API934加氢反应器制造和材料要求.docx
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API934加氢反应器制造和材料要求
高温高压临氢2－1/4Cr和3Cr钢制
厚壁压力容器材料和制造要求
API推荐规程934
第一版2000年12月
美国石油协会
1
引言
7.2
母材焊接
1.1
适用范围
7.3
堆焊层
2
应用文件
7.4
最终焊后热处理
3
名词定义
8
无损检验（NDE
3.1
名词定义
8.2
制造前NDE
3.2
缩写
8.3
制造中NDE
4
设计
8.4
制造完成后最终PWHT前
5
母材要求
NDE
5.1
材料规范
8.5
最终PWHT后NDE
5.2
炼钢
9
水压试验
5.3
化学成分
10
装运准备
5.4
热处理
11
文件
5.5
机械性能
图
6
焊接材料
7-1—
—维氏硬度测量部位
6.1
材料要求
表
6.2
机械性能
4-1—
母材规范
7
焊接、热处理和产品试验
5-1—
试样热处理
7.1
般焊接要求
高温高压临氢21/4Cr和3Cr钢制厚壁
压力容器材料和制造要求
1引言
本推荐规程适用于炼油、石油化工行业中新建的在高温和高压，氢和含氢流体介质条件下运行的厚壁压力容器。
它是根据这些行业几十年来对这些设备的操作经验和制造厂商和用户的试验结果制订的。
具有这些厚壁压力容器过程装置的业主和认可证颁发者可以修改或补充这个推荐规程，提出附加要求。
1.1适用范围
本推荐规程提出了用于高温高压临氢的新的21/4Cr和3Cr钢制压
力容器的材料和制造要求，适用于按照ASME规范第忸卷第2分卷，
包括附录26Cr-Mo钢焊接和热处理的附加要求的强制规则以及ASME规范案例2151设计、制造、认证和颁发执照的压力容器。
本推荐规程涉及的材料有普通钢材包括标准的2-1/4Cr-1Mo钢，标
准的3Cr-1Mo钢和改进型钢包括增强的2-1/4Cr-1Mo钢、2-1/4C-1rMo-1/4V钢、3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B钢和3Cr-1Mo-1/4V-Cb-Ca钢。
这些厚壁压力容器的内表面可能有奥氏体不锈钢堆焊层以提供附加的耐腐蚀性能。
2应用文件
ASME
锅炉及压力容器规范
第H卷-材料
A篇钢铁材料
C篇焊条、焊丝及填充金属
D篇性能
第V卷无损检测
第忸卷压力容器
第2分卷另一规程
附录26Cr-Mo钢焊接和热处理附加要求的强制规则
规范案例21513Cr-1Mo-1/4V-Co-Ca合金钢板和锻件
规范案例2235应用超声波检验代替射线检验
第区卷焊接及钎焊评定
SA-20压力容器用钢板的一般技术条件
SA-182高温用锻制或轧制合金钢管法兰、锻制管件、阀门和零件技术
条件
SA-335高温用无缝铁素体合金钢管技术条件
SA-336承压高温零件用合金钢锻件技术条件
SA-369高温用碳钢和铁素体合金钢锻造和扩孔管技术条件
SA-387压力容器用铬钼合金钢板技术条件
SA-435钢板超声直射波检验
SA-508压力容器用经淬火和回火的真空处理的碳钢和合金钢锻件技术条件
SA-541压力容器元件用经淬火和回火的碳钢和合金钢锻件技术条件
SA-542压力容器用调质铬钼合金钢板技术条件
SA-578特殊用途普通钢板与复合钢板超声直射波检验
SA-832压力容器用铬钼钒合金钢板
ASNT
SNT-TC-1A
ASTM
G-146用于高温高压临氢装置钢板不锈钢复层剥离评价的标准方法
AWS
A4.2测量奥氏体和奥氏体铁素体双相不锈钢焊缝中8铁素体含量的
磁性测量仪标定的标准程序。
