淺析合金元素對壓力容器鋼材影響淺析

趙 斐， 郝加封

（北京航天試驗技術研究所， 北京 100079）

0 引言

壓力容器發展的程度制約了石油化工行業的發展速度，而鋼材（包括鋼板、鋼管和鍛件）的正確選擇是維持設備穩定的先決條件。因此，正確認識壓力容器用鋼中的鋼材成分、特點以及牌號等信息，不僅可以使我們了解壓力容器的選材經驗，更有助于我們立足現狀進行革新。

1 壓力容器用鋼的分類

壓力容器用鋼的類別可以按照多種方式劃分， 按照鋼材的材料來劃分，壓力容器用鋼可分為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼[1]。

碳素鋼又稱碳鋼，指的是含碳量在0.02%～2.11%（一般低于1.35%）的鐵碳合金，壓力容器用的碳鋼可分為三類，第一類是碳素結構鋼如Q235-B 和Q235-C；第二類是優質碳素結構鋼， 優質碳素結構鋼一般為含碳量在0.8%以下的碳素鋼，同時其中S 與P 元素的含量較低，機械性能良好，如10 鋼、20 鋼優質碳素結構鋼；第三類是壓力容器專用鋼板，它是在優質碳素結構鋼的基礎上，更加嚴格地控制鋼材內的S 與P 元素的含量， 同時對鋼材內部缺陷以及表面質量的要求也較高，在鋼號后也會有“R”標識，R 讀作“容”，表示壓力容器專用鋼板，如Q245R。 碳鋼強度較低，塑性和可焊性較好，同時價格低廉，因此常常用于常壓或中、低壓容器的制造。

低合金鋼是在碳素鋼的基礎上加入少量合金元素的合金鋼，其合金元素有Cr、Mo、Ni、Mn、Nb 等，加入的合金元素總量不超過5%。 低合金鋼在經過熱處理后會表現出較高的強度[2]，此外，還具有優良的韌性、焊接性能、成形性能和耐腐蝕性能。 壓力容器用鋼中常見的低合金鋼與Q345R、15CrMoR 等。

高合金鋼是在碳素鋼的基礎上加入一定量合金元素的合金鋼[3]，所加入元素種類以鉻（Cr）為主，其他合金元素按比例適量加入，可以提高鋼的抗腐蝕能力，只是在量上面，高合金鋼的合金元素總量一般高于10%，高合金鋼的特點是耐腐蝕、耐高溫，同時還具有良好的低溫性能。一種典型的高合金鋼為0Cr18Ni9，又稱304 不銹鋼。

2 鋼材中的重要元素及其作用

合金鋼的性能要優于普通的碳素鋼， 控制鐵碳合金中碳的含量對鋼材的強度與韌性的影響很大，與此同時，有些特殊合金元素的加入，即便是微量的，也會對鋼材整體的強度、硬度、韌性和塑性等產生極大的影響。 本文將以各個元素為出發點， 探究壓力容器用鋼中添加的各個元素對鋼材的影響。

2.1 碳（C）

鐵碳合金中碳素鋼和鑄鐵的不同就在于含碳量的多少，鑄鐵是合金中C 的質量分數大于2.11%，雖然鑄鐵的抗拉強度，但是塑性和韌性比鋼要差，不過具有良好的鑄造性能，耐磨性、減震性等良好性能。而在碳素鋼中，隨著C 元素質量分數的提高，鋼材的抗拉強度會升高，布氏硬度也有顯著提高。 以45 鋼和65 鋼為例， 兩種鋼材的Si含量都在0.17%～0.37%之間，Mn 含量在0.50%～0.80%之間。 45 鋼的含碳量在0.42%～0.50%之間， 其抗拉強度為600MPa，布氏硬度為229；65 鋼的含碳量在0.62%～0.70%之間，其抗拉強度為710MPa，布氏硬度為255。由此可見，一般來說鋼中含碳量增加會提高鋼材的硬度與耐磨性，不過相對應地，鋼材的塑性與韌性也會下降。對于抗拉強度而言，在一定的范圍內（C 的質量分數在0.9%以下），C含量的增高可以提高鋼材的抗拉強度，超出了這個范圍，鋼材的抗拉強度會顯著下降。與此同時，碳含量還影響著鋼材的腐蝕性和可焊性， 含碳量的升高會使鋼材在空氣中發生電化學反應， 造成鋼鐵的腐蝕， 對設備有嚴重危害；就可焊性而言，當碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，在壓力容器選材時，需要焊接的部件一般采用低合金鋼，鑄鐵一般用于鞍座或者不重要的部件。

