輕型化—壓力容器的發展方向

劉雨鑫

摘 要：科學技術的進步和發展讓壓力容器的應用領域日益廣泛，并在各個應用領域發揮出重要作用和影響。輕型化-壓力容器也日漸在壓力容器的發展中嶄露頭角，成為引領壓力容器發展的重要方向?；诖耍疚木洼p型化-壓力容器的發展方向進行分析和研究，希望可以為輕型化-壓力容器的更好發展提供借鑒。

關鍵詞：壓力容器；輕型化-壓力容器；發展方向

1 材料強度發展

1.1 低合金高密度鋼

由于具有良好的綜合性能，因此，越來越廣泛的應用與壓力容器中。在《壓力容器用鋼板》、《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼厚鋼板》以及《鍋爐和壓力容器用鋼板》中，16MnR的屈服強度最大值基本都是345MPa，然而，其厚度范圍處于持續擴展狀態，也在逐步提升厚鋼板強度。

1.2 含氮不銹鋼

將氮元素添加至不銹鋼中，能夠實現其強度的顯著提升，并對焊接性與耐腐蝕性起到一定改進作用。由于氮價格比較低廉，并且能夠實現不銹鋼強度的顯著提升，其應用范圍在不斷擴展。自20世紀70年代以來，在冶金工業領域中，通常用氮開展不銹鋼的合金化工作，關于最為普遍的含氮不銹鋼方面，主要包括兩種，即哦，奧氏體不繡鋼與雙相不繡鋼。其中，對于奧氏體不銹鋼而言，其綜合力學性能與耐腐蝕性比較突出，對氮元素進行添加之后，在不對材料塑性與韌性造成嚴重損害的基礎上，能夠實現其強度的提升。

1.3 復合材料

復合材料不僅具有突出的強度、剛度與穩定性，并且其質量比較輕，該材料普遍應用于新能源汽車與航空航天領域高壓燃料儲存容器中。對于復合材料壓力容器而言，其主要包括金屬內膽與塑料內膽兩種結構形式。相比較于鈦合金制容器性能因子，金屬內膽是其1.5～3倍，能夠減少20%至50%的質量。相比較于金屬內膽，塑料內膽的輕型化程度更為突出。

2 安全系數降低

伴隨著壓力容器用鋼質量、焊接技術，以及射線、超聲、渦流檢測等無損檢測技術的發展，加之，壽命預測與可靠性分析技術水平處于持續提升狀態，致使壓力容器安全系數在不斷降低。以ASME鍋爐為例，關于其抗拉程度方面，1914年至1944年其安全系數是5，在第二次世界大戰期間，由于缺乏相關材料，1944年至1945年安全系數將為4，1945年又回升至5.0，1951年其安全系數為4，1999年其安全系數為3.5，2007年其安全系數為2.4。在我國的《固定式壓力容器安全技術監察規程》中，相對于抗拉強度安全系數方面，也作出了相關調整，針對常規設計中，由最初的3降至2.7，針對分析設計中，由最初的2.6降至2.4。

3 強度更高屈服

第一，針對奧氏體不銹鋼、銅、鎳、鋁等材料而言，這些材料具備良好的韌性、塑性以及較低的屈強比，屈服強度決定者其許應用力。所以，關于屈服強度方面，很多國家都通過Rp10將Rp12取而代之，通過該方法，能夠實現材料許用應力值的顯著提升。利用該方法開展相關設計工作，針對奧氏體不銹鋼，能夠實現許用應力值12%至43%的提升，針對純鋁材料，能夠提升22%至80%。通過更高的屈服強度，能夠確保容器的安全性，并且能夠符合工程應用的要求與規定；第二，伴隨著溫度的不斷減少，會提升奧氏體不銹鋼的強度，在《鋼制壓力容器》與《非火焰直接接觸壓力容器》等有關標準內容中，通常不會對低溫強化關于材料程度的影響作用，進行考量。在美國的部分標準中明確規定，在低溫的環境條件下，在使用5% 、8%、9%N2鋼和304不銹鋼以及5083-0型鋁合金的過程中，可以通過更高的強度，來對其許用應力進行確定。

4 應變技術應用

由于奧氏體不銹鋼的屈強比不高，根據傳統壓力容器許應用力的確定方法，即便相對于抗拉強度的安全系數為2.4，仍然由屈服強度對許用應力，開展相關控制工作，對奧氏體不銹鋼的優良綜合性能的發揮，起到一定的影響作用。關于其屈服強度方面，可以將Rp12用Rp10取代，還可以通過應變強力技術，來實現其屈服強度的提升。關于應變強化技術方面，主要包括兩大類型，即室溫應變強化與低溫應變強化。其中，在室溫應變強化中，在結束容器制造工作之后，在室溫環境中開展水壓試驗，在特定的強化壓力之下，容器就會生成塑性變形，進而實現屈服強度的提升。在低溫應變強化中，通過液氮冷卻容器，開展液氮打壓工作，利用面心至體心立方結構馬氏體相的無擴散變化，來確保材料強度提升工作的完成。

5 融洽結構優化

關于壓力容器結構的優化方面，其主要分為兩大類：

第一，針對結構形式，開展優化工作，通過纏繞式高壓容器結構，能夠實現焊接工作量的高效降低，并實現容器抗疲勞性的提升；第二，針對當前結構，開展優化設計工作，換而言之，以最優化理論為前提，根據設計所追求的目標，在符合強度、穩定性等約束條件的基礎上，對最優方案的設計方法進行查找。其目標函數為最小容器中量與最小應力集中系數等，以相關設計條件為前提，通過計算機輔助優化設計方法，使安全性得到保障的同時，能夠實現容器重量的減小。

6 結語

輕型化-壓力容器的發展對于壓力容器的發展具有重要作用和影響，其在引領壓力容器的發展方向方面更是做出卓越貢獻。探索輕型化-壓力容器的發展路徑，對其發展方向予以深入探究，更加能夠讓壓力容器得以更好發展，也能夠讓壓力容器的應用作用得以充分發揮。

參考文獻：

[1]陳小寧，周吉軍.奧氏體不銹鋼壓力容器的應變強化承載能力研究[J].中國設備工程，2017（04）：173-174.