低温容器钢板选材与设计要点：舞阳钢铁孙晓凡解析低温压力容器制造

低温容器钢板，舞阳钢铁有限公司孙晓凡

低温压力容器的设计重点在于选材。同时，在制造方面要加以某些限制，在结构上也要相应地加以某些限制。

低温压力容器受压元件所采用的钢材必须为镇静钢。其材料的许用应力采用常温 20℃时的数值，并且强度计算方法按照 GB 150.3 的规定。其中包含晶体结构的影响。

试验表明，铁素体钢具有体心立方点阵（bcc）结构时，其脆性转变温度较高，且脆性断裂倾向较大。密排六方结构（tcp）的情况次之。而面心立方结构（fcc）的金属，像铜、铝、镍以及奥氏体类钢，基本上不存在这种温度效应，也就是说不会出现低应力脆断的情况。

事实上，若不存在第二相，也未处于导致产生应力腐蚀开裂的环境中，面心立方金属通常不会发生脆性断裂。其主要原因在于，当温度降低时，面心立方金属的屈服强度不会有显著变化，并且不易产生形变孪晶，位错能够容易地运动，局部应力也易于松弛，裂纹难以传播，一般也没有脆性转变温度。

体心立方金属情况不同。在中温区域，其强度，尤其是屈服强度，受杂质、载荷速度和合金元素的影响较为明显。在 0.27O（T0 为金属的强点，单位为()以下的低温区域内，随着温度降低，其屈服强度增加迅速，最后几乎与抗拉强度相等。尤其在低温下，容易产生形变孪晶，所以容易引发低应力脆性断裂。

(2)化学成分的影响舞阳钢铁孙晓凡

对于低温压力容器用钢来说，含碳量增加会使材料的脆性增大，还会让脆性转变温度快速上升。正因如此，低温用钢的含碳量不会超过 0.2%。近年来，国外有一种低联的发展和应用情况。

锰元素具有扩大奥兵体区的作用。含锰量增加时，钢材能获得细致且富有韧性的铁素体和珠光体晶粒。所以，含锰量增加可改善钢材在低温下的韧性。当含碳量一定时，提高锰比值能使无延性转变温度降低。降低碳含量并提高锰碳比，无延性转变温度会降低，钢板的允许使用温度也会降低。

镍是提高钢材低温韧性的重要元素。它比锰更能提升钢材的低温韧性。当含镍达到 3.5%时，能让钢在-100℃时依然保持很高的韧性。含镍 9%的钢可以用作液氮容器，能够耐受-196℃的低温。

在话的铁素体类低温用钢材里，添加少量的 V、Ti、Nb、A 这些含金元素，接着通过轧制或者随后的热处理，能让碳化物、氮化物弥散地析出并进行沉淀强化，这样就可以获得较高的强度以及良好的低温韧性。（3）晶粒度所带来的影响

晶粒尺寸对钢的低应力脆断有重要影响。细晶粒能让金属具有较高的断裂强度。细晶粒还能使脆性转变温度降低。这是因为晶界存在杂质和脆性相，而这些杂质和脆性相往往是裂纹源。

晶粒细化后，一方面单位面积上的脆性相相对减少了，表面能得以提高，裂纹形核和扩展的概率降低了，进而提高了钢在低温下抵抗脆断的能力；另一方面，细晶粒钢的性能较为均匀，脆性转变温度也降低了。

磷容易产生晶界相关现象，钢中的氧会以各种氧化物的形式在晶界析出，这两种情况都极大地提升了钢的脆性转变温度，从而引发低应力脆断，所以低温用钢必须要充分脱氧。比如镇静钢的低温韧性比沸腾钢要好；如果使用 Si + AI 、Al + Ti(V、Nb)进行综合脱氧，能够进一步使晶粒细化，这样其低温韧性会更好。

充分脱氧可以起到两个作用。其一，能有效地降低氧、硫、磷及其他气体的含量。其二，能使夹杂物球化，减少位错的塞积。通过这两个作用，能够降低钢的脆性转变温度。

试验表明，极纯金属的低延展性与晶位类型存在关联。比如不含碳、氮、氧、硫的纯铁，即便处于 4K 的低温环境下，依然具有可塑性。并且杂质（尤其是晶界脆性相）对低应力脆断有着很大的影响，像在 25%Cr 的 Fe - Cr 合金中，微量的碳、氧、氮是促使低应力脆断的重要因素。

(5)热处理和扭微组织的影响

热处理对钢的低应力脆断有着很大的影响。调物处理是一种常用方法，通过这种方法可以获得铁素体和粒状碳化物组织，并且能够明显提升钢材的低温韧性。然而，随着调质处理回火温度的升高，粒状碳化物会出现聚集现象，这反而会对低温韧性产生不良影响。因此，在进行调质处理时，应严格控制回火温度，不能使其过高。

正火是低温用钢常用的热处理方式。如果钢材中合金元素增多，那么正火温度就应该相应地提高。钢的退火组织比正火组织要粗大，并且其低温韧性比经正火或调质处理的差很多。因此，低温压力容器用钢都不会进行退火处理。对于需要进行焊后热处理的低温压力容器及其受压元件，在任何情况下，焊后热处理的温度都不能超过钢材的回火温度。

热处理能够抑制脆性相从晶界析出，还能改变析出相的形态、大小、数量以及分布，使组织更加均匀，进而改善钢的强度和低温韧性。在回火组织（回火马氏体）中存在一定量的残余奥氏体或铁素体，这些物质可以有效地阻止裂纹的扩展。淬火时效和应变时效这两种情况，都会使钢的脆性转变温度升高，增加低应力脆断的敏感性，所以对于时效敏感的沸腾钢来说，不适合用作低温用钢。

(6)冷变形的影响

冷变形会使钢的韧性降低。应变时的姣更会让低温韧性变差，脆性转变温度也会升高。因此，对于大型高压容器，在使用时必须重视缺口韧性。因为在制作过程中，冷变、冷压以及焊接变形等情况，都会引发脆化。所以，在冷变形及焊接之后，应该进行低温退火。

(7)应力状态的影响

低应力脆断和应力状态关联紧密。容器若存在裂纹或缺口，就容易出现低应力脆断现象。缺口越尖锐，预裂纹尺寸越大，就越容易引发低应力脆断。当焊接接头中有裂纹且伴有残余应力时，低应力脆断会更加明显。