2.2 硅（Si）

鋼鐵煉制過程中，會加入硅作為脫氧劑，故一般的鋼材中都會含有少量的硅， 多數優質碳素結構鋼的硅含量在0.17%～0.39%之間，此時硅不算作合金元素，但當硅元素的質量分數超過0.5%～0.6%是，即為合金元素。 壓力容器的工作環境通常較為惡劣，硅元素的加入，能夠提高鋼鐵在高溫下的抗氧化腐蝕性， 因為高溫下，Si 與氧氣接觸，形成致密的高熔點的耐高溫氧化物，覆蓋鋼的表面，能夠阻止鋼材被進一步腐蝕[4]。

2.3 錳（Mn）

在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑，Mn 元素的存在，可以提高Si 的脫氧能力，同時它又可以與S 元素反應生成MnS 從而降低S 的質量分數， 也是脫硫劑。 作為煉鋼時的添加元素，多數鋼中都含有少量的錳，如碳素結構鋼中的錳含量一般為0.50%～0.80%。

2.4 磷（P）

不像其他元素對鋼材性能具有增益作用，P 元素的存在會對鋼材性能產生很大的負面影響。 微觀層面上將講，P 可以溶于鋼中的鐵素體，進而使得鐵的晶格發生劇烈歪曲，最終表現出來的，則是鋼鐵的強度和硬度增大，韌性與塑性降低。 P 元素對鋼材的影響在低溫時尤其明顯，因此認為P 可以增大鋼材的冷脆性。 P 元素在鋼材中是需要嚴格限制質量分數的元素： 普通鋼中P 的質量分數≤0.045%；優質鋼中要求P 的質量分數≤0.035%；高級優質鋼中P 的質量分數≤0.030%； 特級優質鋼中P 的質量分數≤0.025%。

2.5 硫（S）

S 元素的存在對鋼材的危害甚至比P 還要大。由于鐵礦石的原因，S 元素在鋼鐵中的存在形式為FeS，它的熔點約為985℃，大量存在于鋼材的晶界處。 當鋼材在1000℃以上的高溫進行壓力加工時，FeS 會變為熔融狀態，這就使得各個晶粒在界面處發生了晶界分離， 鋼材就會被破壞。因為這種現象常常在高溫狀態下發生，故認為S 元素能夠加劇鋼鐵的熱脆性。S 元素對鋼鐵危害極大，它的質量分數需要嚴格控制：普通鋼中S 的質量分數≤0.050%；優質鋼中要求S 的質量分數≤0.035%； 高級優質鋼中S 的質量分數≤0.020%；特級優質鋼中P 的質量分數≤0.015%。

2.6 鉻（Cr）

鉻在壓力容器用鋼中出現得十分頻繁，碳鋼中Cr 元素的加入能夠使鋼材的各項性能得到極大的改善。 對于碳質量分數較高的鋼材， 鉻元素的加入能夠在鋼材熱處理中有效細化晶粒，均勻組織，提高淬透性和耐腐蝕性。有些水下的壓力容器設備采用的是含有Cr 元素的高合金鋼，一個典型的鋼種為0CCr18Ni9（304 不銹鋼），有時候為了降低成本，會采取固相滲鉻等工藝。 此外，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。 因此，鉻元素是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。

