材料學在壓力容器中的應用

摘要：隨著國家工業的日益發達和科學技術的日新月異，工業生產中科學原理的應用日益廣泛，其中材料學在壓力容器中的應用更是如此。本文基于材料學和壓力容器相關知識的分析概述，研究探討材料學在壓力容器中的應用，包括材料熱處理、材料焊接以及材料腐蝕等。

關鍵詞：材料學；壓力容器；應用

改革開放以來，國家大力提倡科教興國，科學原理知識在工農業中的應用十分廣泛，尤其是工業中的科學應用。在工業發展中，隨著如2005年的《產業結構調整指導目錄》和2007年的《當前優先發展的高技術產業化重點領域指南》等一系列工業發展綱領的頒布實施，下游產業逐漸發展代換，引發工業裝備大升級，金屬壓力容器的應用與清潔能源應用、新能源制造以及海水淡化裝備制造一起被列入國家工業發展的重點領域，壓力容器行業的發展日益引發關注。同時，在吸收借鑒國外先進技術的基礎上，國家壓力容器行業的發展逐步引入更多科學原理知識，以響應國家科教興國的號召，其中自然包括材料學的引入應用。

一、材料學與壓力容器概述

依據相關科普知識可知，材料學是一門集材料組成、結構、工藝、性質和使用性能研究于一體的新型化工科學，在材料的設計、制造、工藝優化以及合理使用上有著重要的借鑒意義。就一般情況而言，材料學全面研究材料在不同組成形式和不同工藝條件下的變量關系，獲取材料的相關使用性能，進而實現材料在工業應用中的工藝優化效果。

通常情況下，壓力容器用來儲存化學性質活躍的氣體或液體，盛裝的氣體或液體易燃易爆，腐蝕性強，毒性高，內外部威脅隱患多，安全事故時有發生。常見壓力容器的構造如下圖所示。

常見壓力容器的構造圖

因此，壓力容器的制造在材料選擇上要求極高，在加工操作簡便、加工成本合理的基礎上要確保材料在惡劣作業環境下性質穩定，不易發生變化，因而便需要材料學的相關知識提供相應的科學依據。

二、材料學在壓力容器中的應用

材料學在壓力容器中的應用通常情況下包括材料熱處理、材料焊接以及材料腐蝕三個方面的應用。

（一）壓力容器的材料熱處理

壓力容器中材料的熱處理主要是指在一定的介質內，對金屬材料進行加熱、保溫、冷卻處理，以此改變材料組成結構，進而實現控制材料如強度、硬度、塑性等的性能的壓力容器金屬材料加工工藝。金屬壓力容器的制造中，鋼是最多使用的材料，其熱處理加工工藝分為正火、除應力退火、淬火以及回火四種。

第一，壓力容器的材料熱處理中，正火是指以奧氏體化溫度為標準進行鋼的加熱后自然冷卻的加工工藝。制造壓力容器時，正火處理碳鋼和低合金鋼，晶粒細化，鋼板性能便得以改善，壓力容器的塑性和韌性便能得以提升。第二，除應力退火是指以鋼相變點為標準，進行鋼的加熱處理，實現焊接、塑性變形、切割加工等工藝中剩余應力的去除的加工工藝。在壓力容器制造中，剩余應力主要包括鋼板復層貼合生成的殘余應力、產品零部件成形中的殘余應力、接頭焊接的殘余應力以及焊接機加工使用中的變形內應力等，這些剩余應力一經消除，材料焊縫的抗裂性和韌性便能得以提升。第三，壓力容器的材料熱處理中，淬火是指以鋼的臨界點為標準，進行鋼的加熱保溫后迅速冷卻，獲取鋼的馬氏體或貝氏體結構的加工工藝。壓力容器的金屬材料淬火過程中，以低碳鋼和低合金鋼為原材料獲取馬氏體或貝氏體，材料的強度和韌性便能得以提升；在壓力容器的熱處理中，通常情況下，淬火與回火結合進行。第四，在壓力容器的材料熱處理中，回火是指在經過淬火或正火處理后，以相變點為標準進一步將鋼加熱保溫后冷卻，去除淬火或正火殘余應力的加工工藝，回火處理后，鋼的脆性降低，剛性和韌性得以提升。

（二）壓力容器的材料焊接

壓力容器制造中，材料焊接是指同種或異種材料經過加熱或加壓處理后形成永久性連接的加工工藝，焊接工藝的應用對于壓力容器的制造具有相當大的意義，所占加工比例已達30%甚至以上，材料焊接結果的好壞直接決定著壓力容器安全使用性能的高低。壓力容器的材料焊接處理中，主要會發生兩種焊接缺陷事故，即加熱時晶粒粗化而造成強度和塑性的降低和冷卻中馬氏體結構的生成而致使材料塑性降低，一旦存在焊接缺陷，壓力容器便會出現如冷裂紋等安全事故。

當前，工業生產中多以碳當量Ceq的檢測值來判斷鋼材的焊接質量。在壓力容器的材料焊接過程中，碳含量是鋼材焊接的基礎，在鋼中添加其它合金元素，此時其它合金含量等效于碳含量，因此成為碳當量。通常情況下，當碳當量Ceq低于0.4%時，鋼材不需要進行預熱處理，焊接質量好；當碳當量Ceq字在0.4%-0.6%范圍內時，鋼材焊接需要進行預熱處理，焊接質量不夠合格；當碳當量超過0.6%時，鋼材焊接質量差。因此，在壓力容器的材料焊接中，要嚴格控制碳當量Ceq值的大小，以確保材料焊接質量。

（三）壓力容器的材料腐蝕

壓力容器制造過程中，材料腐蝕是最常見的問題，如開裂現象等。開裂是壓力容器失效的常見原因，壓力容器一旦出現開裂現象，便有可能出現嚴重的安全事故。壓力容器在使用時，材料因一些腐蝕性介質的影響而發生腐蝕后，強度會急劇降低，壓力容器在較低應力作用下便會出現開裂現象，即壓力容器的應力腐蝕開裂。

壓力容器的應力腐蝕開裂原理通常是應力作用下，材料力學性能不穩定，應力裂紋出現穿晶斷裂現象；一般情況下，出現壓力容器的應力腐蝕開裂現象主要有兩個方面的原因，一方面是選用的材料性能不穩定，容易在腐蝕性介質的作用下出現腐蝕現象，另一方面是壓力容器使用過程中材料內部微觀結構在一些因素的影響下出現大幅度變化，進而出現腐蝕現象。

結束語

科教興國政策的推廣實施中，相關科普知識在工業領域的應用十分廣泛，其中自然包括材料學原理在壓力容器中的應用。依據材料學相關原理，在壓力容器制造過程中，要注意把握壓力容器材料熱處理、材料焊接和材料腐蝕的相關知識，提升壓力容器的使用性能，降低壓力容器使用的安全事故率，以此促進壓力容器行業的健康發展，推動工業的穩定發展，進而推動社會和經濟的快速發展。

參考文獻：

[1]熊亮，萬貴根，李成軍.材料學在壓力容器中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2012，33（z1）

[2]熊亮，萬貴根，李成軍.材料學在壓力容器中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2012，（z2）