设计应力。在设计许用应力方面,欧洲 EN 13445 仅次于 ASME 第 VIII 部分第 2 段,而中国的 GB 150 排名第三;

  • 只有 S31803、S32205 和 S32370 可从 ASME 第 VIII 部分第 2 段获益;

  • 如果需要极高的耐腐蚀性,或需要承受极高或极低的设计温度,或涉及先进冷成型加工,则可选择高合金(高含氮量)奥氏体不锈钢替代双相不锈钢种;

  • 对于具有较高内压的大型容器,使用双相不锈钢种作为材料进行建造,不但成本效益高于钢衬型或涂层型碳钢,且生命周期成本的也要优于后者。


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