2.7 鎳（Ni）

Ni 元素與Cr 元素在我國鋼鐵冶煉史上是1965 年之后才開始出現的，最開始使用這兩種元素的原因是，實踐證明，鎳是提高耐大氣腐蝕鋼性能的有效元素[5]。同時，特種設備鋼材的總和性能要求比較高， 要求鋼有一定的強度、硬度以及韌性，與Cr 類似，鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。但由于鎳價格的限制，目前很多學者在尋找廉價材料來代替合金元素鎳， 如近年來有學者研究以錳代鎳的合金鋼的性能。

2.8 鉬（Mo）

鉬對鋼材的強度、抗蠕變能力有極大的改善作用，強化的原理是異類原子之間的相互作用[6]。 鉬（Mo）元素加入鋼材中之后，會與鋼材中的C、Fe 以及其他合金元素發生作用，鋼材中各相原有的穩定性被打破，產生了一部分新相，令人欣喜的是產生的新相穩定性更好。

2.9 鈦（Ti）

Ti 元素與許多非金屬元素（C、N、O、S）都具有較強的親和力，以C 為例，鈦（Ti）可以與碳（C）形成具有較高硬度和穩定性的碳化物[7]，這些碳化物也可以作為晶核，在鋼進行再結晶時，使晶粒更加細化，微觀上的改善可以提高鋼材整體的強度、硬度與耐磨性；鈦（Ti）與硫（S）的結合也是值得注意的， 由于Ti 和S 的親和力比Fe 和S 的親和力大，所以Ti 可以把S 從Fe 手中“奪回來”，一定程度上限制了FeS 的形成，Ti 在鋼材中加入可以減少鋼的熱脆性。

2.10 釩（V）

V 在壓力容器用鋼材中的溶解度較高， 一般鋼材中V 元素作為合金元素時質量分數都在1%以下。 與Ti 類似，V 也可以與C 形成硬度較高的碳化物，V 元素在高溫下對于提高鋼材抗氫腐蝕的能力效果顯著。 釩的另一特點是“親氮性”，它可以“捕捉”到鋼鐵中自由形態的N 元素，形成氮化物粒子，有效地阻止奧氏體晶粒的長大，達到細化晶粒的目的。由此可見，V 與N 在合金元素中是一對搭檔，需要配合使用，在缺少N 元素時，V 對鋼材強度的提高作用并不明顯。

2.11 鈮（Nb）

鋼鐵的合金元素中鈮（Nb）的含量一般都是比較小的，但是它的作用卻不容小覷， 它對提高鋼材韌性有極大的作用。生產中，一般Nb 元素的質量分數在0.05%以下，Nb元素與C 元素可以形成穩定性較高的碳化物， 能細化鐵素體晶粒。當鋼材整體鐵素體晶粒性能良好時，韌性就會得到提高， 但是當Nb 加入的質量分數大于0.05%時，提升效果不再十分明顯。故有些用作儲罐的壓力容器選材，都會選用帶有鈮為合金元素的鋼材。

通過以上對合金鋼中諸多合金元素的逐個介紹，可以發現， 鋼材中合金元素合理的配比或使用可以改善鋼的綜合力學性能、淬透性、熱穩定性和耐蝕性等[8]。將各個元素的特點總結起來， 可以得到合金元素在壓力容器用鋼中，可以提高鋼材的力學性能。

3 結論

壓力容器用鋼多為低/高合金高強度鋼，一些不太重要或者機械性能要求較低的部件會用碳鋼。

壓力容器用鋼中Cr、V、Nb 元素有助于提高鋼材的硬度、抗腐蝕性，Ni、Mn 元素有助于提高材料的低溫性能與韌性，S、P 屬有害元素，需要嚴格控制。 通過容器使用時特征的分析，選取元素含量不同的鋼材，既可以滿足強度的需求，又能夠保證經濟性。