淺析壓力容器中金屬材料的應用和注意問題

沈陽東方鈦業股份有限公司

摘要：壓力容器廣泛應用于化工、輕工、能源、冶金、航天等領域，在國民經濟中發揮著重要作用。材料技術是壓力容器技術的一個重要組成部分，是設計和制造的先決條件。

關鍵詞：壓力容器；金屬材料；應用

正文

壓力容器中最常見的金屬材料是黑色金屬和有色金屬材料。鋼材的重要機械性能有：

1、強度—材料在力的作用下抵抗永久變形和斷裂的能力。常用的特性指標有屈服強度（δs）和拉伸強度（σb），是由拉伸試驗獲得。

塑性—指材料在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力，用延伸率（δ）及斷面收縮率（ψ）來表示，其數值由拉伸試驗獲得。

壓力容器用鋼的性能必須與壓力容器的使用條件（壓力、溫度、內裝介質的性質等）相適應，另外，在容器制造過程中，鋼板必須經受冷熱加工成型和焊接。因此，鋼材除應具有必要的機械性能外，還應具有良好的工藝性能，由于不同類型壓力容器的使用條件差別很大，因此要求有各種不同性能的鋼種。例如，在一般條件下使用的碳鋼和低合金高強度鋼；在高溫條件下使用的合金結構鋼；在低溫條件下使用的低溫鋼（-20℃以下）；與氫、氮、氨混合介質接觸，溫度超過350℃時使用的抗氫氮鋼；盛裝硫酸、鹽酸、磷酸、醋酸、硝酸、尿素等腐蝕性介質的容器，應采用性能與所裝介質相適應的不銹耐酸鋼。

一、壓力容器對鋼材的要求及鋼材在壓力容器中的應用

壓力容器用鋼板比一般鋼板的要求更嚴，主要體現在對化學成分的控制較嚴，抽樣檢驗要求較高，力學性能檢驗中增加了沖擊值的要求。基本要求：較高的強度，良好的塑性，高韌性，良好的熱加工、冷加工和焊接性能，以及與介質的相容性。

1、化學成分 含C量≤0.25%，C含量高，使強度增加，可焊性變差，加入V，Ti，Nb可提高強度和韌性，S.P有害元素，S—降低塑性和韌性，P—增加脆性（低溫脆性）壓力容器用鋼，S.P含量<0.02%，0.03% 因為硫能促進非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能提高鋼的強度，但會增加鋼的脆性，特別是低溫脆性。將硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高鋼材的純凈度，可提高鋼材的韌性、抗中子輻照脆化能力，改善抗應變時效性能、抗回火脆性性能和耐腐蝕性能。因此要嚴格控制S、P的含量。

2、力學性能 力學性能不僅與鋼材的化學成分，組織結構有關且與所處的應力狀態和環境有關。設計時，力學性能判斷可從相關規范標準中查到，實際使用時，除了要查看質量證明書外，有時還要對材料進行復驗。

3、制造工藝性能 制造中冷加工，要求鋼材有良好冷加工成型性能和塑性，延伸率δ應在15～20%以上。良好可焊性是一項重要指標可焊性主要取決于化學成分，影響最大是含碳量，各種合金元素對可焊性有不同程度的影響。

二、有色金屬在壓力容器上的應用

1哈氏合金 C-276哈氏合金屬于鎳-鉬-鉻-鐵-鎢系鎳基合金。它是現代金屬材料中最耐蝕的一種。主要耐濕氯、亞硫酸、醋酸、甲酸、次氯酸鹽和強氧化性介質，在低溫與中溫鹽酸中均有很好的耐蝕性能。因此，近三十年以來、在苛刻的腐蝕環境中，如化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環保等工業領域有著相當廣泛的應用。

哈氏C-276合金的各種腐蝕數據是有其典型性的，但是不能用作規范，尤其是在不明環境中，必須要經過試驗才可以選材。哈氏C-276合金中沒有足夠的Cr來耐強氧化性環境的腐蝕，如熱的濃硝酸。這種合金的產生主要是針對化工過程環境，尤其是存在混酸的情況下，如煙氣脫硫系統的出料管等。

哈氏合金的力學性能非常突出，它具有高強度、高韌性的特點，所以在機加工方面有一定的難度，而且其冷作硬化傾向極強，當變形率達到15%時，約為18-8不銹鋼的兩倍。哈氏合金還存在中溫敏化區，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當溫度較高時，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學性能和耐腐蝕性能下降。

鈦合金抗蝕性好 鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學性能。低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。

鈦 鈦的化學活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1～0.15 mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產生粘附現象。

鎳 鎳不溶于水，常溫下在潮濕空氣中表面形成致密的氧化膜，能阻止本體金屬繼續氧化。在稀酸中可緩慢溶解，釋放出氫氣而產生綠色的正二價鎳離子Ni2+；耐強堿。鎳可以在純氧中燃燒，發出耀眼白光。同樣的，鎳也可以在氯氣和氟氣中燃燒。對氧化劑溶液包括硝酸在內，均不發生反應。鎳是一個中等強度的還原劑。鎳在鹽酸、硫酸、有機酸和堿性溶液對鎳的浸蝕極慢。鎳在稀硝酸緩慢溶解。發煙硝酸能使鎳表面鈍化而具有抗腐蝕性。鎳同鉑、鈀一樣，鈍化時能吸大量的氫，粒度越小，吸收量越大。

鋯合金 鋯合金以鋯為基體加入其他元素而構成的有色合金。鋯合金在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學性能、較低的原子熱中子吸收截面，對核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反應堆的堆芯結構材料。此外，鋯對多種酸、堿和鹽有優良的抗蝕性，與氧、氮等氣體有強烈的親和力，因此鋯合金也用于制造耐蝕部件和制藥機械部件，在電真空和燈泡工業中被廣泛用作非蒸散型消氣劑。

工業規模生產的鋯合金有鋯錫系和鋯鈮系兩類。前者合金牌號有Zr-2、Zr-4，后者的典型代表是 Zr-2.5Nb。在鋯錫系合金中，合金元素錫、鐵、鉻、鎳可提高材料的強度、耐蝕性和耐蝕膜的導熱性，降低表面狀態對腐蝕的敏感性。通常Zr-2合金用于沸水堆，Zr-4 合金用于壓水堆。在鋯鈮系合金中，鈮的添加量達到使用溫度下鋯的晶體結構的固溶極限時，合金的耐蝕性最好。鋯合金有同質異晶轉變，高溫下的晶體結構為體心立方結構，低溫下為密排六方結構。鋯合金塑性好，可通過塑性加工制成管材、板材、棒材和絲材；其焊接性也好，可用以進行焊接加工。

結語：

經過近年來的發展，壓力容器用材料取得了很大的研究成果和技術進步，冶金工業整體技術水平和裝備水平的提高，大大提高了材料的純凈度，提高了壓力容器的整體安全性。高強材料的應用正在引起國內研究人員的廣泛關注。

參考文獻：

[1]GB150.1-1998 鋼制壓力容器焊接工藝[M]北京：機械工業出版社，2011.

[2]陳裕川.鋼制壓力容器焊接工藝[M]北京：機械工業出版社，2007.