Druckbehälter aus Stahl
Was ist ein Druckbehälterstahl?
Druckbehälter-Stahlplatten, oft als „Boiler Plates“ bezeichnet, sind spezialisiertKohlenstoff- und niedriglegierte warm-gewalzte Stahlplattenhauptsächlich zur Herstellung verwendetDruckbehälterschalen, Kesseltrommeln und andere unter Druck stehende Komponenten. Diese Materialien arbeiten typischerweise in einem Temperaturbereich von-20 Grad bis 500 Grad, mit bestimmten hohen-Leistungsstufen, wie z. B. „typisch“.16MnR,P265GH, P295GH, P355GH, A387, A537, A612Stahl– kann bis zu erreichen560 Grad.
Da diese Behälter unter extremen Bedingungen arbeiten, einschließlich hohem Druck, intensiven Wärmezyklen und korrosiven Medien, müssen sie sechs kritische Leistungskriterien erfüllen:
1. Hohe Festigkeit:Fähigkeit, dem enormen Innendruck von Dampf, Gasen oder Flüssigkeiten standzuhalten und so plastische Verformung oder katastrophales Platzen zu verhindern.
2. Hervorragende Zähigkeit und Plastizität:Beständigkeit gegen Sprödbruch bei Druckschwankungen oder Temperaturschocks, wodurch eine hohe Beständigkeit gegen Risswachstum gewährleistet wird.
3. Hervorragende Schweißbarkeit:Gefäße werden typischerweise durch Schweißen hergestellt; Der Stahl muss leicht zu schweißen sein und gleichzeitig sicherstellen, dass die Verbindung ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Grundmetall behält.
4.Hohe-Temperaturleistung:
- Kriechwiderstand:Aufrechterhaltung der Stabilität ohne langsame Verformung (Kriechen) oder Bruch unter kontinuierlich hoher Belastung und Hitze.
- Oxidationsbeständigkeit:Beständig gegen korrosive Ablagerungen durch Hochtemperaturdampf oder Luft.
5.Niedrige-Temperaturbeständigkeit:Für kryogene Anwendungen (z. B. LNG, flüssiges Ammoniak) muss der Stahl duktil bleiben, um einen „Sprödbruch bei niedrigen Temperaturen“ zu verhindern.
6. Korrosionsbeständigkeit:Fähigkeit, chemischen und elektrochemischen Angriffen durch Medien wie Schwefelwasserstoff (H2S), Ammoniak, Säuren und Laugen zu widerstehen.
Klassifizierung von Druckbehälterstählen
1. Klassifizierung nach chemischer Zusammensetzung
Die chemische Zusammensetzung bestimmt die grundlegenden physikalischen und mechanischen Grenzen des Stahls.
Kohlenstoffstahl:
- Zusammensetzung:Hauptsächlich Eisen und Kohlenstoff mit geringen Mengen Mangan (Mn) und Silizium (Si).
- Eigenschaften:Ein ausgezeichnetes Gleichgewicht zwischen Stärke und Kosteneffizienz. Allerdings mangelt es ihm an erheblicher Korrosionsbeständigkeit, was seinen Einsatz in hochaggressiven Umgebungen einschränkt.
- Typische Noten:
ASME/ASTM:SA-516 (Klassen 55, 60, 65, 70); SA-515 (Klassen 60, 65, 70); ASTM A285 (Klassen A, B, C).
Europäisch (EN 10028-2):P265GH, P295GH, P355GH.
Chinesisch (GB 713): Q245R, Q345R.
Niedriglegierter Stahl:
- Zusammensetzung:Enthält 1 % bis 5 % Legierungselemente zur Leistungssteigerung.
- Schlüsselelemente:
Chrom (Cr):Verbessert Festigkeit, Härte und Oxidationsbeständigkeit.
Molybdän (Mo):Verbessert die Hochtemperaturfestigkeit (Kriechfestigkeit) und die Korrosionsbeständigkeit.
Nickel (Ni):Sorgt für Zähigkeit und wesentliche Beständigkeit gegen niedrige Temperaturen.
- Typische Noten:
ASME SA-387:Güteklasse 11, Güteklasse 22 (Cr-Mo-Stähle).