A4.3电弧焊马氏体、贝氏体和铁素体钢焊缝金属中扩散氢含量测试的标准方法
WRC
Bulletin342不锈钢焊缝金属：
铁素体含量测定
3名词定义
3.1定义
3.1.1改进型钢：
改进的2-1/4Cr1-Mo钢，2-1/4Cr-Mo-1/4V钢，
3Cr-1Mo-1/4V-Ti-B钢和3Cr-1Mo-1/4V-Cb-Ca钢。
3.1.2ASME规范：
ASME锅炉及压力容器规范，第忸卷第2分卷，包括可用的附录。
3.1.3普通钢：
标准的2-1/4Cr-1Mo和标准的3Cr-1Mo钢。
3.1.4最终PWHT:
容器制造完成后投入运行前，所进行的最终的热处理。
3.1.5热成型：
容器部件在高于最终热处理温度下的机械成型。
3.1.6最大焊后热处理：
对试样进行的特定的热处理，用以模拟在正火和初期的回火热处理后所有的制造过程中的热处理，包括所有的900°
F（482C）以上的中间热处理，最终焊后热处理和业主将来采用的最小的附加焊后热处理。
3.1.7最小焊后热处理：
对试样进行的特定的热处理，用以模拟在正火和初期的回火热处理后所有的制造过程中的热处理，包括所有的900°
F（482C）以上的中间热处理，最终焊后热处理。
3.1.8步冷热处理：
模拟和加速试样脆化的特定的热处理，用于评估高温下服役的合金钢的回火脆化敏感性。
3.2缩写
CMTR认证材料试验报告
DHT脱氢热处理
FN铁素体含量
HAZ热影响区
HB布氏硬度
HV维氏硬度
ISR
中间消除应力
MDMT
金属最低设计温度
MT
磁粉检验
NDE
无损检验
PT
着色检验
PWHT
焊后热处理
RT
射线检验
UT
超声检验
QPQT
焊接工艺评定试验
4设计
4.1设计和制造应按ASME锅炉及压力容器规范第忸卷第2分卷进行，包括采购合同签订之日，规范最新版所包含的附录。
4.2制造厂的设计报告通常包括用户的设计资料，按照ASME规范进
行的强度计算，图纸和针对附加载荷的局部应力分析，如有需要，还要包括特殊的设计要求。
4.3本推荐规程除了以下的条款外，不包括其它的设计内容。
4.3.1焊缝的布局应使得所有的焊缝便于焊接，以及在役无损检验，如
RT,UT,MT禾口PT检验。
4.3.2按照ASME规范中图AD-560.1和图AD-613.1，接管至容器应有过渡。
5母材要求
5.1母材规范
5.1.1母材应符合表4-1所示ASME规范的要求。
5.1.2除非业主/用户事先同意，同一台容器中，不同的母材不应混用。
（例如，2-1/4Cr1-Mo-1/4V钢接管不应用于标准的2-1/4Cr-1Mo钢壳体
上）。
表4-1——母材规范
钢
普通钢
改讲型钢
产品型式
ASME
规范
标准
2-1/4Cr-1Mo
标准
3Cr-1Mo
改进
a
2-1/4Cr-1Mo
2-1/4Cr-1
a
Mo-1/4V
3Cr-1Mo-
a
1/4V-Ti-B
3Cr-1Mo-1/4
V-Cb-Cab
SA387
Gr.22,C1.2
Gr.21,C1.2
一
一
一
一
钢板
SA542
一
一
B类，C1.4
D类，C1.4a
C类，C1.4a
E类,C14a
Gr.21V
Gr.23V
SA832
一
一
一
Gr.22V
一
一
SA182
Gr.F22,C1.3
Gr.F21
一
Gr.F22V
Gr.F3V
Gr.F3VCb
锻件
SA336
Gr.F22,C1.3
Gr.F21,C1.3
一
Gr.F22V
Gr.F3V
Gr.F3VCb
SA508
一
一
Gr.22,C1.3
一
Gr.3V
Gr.3VCb
SA541
一
一
Cr.22,C1.3
Gr.22V
Gr.3V
Gr.3VCb
钢管
SA335
Gr.P22
Gr.P21
