压力容器设计选材的探讨

朱龙 陈辉

摘要：材料是构成设备的物质基础，在化工压力容器设计中，能够与强度计算和结构设计并重的唯有材料及其影响因素，前者依赖于定量计算，后者有时更注重定性分析，材料科学所具有的半科学、半经验性质给选材增加了难度。所以，设计人员能否合理的选材，直接关系到压力容器的安全及经济合理性。

關键词：压力容器；设计；选材

一、压力容器用材的发展现状

现代科学技术的发展将以生物技术、信息技术和新材料的发展为三大支柱，其中新材料的发展是当代高新技术的基础，也是现代工业的基石。我国的机械制造业在工业化进程中有着举足轻重的作用，是创造人类财富的支柱产业。机械设计中材料的选择和应用作为机械行业对国民经济发展的重要支撑，在经济发展中有非常重要的作用，为国民经济的发展作出了重要的贡求，材料的需求与时代密切相关，钢制压力容器的材料选择是压力容器设计过程中的重要部分。如果压力容器在设计和制造过程中材料选择不当，则为压力容器的安全性能带来隐患网。如大型浮顶油罐，对油罐使用的材料要求很高，合理选材是防止油罐脆性断裂的必要条件网。以往压力容器材料多为金属板材，容器内衬采用耐腐蚀的合金钢材料，外层进行金属层板包扎以提高机械强度，但金属材料密度大造价高，尤其是在腐蚀严重的场合选用合金钢材料，给工业生产带来许多不便。

（1） 压力容器用低合金钢，虽然机械性能指标优于碳素钢，但其可焊性、冷加工性能却不如碳素钢好。

（2）镇静钢在许多方面的性能都优于沸腾钢.但是当用于制造搪玻璃容器时.沸腾钢的搪瓷放果反而比镇静钢好网，

（3）奥氏体不锈钢耐通常介质腐蚀效果优于碳钢及低合金钢，但其耐含c-介质腐蚀性能不如碳素钢和低合金钢：

（4）超低碳不锈钢的价格和耐腐浊性能虽然优于普通不锈钢但其，高温热强性却不如普通不锈钢，碳在奥氏体不锈钢中具有两重性从耐腐蚀性来说.需要降低含碳量；而以耐高温性能来说则需要适当提高含碳量网。如奥氏体不锈钢、镍基合金、铝合金和9Ni钢，对于奥氏体不锈钢和镍基合金9Ni钢具有合金含量少、经济性高的优点，相对于铝合金，9Ni钢有强度高，热膨胀率小的优点间，由此可见材料的设计创新还具有更大的发展空间。20世纪40年代，复合材料得到迅速发展。

二、压力容器选材原则

一般来说，压力容器的选材应遵循的原则有：在相同的或相近的工程中应用，应尽可能选用统一的材料；压力容器材料的采购渠道和价格；材料的可加工性，例如能否进行冷加工或者可焊接性能；材料耐腐蚀的能力；材料的力学性能；容器的应用条件等。具体来说，可从以下两方面进行考虑。

1）从材料性能方面考虑，压力容器用材料，特别是承压元件材料应具有以下性能：好的焊接性能，较好的成型性，高韧性和较大的塑性。

2）从经济性方面考虑，需要坚持的原则有：以刚度

或结构设计为主要考量的设备设计中，受压壳体最好选用普通碳素钢；在设计温度在350～550℃的压力容器设计中，铬钼低合金钢可作为选用材料；不锈钢主要用于介质具有较强的腐蚀性，并且铁离子浓度较高，设计温度在500℃以上的容器设计中。

三、材料代用问题研究

（一）“以优代劣”

压力容器所用金属材料主要性能包括力学性能、耐腐蚀耐高温性能及制造工艺等，一种材料在某一方面“优”于另一种材料的同时，可能其他性能“劣”于另一种材料。

常见的材料“以优代劣”问题有：①压力容器采用低合金钢的强度等力学性能要比碳素钢好，但是可焊性却处于劣势，并且低合金钢的抗应力腐蚀方面不如碳素钢，同时低合金钢的价格要明显高于碳素钢。②对于制造换热器所用材料，锻件的综合性能要比板材好，但在一定厚度范围内（<60mm时）也可选用板材。

（二）“以厚代薄”

增加压力容器壁厚能在一定程度上增加其稳定性，但是也应看到，“以厚代薄”使壳体的受力由平面应力状态转变为平面应变状态，在一定程度上改变了其受力情况，导致其容易产生三向拉应力的平面应变脆性断裂。压力容器“以厚代薄”可能产生新的问题，包括焊接技术、无损检测等提出新的要求，压力容器总重量增加、壳体散热性能变差等。

四、压力容器设计选材研究

（一）化学成分

压力容器材料的化学成分主要影响机械性能和热处理性能，碳含量增加在强度增加的同时也会导致塑性变差，作为钢材中最主要的有害元素，硫和磷的含量应尽可能降低，可以提高钢材的韧性、抗回火脆化性能和抗腐蚀性能。此外，在材料中加入钒、钛、铌等元素，可以改善材料的性能。

（二）力学性能

压力容器材料受力后所表现出的不同行为称为材料的力学行为。材料的力学行为，不仅与其化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。

（三）使用条件

进行压力容器设计时应考虑该容器所处条件因素对于选材的特殊要求，主要包括设计温度、设计压力、气候条件等。例如在钛和钛合金压力容器受压元件制造时，应当考虑的因素包括：①钛和钛合金的使用温度不高于315℃，钛-钢复合板的设计温度不高于350℃；②对于要在高温、高压、含氢压力容器，所用钛制材料必须具备较强的高温状态下的热强性、抗高温氧化能力和抗氢腐蚀能力。同时应考虑介质特性对于容器材料的作用，例如有的介质能使材料脆化、有的具有较高的腐蚀性、有的易分解等。所以进行压力容器选材还应考虑材料与介质的匹配性能。

（四）制造工艺

材料制造工艺性能的要求与压力容器的结构和使用条件紧密相关，制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件，要求钢材有良好的冷加工成形性能和塑性，其断后延长率应在17%～23%以上。为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为180°的弯曲试验，试样外表面无裂纹的钢材方可用于制造压力容器。大量实验表明，钢材的可焊性主要受其中化学成分控制。

五、结束语

压力容器作为一种特种设备，其设计、制造、使用全过程应严格按照国家相关标准执行。压力容器设计选材作为其中基础的、重要的一环，理应引起人们的重视。

参考文献：

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（作者单位：）江苏恒德力化工设备制造有限公司