壓力容器設(shè)計選材的探討

朱龍 陳輝

摘要：材料是構(gòu)成設(shè)備的物質(zhì)基礎(chǔ)，在化工壓力容器設(shè)計中，能夠與強度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計并重的唯有材料及其影響因素，前者依賴于定量計算，后者有時更注重定性分析，材料科學(xué)所具有的半科學(xué)、半經(jīng)驗性質(zhì)給選材增加了難度。所以，設(shè)計人員能否合理的選材，直接關(guān)系到壓力容器的安全及經(jīng)濟合理性。

關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計；選材

一、壓力容器用材的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展將以生物技術(shù)、信息技術(shù)和新材料的發(fā)展為三大支柱，其中新材料的發(fā)展是當(dāng)代高新技術(shù)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代工業(yè)的基石。我國的機械制造業(yè)在工業(yè)化進程中有著舉足輕重的作用，是創(chuàng)造人類財富的支柱產(chǎn)業(yè)。機械設(shè)計中材料的選擇和應(yīng)用作為機械行業(yè)對國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，在經(jīng)濟發(fā)展中有非常重要的作用，為國民經(jīng)濟的發(fā)展作出了重要的貢求，材料的需求與時代密切相關(guān)，鋼制壓力容器的材料選擇是壓力容器設(shè)計過程中的重要部分。如果壓力容器在設(shè)計和制造過程中材料選擇不當(dāng)，則為壓力容器的安全性能帶來隱患網(wǎng)。如大型浮頂油罐，對油罐使用的材料要求很高，合理選材是防止油罐脆性斷裂的必要條件網(wǎng)。以往壓力容器材料多為金屬板材，容器內(nèi)襯采用耐腐蝕的合金鋼材料，外層進行金屬層板包扎以提高機械強度，但金屬材料密度大造價高，尤其是在腐蝕嚴(yán)重的場合選用合金鋼材料，給工業(yè)生產(chǎn)帶來許多不便。

（1） 壓力容器用低合金鋼，雖然機械性能指標(biāo)優(yōu)于碳素鋼，但其可焊性、冷加工性能卻不如碳素鋼好。

（2）鎮(zhèn)靜鋼在許多方面的性能都優(yōu)于沸騰鋼.但是當(dāng)用于制造搪玻璃容器時.沸騰鋼的搪瓷放果反而比鎮(zhèn)靜鋼好網(wǎng)，

（3）奧氏體不銹鋼耐通常介質(zhì)腐蝕效果優(yōu)于碳鋼及低合金鋼，但其耐含c-介質(zhì)腐蝕性能不如碳素鋼和低合金鋼：

（4）超低碳不銹鋼的價格和耐腐濁性能雖然優(yōu)于普通不銹鋼但其，高溫?zé)釓娦詤s不如普通不銹鋼，碳在奧氏體不銹鋼中具有兩重性從耐腐蝕性來說.需要降低含碳量；而以耐高溫性能來說則需要適當(dāng)提高含碳量網(wǎng)。如奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鋁合金和9Ni鋼，對于奧氏體不銹鋼和鎳基合金9Ni鋼具有合金含量少、經(jīng)濟性高的優(yōu)點，相對于鋁合金，9Ni鋼有強度高，熱膨脹率小的優(yōu)點間，由此可見材料的設(shè)計創(chuàng)新還具有更大的發(fā)展空間。20世紀(jì)40年代，復(fù)合材料得到迅速發(fā)展。

二、壓力容器選材原則

一般來說，壓力容器的選材應(yīng)遵循的原則有：在相同的或相近的工程中應(yīng)用，應(yīng)盡可能選用統(tǒng)一的材料；壓力容器材料的采購渠道和價格；材料的可加工性，例如能否進行冷加工或者可焊接性能；材料耐腐蝕的能力；材料的力學(xué)性能；容器的應(yīng)用條件等。具體來說，可從以下兩方面進行考慮。

1）從材料性能方面考慮，壓力容器用材料，特別是承壓元件材料應(yīng)具有以下性能：好的焊接性能，較好的成型性，高韌性和較大的塑性。

2）從經(jīng)濟性方面考慮，需要堅持的原則有：以剛度

或結(jié)構(gòu)設(shè)計為主要考量的設(shè)備設(shè)計中，受壓殼體最好選用普通碳素鋼；在設(shè)計溫度在350～550℃的壓力容器設(shè)計中，鉻鉬低合金鋼可作為選用材料；不銹鋼主要用于介質(zhì)具有較強的腐蝕性，并且鐵離子濃度較高，設(shè)計溫度在500℃以上的容器設(shè)計中。