-
-
-
-
钢管（锻造或钻孔）
SA369
Gr.FP22
Gr.FP21
-
-
-
注：
a见ASME规范附录26中表26-100.1。
b见ASME规范案例。
5.2炼钢
5.2.1除了相应材料规范所述的炼钢工艺外，钢应真空脱气。
5.3化学成分
为了使得回火脆化敏感性最小，母材的化学成分应限制如下（化学成分限制应用于每一炉批分析）：
J系数=（Si+Mn）x（P+Sr）x1Cf<100（Si,Mn,P,Sn重量％）
Cu含量w0.2%
Ni含量w0.3%
5.4热处理
5.4.1所有形式的产品都要进行正火+回火或淬火+回火热处理，以满
足机械性能要求。
从奥氏体化温度冷却应采用风冷或液体淬火以获得至少90%的贝氏体组织。
5.4.2母材在1250°F（675C）以上热成型后，应按5.4.1的规定进行热处理。
5.5机械性能
5.5.1试样
5.5.1.1取样部位
拉伸和冲击试样应从如下部位截取。
a.钢板一一除了在1/2T处取样外，按照SA-20的要求，每块钢板沿垂直于轧制方向取样。
b.锻件一一除了在延伸段1/2T处取样外，按照SA-182,SA-336,SA—508或SA—541，每一炉批锻件，沿垂直于主加工方向取样。
c.钢管一一除了在1/2T处取样外，按照SA—20,每一炉批管子沿垂直于主加工方向取样。
5.5.1.2试样热处理
试样应按表5-1的规定进行热处理，如果母材在热成型后进行热处理，试样应在按表5-1进行热处理前作模拟成型热处理。
5.5.2拉伸性能
5.5.2.1按5.5.1.2进行热处理后，室温拉伸性能应符合相应的母材规范的要求。
另外，还应符合如下要求。
抗拉强度应不超过以下限制：
a.普通钢：
100ksi（690N/mm2）
b.改进钢：
110ksi（760N/mm2）
屈服强度应不超过以下限制：
a.普通钢：
90ksi（620N/mm2）
b.改进钢：
90ksi（620N/mm2）
5.522如购货方要求进行高温拉伸试验，试验温度应为设备的设计温
度，试样应为最大热处理状态，可接受的性能指标由业主/用户确定。
5.5.3冲击性能
5.5.3.1按5.5.1.2热处理后，3根V型缺口冲击试样在—20°F（-29C）
的平均冲击功值应不低于40呎-磅（55J）。
单个试样的最低值不小于
35呎磅（47J）。
延性断口率和侧膨胀量（以mil计）也应报告。
5.5.3.2步冷试验
5.5.3.2.1除客户放弃要求，制造前，应对每一炉批母材进行步冷试验，
以确定回火脆化敏感性。
应准备二组V性缺口冲击试样，每组最少24根试样，并进行如下的热处理。
第1组试样一一最小焊后热处理，以确定步冷热处理前的转变温
度曲线。
第2组试样一一最小焊后热处理加5.5.3.2.3规定的步冷热处理，以确定步冷热处理后的转变温度曲线。
5.5.3.2.2步冷热处理应按如下规定进行：
1.加热到600°F（316C）,加热速率不严格要求；
2.以不超过100°F（56C）/小时的升温速率，加热到1100F（593C）;
3.1100°F（593C）保温1小时；
4.以不超过10°F（6C）/小时的降温速率，冷却到1000°F（538C）;
5.1000°F（538C）保温15小时；
6.以不超过10°F（6C）/小时的降温速率，冷却到975°F（524C）;
7.975°F（524C）保温24小时；
8.以不超过10°F（6C）/小时的降温速率，冷却到925°F（496C）;
9.925°F（496C）保温60小时；
10.以不超过5°F（3C）/小时的降温速率，冷却到875°F（468C）;
11.875°F（468C）保温100小时；