ASTM A204:Sorten A, B, C (Molybdänlegierung).
ASTM A533:Klasse 1, Klasse 2 (Mn-Mo-Ni-Legierung für Kernreaktoren).
EN 10028-2:16Mo3, 13CrMo4-5, 10CrMo9-10.
GB 713:12Cr1MoV, 15CrMoR.
2. Klassifizierung nach Serviceumgebung
Hohe-Temperatur und hoher-Druck:Wird in Reaktoren und Koksfässern verwendet.
Noten:15CrMoR, 12Cr2Mo1R (SA387 Gr22), 10CrMo9-10.
Niedrig-Temperatur/Kryogen-Service:Wird zur Speicherung von Flüssiggas verwendet.
Noten:ASTM A612, A662, A735, A203, A645.
Chinesisch:09MnNiDR, 16MnDR, 15MnNiDR („DR“ steht für ein Gefäß mit niedriger Temperatur).
Japanisch (JIS):SL1N, SL2N, JIS G3126.
Hoch-Vergütetes Material (Q&T):
Noten:ASTM A517, A537, A724, JIS G3115.
Chinesisch:18MnMoNbR, 13MnNiMoR (verwendet für dickwandige Hochdruckgeräte).
3. Klassifizierung nach Festigkeitsniveau (Zugfestigkeit N/mm).2)
Basierend auf Tabelle 6-7-3 „Qualitätsindikatoren für Druckbehälterplatten“:
310–350 N/mm2:ASTM A285, BS1501, DIN 17175, GOST 5520.
360–380 N/mm2:ASTM A285, A515, A516, A442, GOST 5520.
390–410 N/mm2:ASTM A515/516, A442, JIS G3116/G3103/G3118/G3115.
430–450 N/mm2:ASTM A515/516, JIS G3116/G3103/G3118.
480–490 N/mm2:ASTM A515/516, A537, A737, JIS G3116/G3113/G3118/G3115, GB 713.
510–530 N/mm2:ASTM A455, A299, DIN 17155, JIS G3115.
Abmessungen, Spezifikationen und Qualitätsstandards
- Dickenbereich:Im Allgemeinen von5mm bis 200mm, mit spezifischen Dickenintervallen, die durch internationale Standards definiert sind.
- Geometrische Kontrolle:Strenge Toleranzen für Form, Ebenheit und Rechtwinkligkeit.
- Oberflächenqualität:Oberflächenfehler wie Risse, Krusten, rollende Blasen, Verunreinigungen und eingedrückter Zunder sind strengstens untersagt. Die Beseitigung von Mängeln ist nur dann zulässig, wenn die Restdicke innerhalb der zulässigen Toleranzen bleibt.
- Interne Integrität:Eine Laminierung (Innenschichten) ist grundsätzlich nicht zulässig und wird durch Ultraschallprüfung überprüft.
Indikatoren für die chemische Zusammensetzung (Fokus auf Kohlenstoffstahl)
Die Festigkeit von Kohlenstoffstahl nimmt hauptsächlich mit dem Kohlenstoffgehalt zu.
- Kohlenstoff (C):Typischerweise zwischen0,16 % und 0,33 %. Sie ist der Hauptfaktor, der die Festigkeit der Platte bestimmt.
- Silizium (Si) und Mangan (Mn):Si (0,10 %–0,55 %) und Mn (0,4 %–1,6 %) werden zur Verbesserung der Materialqualität und Zähigkeit verwendet.
- Verunreinigungskontrolle:Premiumqualitäten beschränken den Gehalt an Kupfer (Cu < 0,30 %), Chrom (Cr < 0,25 %), Nickel (Ni < 0,30 %), Molybdän (Mo < 0,10 %) und Vanadium (V < 0,03 %) strikt.
Herstellungsprozesse und fortschrittliche Technologien
Um die Sicherheit unter extremen Bedingungen zu gewährleisten, ist die Herstellung deutlich strenger als bei Standardbaustahl:
- Schmelzen:Verwendet Konverter- oder Elektroöfen, gefolgt von sekundärer Raffination (LF, RH oder VD) und Vakuumentgasung, um schädliche Gase (O, H, N) und Verunreinigungen (P, S) zu minimieren.