三、材料代用問題研究

（一）“以優(yōu)代劣”

壓力容器所用金屬材料主要性能包括力學(xué)性能、耐腐蝕耐高溫性能及制造工藝等，一種材料在某一方面“優(yōu)”于另一種材料的同時，可能其他性能“劣”于另一種材料。

常見的材料“以優(yōu)代劣”問題有：①壓力容器采用低合金鋼的強度等力學(xué)性能要比碳素鋼好，但是可焊性卻處于劣勢，并且低合金鋼的抗應(yīng)力腐蝕方面不如碳素鋼，同時低合金鋼的價格要明顯高于碳素鋼。②對于制造換熱器所用材料，鍛件的綜合性能要比板材好，但在一定厚度范圍內(nèi)（<60mm時）也可選用板材。

（二）“以厚代薄”

增加壓力容器壁厚能在一定程度上增加其穩(wěn)定性，但是也應(yīng)看到，“以厚代薄”使殼體的受力由平面應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，在一定程度上改變了其受力情況，導(dǎo)致其容易產(chǎn)生三向拉應(yīng)力的平面應(yīng)變脆性斷裂。壓力容器“以厚代薄”可能產(chǎn)生新的問題，包括焊接技術(shù)、無損檢測等提出新的要求，壓力容器總重量增加、殼體散熱性能變差等。

四、壓力容器設(shè)計選材研究

（一）化學(xué)成分

壓力容器材料的化學(xué)成分主要影響機械性能和熱處理性能，碳含量增加在強度增加的同時也會導(dǎo)致塑性變差，作為鋼材中最主要的有害元素，硫和磷的含量應(yīng)盡可能降低，可以提高鋼材的韌性、抗回火脆化性能和抗腐蝕性能。此外，在材料中加入釩、鈦、鈮等元素，可以改善材料的性能。

（二）力學(xué)性能

壓力容器材料受力后所表現(xiàn)出的不同行為稱為材料的力學(xué)行為。材料的力學(xué)行為，不僅與其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與材料所處的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境有密切的關(guān)系。

（三）使用條件

進行壓力容器設(shè)計時應(yīng)考慮該容器所處條件因素對于選材的特殊要求，主要包括設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、氣候條件等。例如在鈦和鈦合金壓力容器受壓元件制造時，應(yīng)當(dāng)考慮的因素包括：①鈦和鈦合金的使用溫度不高于315℃，鈦-鋼復(fù)合板的設(shè)計溫度不高于350℃；②對于要在高溫、高壓、含氫壓力容器，所用鈦制材料必須具備較強的高溫狀態(tài)下的熱強性、抗高溫氧化能力和抗氫腐蝕能力。同時應(yīng)考慮介質(zhì)特性對于容器材料的作用，例如有的介質(zhì)能使材料脆化、有的具有較高的腐蝕性、有的易分解等。所以進行壓力容器選材還應(yīng)考慮材料與介質(zhì)的匹配性能。

（四）制造工藝

材料制造工藝性能的要求與壓力容器的結(jié)構(gòu)和使用條件緊密相關(guān)，制造過程中進行冷卷、冷沖壓加工的零部件，要求鋼材有良好的冷加工成形性能和塑性，其斷后延長率應(yīng)在17%～23%以上。為檢驗鋼板承受彎曲變形能力，一般應(yīng)根據(jù)鋼板的厚度，選用合適的彎心直徑，在常溫下做彎曲角度為180°的彎曲試驗，試樣外表面無裂紋的鋼材方可用于制造壓力容器。大量實驗表明，鋼材的可焊性主要受其中化學(xué)成分控制。

五、結(jié)束語

壓力容器作為一種特種設(shè)備，其設(shè)計、制造、使用全過程應(yīng)嚴(yán)格按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。壓力容器設(shè)計選材作為其中基礎(chǔ)的、重要的一環(huán)，理應(yīng)引起人們的重視。

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（作者單位：）江蘇恒德力化工設(shè)備制造有限公司