12.以不超过50°F（28C）/小时的降温速率，冷却到600°F（316C）;
13.在静止的空气中冷却至环境温度。
5.5.3.2.3热处理后，每一组试样应在选定的八个试验温度下进行冲击试验，每一试验温度下，应冲击3根试样，以获得转变温度曲线。
-20°F（-29C）应为一个试验温度点。
为了得到转变温度曲线，在上、下平台至少各需要二个试验温度点，中间至少要4个试验温度点。
5.5.3.2.4根据二组试样测得的转变温度曲线，确定40呎—磅（55J）
转变温度。
冲击性能应符合以下要求：
CvTr40+2.5ACvTr40<50°F（10C）,式中
CvTr40为仅经最小PWHT的母材的40呎—磅（55J）转变温度。
△CvTr40为材料经最小PWHT加步冷热处理后40呎—磅（55J）
转变温度的偏移量
表5-1试样热处理
拉伸
冲击
步冷
普通钢
最大PWHT
最小PWHT或最大PWHT
最小PWHT
改讲型钢
按照规范附录26或规范案例2151
中26-300节
按照规范附录26或规范案例2151
中26-300节
最小PWHT
6焊接材料
6.1材料要求
6.1.1由每一批焊条和每一炉批号焊丝及每一组焊丝和焊剂的焊缝金属应与被焊母材的化学成分匹配。
6.1.2应控制以下的化学成分，以使得回火脆性最小。
X=（10P+5Sb+4Sn+As）/100<15
〔P,Sb,Sn和As以ppm计〕
Cu:
<0.2%
Ni:
<0.30%
6.1.3根据AWSA4.3应使用低氢焊结材料，包括焊剂。
每100克焊缝金属，扩散氢含量最多不超过10ml。
焊接材料应按照制造商的说明，烘干、储藏以降低湿气含量，确保低氢特性。
6.2机械性能
6.2.1拉伸性能
焊缝金属的拉伸性能应符合5.5.2母材的拉伸性能要求。
6.2.2冲击性能
开始制造前，每一批焊条每一炉批焊丝和每一组焊丝和焊剂都要通过对焊缝金属的冲击试验进行筛选，以检验其抗回火脆性性能，要求如下：
a.普通钢：
应按照5.532对母材的要求，进行步冷热处理。
冲击性能应符合5.5.3.2.5的要求。
b.改进型钢：
冲击试验应按照规范中26-300节或规范案例2151进行步冷试验应符合5.5.3.2的要求。
7焊接，热处理和产品试验
7.1焊接的一般要求
7.1.1焊接或堆焊前，母材表面应采用机加工，研磨或吹扫得到清洁的表面。
7.1.2对所有的焊接接头，包括不承压部件与容器的焊接接头都应该：
a.全焊透接头设计；
b.接头的位置应易于在制造和安装完成后对焊焊缝进行超声波检测
（在某些情况下超声波检测无法实现，厂家应该改用NDE方法来确保焊接质量）；
c.焊缝表面应足够光滑，以易于无损检测（MT,PT,UT或RT）。
7.1.3所有焊接都应在最终焊后热处理前完成，除了焊接内件至不锈钢堆焊层，对于这类连接焊应进行焊接工艺评定或见证件试验，以保证母材上没有热影响区产生。
7.1.4母材、焊缝和堆焊层的补焊应按照7.2.1或7.3.3的补焊工艺进行
7.2母材焊接
721焊接工艺评定
721.1焊接工艺应按照以下要求进行评定：
a.普通钢一一ASME规范第区篇。
b.改进型钢——ASME规范第区篇及附录26中26-400节或ASME规范案例2151。
7.2.1.2用于焊接工艺评定的母材与制造容器的母材应符合相同的
ASME标准，按同样的炼制工艺炼制，并具有相同的化学成分，热处理和机械性能要求。
焊条、焊丝和焊剂与生产中使用的应为相同类型和牌号的焊条、焊丝和焊剂。
7.2.1.3应对经最小和最大焊后热处理试板的焊缝金属和热影响区进行V形缺口冲击试验。
对每一焊接工艺都要进行冲击试验，试验温度和试验结果要符合5.5.3.1的要求。
