壓力容器設計選材的探討

朱龍 陳輝

摘要：材料是構成設備的物質基礎，在化工壓力容器設計中，能夠與強度計算和結構設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，材料科學所具有的半科學、半經驗性質給選材增加了難度。所以，設計人員能否合理的選材，直接關系到壓力容器的安全及經濟合理性。

關鍵詞：壓力容器；設計；選材

一、壓力容器用材的發展現狀

現代科學技術的發展將以生物技術、信息技術和新材料的發展為三大支柱，其中新材料的發展是當代高新技術的基礎，也是現代工業的基石。我國的機械制造業在工業化進程中有著舉足輕重的作用，是創造人類財富的支柱產業。機械設計中材料的選擇和應用作為機械行業對國民經濟發展的重要支撐，在經濟發展中有非常重要的作用，為國民經濟的發展作出了重要的貢求，材料的需求與時代密切相關，鋼制壓力容器的材料選擇是壓力容器設計過程中的重要部分。如果壓力容器在設計和制造過程中材料選擇不當，則為壓力容器的安全性能帶來隱患網。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。以往壓力容器材料多為金屬板材，容器內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，尤其是在腐蝕嚴重的場合選用合金鋼材料，給工業生產帶來許多不便。

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

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

（3）奧氏體不銹鋼耐通常介質腐蝕效果優于碳鋼及低合金鋼，但其耐含c-介質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于普通不銹鋼但其，高溫熱強性卻不如普通不銹鋼，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提高含碳量網。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、經濟性高的優點，相對于鋁合金，9Ni鋼有強度高，熱膨脹率小的優點間，由此可見材料的設計創新還具有更大的發展空間。20世紀40年代，復合材料得到迅速發展。

二、壓力容器選材原則

一般來說，壓力容器的選材應遵循的原則有：在相同的或相近的工程中應用，應盡可能選用統一的材料；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；材料的力學性能；容器的應用條件等。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）從經濟性方面考慮，需要堅持的原則有：以剛度

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

三、材料代用問題研究

（一）“以優代劣”

壓力容器所用金屬材料主要性能包括力學性能、耐腐蝕耐高溫性能及制造工藝等，一種材料在某一方面“優”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“以優代劣”問題有：①壓力容器采用低合金鋼的強度等力學性能要比碳素鋼好，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（<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定性，但是也應看到，“以厚代薄”使殼體的受力由平面應力狀態轉變為平面應變狀態，在一定程度上改變了其受力情況，導致其容易產生三向拉應力的平面應變脆性斷裂。壓力容器“以厚代薄”可能產生新的問題，包括焊接技術、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、壓力容器設計選材研究

（一）化學成分

壓力容器材料的化學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）力學性能

壓力容器材料受力后所表現出的不同行為稱為材料的力學行為。材料的力學行為，不僅與其化學成分、組織結構有關，而且與材料所處的應力狀態和環境有密切的關系。

（三）使用條件

進行壓力容器設計時應考慮該容器所處條件因素對于選材的特殊要求，主要包括設計溫度、設計壓力、氣候條件等。例如在鈦和鈦合金壓力容器受壓元件制造時，應當考慮的因素包括：①鈦和鈦合金的使用溫度不高于315℃，鈦-鋼復合板的設計溫度不高于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下的熱強性、抗高溫氧化能力和抗氫腐蝕能力。同時應考慮介質特性對于容器材料的作用，例如有的介質能使材料脆化、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考慮材料與介質的匹配性能。

（四）制造工藝

材料制造工藝性能的要求與壓力容器的結構和使用條件緊密相關，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，其斷后延長率應在17%～23%以上。為檢驗鋼板承受彎曲變形能力，一般應根據鋼板的厚度，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成分控制。

五、結束語

壓力容器作為一種特種設備，其設計、制造、使用全過程應嚴格按照國家相關標準執行。壓力容器設計選材作為其中基礎的、重要的一環，理應引起人們的重視。

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（作者單位：）江蘇恒德力化工設備制造有限公司