- Besetzung:Strangguss mit elektromagnetischem Rühren zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Innenqualität und Reduzierung der Entmischung.
- Wärmebehandlung:
Normalisieren (N):Verfeinert die Kornstruktur und verbessert die Zähigkeit und Festigkeit.
Normalisieren + Anlassen (N+T):Entlastet innere Spannungen und stabilisiert die Mikrostruktur.
Abschrecken + Anlassen (Q+T):Bietet die optimale Balance aus hoher Festigkeit und Duktilität für Spezialgüten.
Kontrolliertes Rollen:Präzises Management von Temperatur und Verformung zur Verfeinerung der Korngröße.
Prüf- und Auswahlkriterien
1. Obligatorische Inspektionen
- Ultraschallprüfung (UT): 100 % UT-Inspektionist eine zwingende Voraussetzung, um interne Delaminationen oder Einschlüsse zu erkennen.
- Mechanische Prüfung:Jede Platte muss Zug-, Schlag- (V-Kerbe bei Raumtemperatur und niedrigen Temperaturen) und Biegetests unterzogen werden.
- Zugprüfung bei hoher-Temperatur:Erforderlich für Stähle, die für den Einsatz bei hoher Hitze vorgesehen sind.
2. Auswahllogik
- Auslegungsdruck und -temperatur:Der Hauptfaktor für die Materialauswahl (z. B. Cr-Mo für Wärme, Ni--Legierung für Kälte).
- Medieneigenschaften:Das Vorhandensein korrosiver Stoffe wie H2S erfordert HIC-beständige oder Cr-Mo-Stähle.
- Wandstärke:Schwerwandige Behälter erfordern Stähle mit hoher Härtbarkeit, um eine gleichmäßige Leistung zu gewährleisten.
- Schweißbarkeit:Gemessen durch Kohlenstoffäquivalent (CEV oder CET); Niedrigere Werte weisen auf eine einfachere Schweißbarkeit hin.
- Einhaltung gesetzlicher Vorschriften:Strikte Einhaltung von Kodizes wieASME VIII Div.1oderGB 150.
Industrielle Anwendungen
Stromerzeugung:Kesseltrommeln, Sammler und Wasserwände.
Petrochemie:Reaktoren, Wärmetauscher, Destillationskolonnen und Kugeltanks (LPG, Sauerstoff, Stickstoff).
Kohle und Feinchemikalien:Vergaser, Wäscher und Druckreaktionskessel.
Kernenergie:Sicherheitsbehälter, Druckbehälter und Dampferzeugerhalterungen.
Transport:Spezialkesselwagen für Schiene und Straße (LPG/Flüssiges Ammoniak).
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Internationaler Vergleich von Stahlsorten für Kessel und Druckbehälter
Teil 1: GB 713 – 2008 Standard (Stahlplatten für Kessel und Druckbehälter)
| China (GB/YB) | USA (ASTM) | Japan (JIS) | Europa (DIN/BS/NF EN) | Russland (GOST) | ISO |
| Q245R(Prev. 20g, 20R) | A414/A414M Gr. D | (JIS G3124) SEV 25 | S235JR (1.0038), S235J0 (1.0114), S235J2 (1.0117) | Ст3кп | P235GH |
| Q345R(Vorherige. 16Mng, 19Mng, 16MnR) | A737/A737M Gr. B | (JIS G3124) SEV 345 | S355JR (1.0045), S355J0 (1.0553), S355J2 (1.0577), S355K2 (1.0596) | 17°C, 15XCHÄ | P355GH |