7.2.1.4对每一焊接工艺，都应按5.5.3.1对母材的要求进行焊缝金属和HAZ的步冷试验。
7.2.1.5对最小PWHT的焊缝试样，应在焊缝截面上沿二条横线测量维氏硬度，二条测量线应分别距内外表面1/16in.（1.5mm）,见图7-1。
HAZ的测量读数应包括尽可能接近融合线部位的读数（约8mils
〔0.2mm〕。
每一条测量线上测10点，每一焊缝试样共测20点。
测得的硬度值应不超过235HV10。
7.2.1.6对最大PWHT的焊接试板，应进行焊接接头的拉伸试验，试验结果应符合5.5.2中规定的母材室温拉伸性能。
721.7制造前，所有WPSs/PQRs都应经订购方同意
722母材焊接预热和热处理
图7-1维氏硬度测试部位
7.2.2.1预热
在焊接、滚圆、热切割和气刨前（除堆焊一一见7.3.4），对普通钢,母材至少要加热到300°F（150C）,对改进型钢，至少要加热到350°F（177C）。
预热温度应按采购方要求保持到最终PWHT，或中间消除应力热处理（ISR）或脱氢热处理（DHT）。
对于对接焊和附件焊缝，预热温度应在整个板厚且在焊缝二侧至少一个板厚的距离内保持，但从焊接的边缘沿任何方向预热的距离都不必超过4in（100mm）。
7.2.2.2ISR/DHT
7.2.2.2.1ISR或DHT应在仔细考虑冶金因素和可能的风险之后才进行。
例如，考虑到钢材所允许的回火时间，ISR所选用的温度和次数必须兼顾减小应力需求与钢材的软化。
如果允许，DHT仅用于无拘束的焊缝，例如壳体焊缝或者壳体与封头的连接焊缝。
72222中间消除应力热处理（ISR）
在进行中间消除应力热处理时，每吋厚金属在下述温度下至少保
持1小时，且不低于2小时。
a普通钢：
大于1100F（593C）
b改进型钢：
大于1200F（649C）
72223脱氢热处理（DHT）
制造商应书面要求购买者同意采用低温DHT取代ISR。
制造商的
书面要求应含有详细的有关控氢的信息和数据，包括焊接材料的采购和储藏，DHT后焊缝和热影响区的氢含量以及焊接接头的无损检验。
采购方可要求制造商演示DHT后检测焊接接头缺陷的高灵敏度的超声波检测程序。
DHT时应保证金属温度不低于570°F（300C），时间由制造商和采购方商定，但不少于一小时。
7.2.3产品焊缝试验
7.2.3.1代表不同焊接工艺的焊缝的化学成分应通过实验室化学分析或使用具有相同精度的便携式分析仪器进行校核。
7.2.3.1.2焊缝金属中铬、钼、钒和铌元素（如果有）的含量应在ASME规范第H卷C篇中焊条的规定成分范围。
723.2焊缝及临近焊缝的母材的硬度
7.2.3.2.1最终PWHT（见7.4）后，应采用便携式硬度仪对每一承压焊缝的硬度进行测定。
7.2.3.2.2硬度测试应在焊缝金属和临近焊缝的母材处各测3点，测试
结果取3点的平均值。
7.2.3.2.3硬度测试结果应不超过:
a.普通钢：
225HB，或相当硬度值
b.改进型钢：
235HB，或相当硬度值
72324如可能，在与过程环境接触的面上，每隔3m焊缝或每小段焊缝测试硬度。
723.3焊缝冲击试验
7.2.3.3.1经最小PWHT的产品试板应符合ASME规范条款T-2的要求。
应对附加的经最大PWHT的产品试板进行试验，其结果应符合ASME规范条款T-2的要求。
冲击试验温度和合格标准应与5.5.3.1一致。
7.2.3.3.2除采购方放弃，按照5.5.3.2的要求，经最小PWHT的产品试
板，应在步冷试验前后分别进行冲击试验。
7.3堆焊层
以下特殊要求适用于堆焊层：
7.3.1材料要求
焊后热处理前，按照WRC342号报告的要求测定的奥氏体不锈钢
堆焊层的铁素体含量，应在3FN至10FN之间。