| Q370R(Vorherige. 15MnNbR) | A572/A572M Gr. 50 (345) | (JIS G3115) SPV 355 | S355JR (1.0045), S355J0 (1.0553), S355J2 (1.0577), S355K2 (1.0596) | 10Г2Б | P355GH |
| 18MnMoNbR | A735/A735M Gr. 1 | (JIS G3115) SPV410 | — | — | — |
| 13MnNiMoR(Vorherige. 13MnNiCrMoNbg, 13MnNiMoNbR) | A738/A738M Gr. B | — | — | — | 15NiCuMoNb 5-6-4 |
| 15CrMoR(Vorherige. 15CrMog) | A387/A387M Gr. 12 (K11757) | (JIS G4109) SCMV2 | 18CrMo4 | 15XM | 13CrMo4-5 (ASME: 14CrMo4-5) |
| 14Cr1MoR | A387/A387M Gr. 11 (K11789) | (JIS G4109) SCMV3 | 18CrMo4 | 15XM | 13CrMoSi5-5 (ASME: 14CrMoSi5-6) |
| 12Cr2Mo1R | A387/A387M Gr. 22 (K21590) | (JIS G4109) SCMV4 | — | — | 10CrMo9-10 (ASME: 13CrMo9-10 / 14CrMo9-10) |
| 12Cr1MoVR(Vorherige. 12Cr1MoVg) | — | — | — | — | — |
Teil 2: GB 5310 – 1995 Standard (Nahtlose Stahlrohre für Hochdruckkessel)
| China (GB/YB) | USA (ASTM) | Japan (JIS) | Deutschland (DIN EN) | Russland (GOST) | ISO |
| 20G | 1020 | (JIS G3461) STB340 | C22 (1.0402), C20C (1.0411) | 20 | — |
| 20MnG | 1022 | STB 410 | C22 (1.0402) | 20Г | — |
| 25MnG | 1026 | STB 510 | C26D (1.0415) | 25Г | — |
| 15MoG | ASTM A692 (Definierte Güteklasse, kein Code) | (JIS G3462) STBA 12 | — | — | 16Mo3 |
| 20MoG | ASTM A209/A209M T1a | (JIS G3462) STBA13 | — | — | — |
| 12CrMoG | ASTM A250 T2 | STBA20 | — | — | 13CrMo4-5 |
| 15CrMoG | ASTM A250 T12 | STBA22 | — | — | 13CrMoSi5-5 |
| 12Cr2MoG | ASTM A250 T22 | STBA24 | — | — | 10CrMo9-10 |
| 12Cr1MoVG | — | — | — | — | — |
| 12Cr2MoWVTiB | — | — | — | — | — |
| 12Cr3MoVSiTiB | — | — | — | — | 12CrMoV12-10 |
| 10Cr9Mo1VNb | ASTM A199/A199M T91 | STBA26 | — | — | X10CrMoVNb9-1 |
| 07Cr18Ni11Nb(Vorherige. 1Cr19Ni11Nb) | 347H | SUS347H | X7CrNiNb18-10 (1.4912) | — | X7CrNiNb18-10 |
Teil 3: GB 13396 – 2007 Standard (Edelstähle für Druckgeräte)
| China (GB/YB) | USA (ASTM) | Japan (JIS) | Europa (DIN/BS/NF EN) | Russland (GOST) | ISO |
| 06Cr19Ni10(Vorherige. 0Cr18Ni9) | A213 TP304 | SUS304 | X5CrNi18-10 (1.4301) | — | X5CrNi18-10 |
| 12Cr18Ni9(Vorherige. 1Cr18Ni9) | — | — | X10CrNi18-8 (1.4310) | 12X18H9 | X10CrNi18-8 |
| 1Cr19Ni9 | TP304H | SUS304HTB | X6CrNi18-10 (1.4948) | — | X7CrNi18-9 |
| 022Cr19Ni10(Vorherige. 00Cr19Ni10) | TP304L | SUS304LTB | X2CrNi19-11 (1.4306) | 03X18H11 | X2CrNi19-11 |
| 06Cr18Ni11Ti(Vorherige. 0Cr18Ni10Ti) | TP321 | SUS321TB | X6CrNiTi18-10 (1.4541) | 08X18H10T | X6CrNiTi18-10 |
| 07Cr19Ni11Ti(Vorherige. 1Cr18Ni11Ti) | TP321H | SUS321HTB | X6CrNiTi18-10 (1.4541) | 12X18H11T | X7CrNiTi18-10 |
| 06Cr18Ni11Nb(Vorherige. 0Cr18Ni11Nb) | TP347 | SUS347TB | X6CrNiNb18-10 (1.4550) | 08X18H12Б | X6CrNiNb18-10 |