7.3.2堆焊层氢剥离试验
7.3.2.1如业主/用户要求，评价堆焊层氢剥离敏感性的试验方法应由业主/用户和制造商双方协商制订。
业主/用户应提出试验要求和合格指标。
ASTM标准G146中有标准的氢剥离试验的实例。
至少，氢剥离试验应代表设备在运行中的实际操作条件（氢分压，温度和冷却速率）。
7.3.2.2对用于容器壳体和封头的每一堆焊工艺，制造前应可提供其氢剥离试验结果。
如果提出的堆焊焊接工艺规程和操作条件具有代表性，前述氢剥离试验结果可提交业主/用户审阅。
7.3.3堆焊工艺评定
7.3.3.1所选堆焊工艺和堆焊层层数应符合ASME规范第区卷的规定。
733.2工艺评定试验用母材应与容器制造用母材为相同的ASME规范
材料，材料可以是钢板或锻件。
试样厚度应不小于容器母材厚度的一半或2吋（50mm）。
堆焊工艺评定所用的焊条、焊丝和焊剂的类型和牌号应与生产中使用的类型和牌号相同。
7.3.3.3工艺评定用试板应经最大PWHT。
7.3.3.4堆焊层的化学成分应采用化学分析方法校核，按ASME规范第
区卷中图QW-462.5（a）的规定，从最小厚度处取样。
分析结果应符合规范对最后一层堆焊层填充金属的成分要求。
应采用该分析结果计算铁素体含量，计算结果应介于3FN和10FN之间。
7.3.4预热和热处理
对第一层堆焊层，母材应按7.2.2.1预热，层间温度不超过480°
（250C）。
如果采用静止空气中冷却，堆焊后的中间消除应力热处理
（ISR）可省略。
对于第二层以及以后各层堆焊层，不需要预热。
7.3.5堆焊层产品试验
7.3.5.1堆焊层化学成分
堆焊层化学成分应采用试验室化学分析方法分析，样品取自堆焊层表面下至少1/8吋（3.2mm）处。
化学成分应符合规定的堆焊材料的化学成分要求（C,Cr,Ni,Cb,Mo,V,和Ti）。
每一节筒节或封头至少分析
一点。
对每一手工堆焊的接管，要求分析一点。
735.2堆焊层的铁素体含量
73521采用按AWSA4.2标定的磁性测定仪测定产品堆焊层的铁素体含量，测试应在PWHT前进行。
7.3.5.2.2按照AWSA4.2附录A7，A7.1段的规定标定steelbackingmaterial。
7.3.5.2.3以下各部位，每个部位应测6个铁素体含量数据并记录最小
值：
a.对每一筒节和圭寸头至少随机选择10个部位。
b.接管两端每一环焊缝以及每条A、B和D类焊缝各1个部位。
7.3.5.2.4每个部位测得的铁素体含量应在3FN和10FN之间。
7.4最终PWHT
7.4.1只要可能，制造容器应在封闭的炉子里进行整体焊后热处理。
若容器尺寸较大不能进行整体热处理，可按ASME规范AF—410,分段进行焊后热处理。
7.4.2应严格控制PWHT的温度，采用热电偶测量容器表面温度和炉温，包括容器在炉子外面部分的温度。
容器在炉子外面的部分应进行保温，以减小温度梯度。
每次热处理时，都应对热电偶进行合理分布，应对容器内外壁温度进行测量和控制。
应记录PWHT过程的连续的时间—温度曲线，以符合ASME规范
AF-415的要求。
8无损检验（NDE）
8.1按照ASNT推荐规程N0.SNT-TC-1A的要求，所有检测人员都应是
具有资质的检验人员，解释和报告的结果也应符合该规程。
8.2制造前的NDE
8.2.1超声波检验（UT）
8.2.1.1所有母材钢板在成型前都应按照ASME规范第V卷SA435中附加要求S1的规定，进行100%超声波检验。
8.2.1.2所有壳体、接管和人孔锻件都应按照ASME规范第忸卷第2分
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