| 07Cr18Ni11Nb(Vorherige. 1Cr19Ni11Nb) | TP347H | SUS347HTB | X7CrNiNb18-10 (1.4912) | — | X7CrNiNb18-10 |
| 06Cr17Ni12Mo2(Vorherige. 0Cr17Ni12Mo2) | TP316 | SUS316TB | X5CrNiMo17-12-2 (1.4401) | — | X5CrNiMo17-12-2 |
| 07Cr17Ni12Mo2(Vorherige. 1Cr17Ni12Mo2) | TP316H | SUS316HTB | X3CrNiMo17-13-3 (1.4436) | — | — |
| 0Cr18Ni12Mo2Ti | TP316Ti | SUS316TiTB | X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) | — | X6CrNiMoTi17-12-2 |
| 1Cr18Ni12Mo2Ti | TP316Ti | SUS316TiTB | X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) | — | X6CrNiMoTi17-12-2 |
| 06Cr17Ni12Mo3Ti(Vorherige. 0Cr18Ni12Mo3Ti) | TP316Ti | SUS316TiTB | X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) | 08X17H13M3T | X6CrNiMoTi17-12-2 |
| 1Cr18Ni12Mo3Ti | TP316Ti | SUS316TiTB | X6CrNiMoTi17-12-2 (1.4571) | 08X17H13M3T | X6CrNiMoTi17-12-2 |
| 1Cr18Ni9Ti | TP321 | SUS321TB | X6CrNiTi18-10 (1.4541) | 12X18H10T | X7CrNiTi18-10 |
| 06Cr19Ni13Mo3(Vorherige. 0Cr19Ni13Mo3) | TP317 | SUS317TB | — | — | — |
| 022Cr19Ni13Mo3(Vorherige. 00Cr19Ni13Mo3) | TP317L | SUS317LTB | X2CrNiMo18-15-4 (1.4438) | 03X16H15M3 | X2CrNiMo 18-15-4 (1.4438) |
| 022Cr19Ni10N(Vorherige. 00Cr18Ni10N) | TP304LN | SUS304LN | X2CrNiN18-10 (1.4311) | — | X2CrNiN18-9 |
| 06Cr19Ni10N(Vorherige. 0Cr19Ni9N) | TP304N | — | X5CrNiN19-9 (1.4315) | — | X5CrNiN19-9 |
| 06Cr23Ni13(Vorherige. 0Cr23Ni13) | TP309S | SUS309STB | X12CrNi23-13 (1.4833) | 10X23H13 | X12CrNi23-13 |
| 16Cr23Ni13(Vorherige. 2Cr23Ni13) | — | SUS309TB | X15CrNiSi20-12 (1.4828) | 20X23H12 | — |
Teil 4: Normen GB 3531 – 1996 und GB/T 18984 – 2003 (Stähle für niedrige Temperaturen)
| China (GB/YB) | USA (ASTM) | Japan (JIS) | Europa (DIN/BS/NF EN) | Russland (GOST) | ISO |
| 16MnDR | A572/A572M Gr. 50 [345] | (JIS G3460) STPL380, (JIS G3464) STBL380 | E335 (1.0060) | 15XCH„ | E355 |
| 15MnNiDR | Gr. 50 [345] | STPL380, STBL380 | E335 (1.0060) | 15XCH„ | E355 |
| 09Mn2VDR | A572/A572M Gr. 42 [290] | STPL 450, STBL 450 | E295 (1.0050) | 09Г2, 09Г2Д | E275 |
| 09MnNiDR | Gr. 42 [290] | STPL 450, STBL 450 | E295 (1.0050) | 09Г2, 09Г2Д | E275 |
| 16MnDG | Gr. 50 [345] | STPL380, STBL380 | E335 (1.0060) | 15XCH„ | E355 |
| 10MnDG | A283/A283M Gr. D | (JIS G3101) SS400 | S235JR (1.0038) | Ст3кп | E235A |
| 09DG | Gr. C | SS330 | — | Ст2кп | — |
| 09Mn2VDG | A572/A572M Gr. 42 [290] | (JIS G3460) STPL 450, (JIS G3464) STBL 450 | E295 (1.0050) | 09Г2, 09Г2Д | E275 |
| 06Ni3MoDG | Gr. 42 [290] | STPL 450, STBL 450 | E295 (1.0050) | 09Г2, 09Г2Д | E275 |
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