壓力容器設(shè)計(jì)與選材探析

謝敬　王冬柏

摘要：壓力容器的設(shè)計(jì)要從使用環(huán)境、時(shí)間和載荷出發(fā)，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，優(yōu)選材料，確保設(shè)備的安全性。本文主首先闡述了壓力容器設(shè)計(jì)中的選材原則，從以優(yōu)代劣、以厚代薄兩方面原則分析材料代用中存在的問題，再從化學(xué)成分、力學(xué)性能、使用條件和制造工藝等方面分析實(shí)際設(shè)計(jì)影響因素，為相關(guān)從業(yè)人員提供力理論參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器;設(shè)計(jì)選材;選材原則

壓力容器是要根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和使用的特種設(shè)備。壓力容器設(shè)計(jì)是其中一個(gè)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是十分關(guān)鍵的步驟，直接關(guān)系到使用的質(zhì)量和安全。壓力容器設(shè)計(jì)人員肩負(fù)較大的責(zé)任，這就需要其能全面了解常用的材料性能，從制造工藝、使用環(huán)境和使用時(shí)間出發(fā)，結(jié)合上下游產(chǎn)業(yè)，加強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)交流，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保安全期限內(nèi)，壓力容器能得到最大化、最合理化應(yīng)用。壓力容器的材料直接決定了整個(gè)裝置和設(shè)備的使用性能和安全性，這也成為了設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，本文主要是針對此方面展開分析。

一、壓力容器選材原則

在壓力容器的選材方面，一般遵循以下幾方面原則：壓力容器的使用條件;材料的耐腐蝕性能、力學(xué)性能和可加工性能，可加工性能主要有可焊接性和冷加工性能;材料的采購價(jià)格和渠道;在相近或是相同工程中，原則上選取統(tǒng)一材料。在具體的設(shè)計(jì)過程中，主要是從材料性能和經(jīng)濟(jì)性兩方面來考慮。

在材料性能方面，壓力容器特別是在承壓元件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先選用具有較大的塑性、較高任性、較好焊接性能的材料。在經(jīng)濟(jì)性方面，如果壓力容器設(shè)計(jì)中主要考慮結(jié)構(gòu)或剛度，殼體受壓情況下，優(yōu)選普通碳素鋼;壓力容器的使用溫度在350℃到550℃的情況下，材料可選取鉻鑰低合金鋼;壓力容器存放介質(zhì)具有較強(qiáng)腐蝕性，有著高濃度的鐵離子，設(shè)計(jì)溫度超過500℃的情況下，材料優(yōu)選不銹鋼。

二、設(shè)計(jì)中的材料代用問題分析

壓力容器設(shè)計(jì)中，材料代用主要遵循以優(yōu)代劣、以厚代薄這兩種原則。

壓力容器設(shè)計(jì)中金屬材料的選用主要是考慮制造工藝、耐高溫性能、耐腐蝕性能和力學(xué)性能，兩種材料對比，一種材料在某種性能方面更強(qiáng)，而在其他方面可能更“劣”。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常要進(jìn)行材料替換，盡量遵循以優(yōu)代劣的原則，但也需要考慮相關(guān)問題。低合金鋼應(yīng)用于壓力容器，有著較好的強(qiáng)度等力學(xué)性能，但在焊接性能方面卻有所不足，且相對于碳素鋼，其抗應(yīng)力腐蝕能力更弱，在經(jīng)濟(jì)性方面，低合金鋼明顯貴于碳素鋼。換熱器設(shè)計(jì)中選用的鍛件，在綜合性能上優(yōu)于板材，但如果是厚度小于60mm，也可用板材代替鍛件。

壓力容器的穩(wěn)定性會(huì)隨著其壁厚的增加而提升，但同時(shí)也要注意，隨著壁厚的增加，殼體會(huì)由最初的平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變，壓力容器的受力情況會(huì)發(fā)生改變，可能出現(xiàn)三向拉應(yīng)力平面應(yīng)變脆性斷裂的情況。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，采取以厚代薄的方式，也會(huì)在無損檢測、焊接技術(shù)方面有更高的要求，增加設(shè)備總重量，降低殼體的散熱性能以及其他相關(guān)問題。

三、壓力容器設(shè)計(jì)選材研究

壓力容器設(shè)計(jì)中選材主要是從化學(xué)成分、力學(xué)性能、使用條件和制造工藝等方面考慮，以下是對設(shè)計(jì)選材展開具體分析。

材料的化學(xué)成分會(huì)對其熱處理性能、機(jī)械性能帶來印象，強(qiáng)度會(huì)隨著碳含量的增加而提升，但也會(huì)降低材料的塑性，磷、硫的存在會(huì)降低鋼材的使用性能，應(yīng)將可能降低磷硫含量，保障鋼材的抗腐蝕性、抗回火脆化性以及韌性。除此之外，還可將鈮、鈦、釩加入材料來改善其性能。壓力容器材料的力學(xué)性能是在受力情況下表現(xiàn)出的相關(guān)力學(xué)行為。材料的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成本都會(huì)對其力學(xué)行為造成影響，同時(shí)，材料處在不同的環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)下都會(huì)有不同的力學(xué)行為。

壓力容器使用條件是進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素，要從使用的氣候條件、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度以及其他特殊要求出發(fā)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。如在設(shè)計(jì)鈦和鈦合金壓力容器原件過程中，就應(yīng)對下述因素進(jìn)行充分考慮：其一，在設(shè)計(jì)溫度方面，鈦和鈦合金不能超過315℃，鈦-鋼復(fù)合板不能超過350℃。其二，如果壓力容器處于含氫的高溫高壓環(huán)境，鈦值材料的抗氫腐蝕能力、抗高溫氧化能力和高溫下的熱強(qiáng)性必須符合要求。此外，壓力容器材料的選用還應(yīng)考慮介質(zhì)帶來的影響，如材料易分解、較強(qiáng)的腐蝕性或是可能導(dǎo)致材料脆化的情況下，就應(yīng)對材料進(jìn)行特殊處理?？偟膩碚f，壓力容器材料的選擇還應(yīng)與介質(zhì)相匹配。

壓力容器設(shè)計(jì)中，應(yīng)從使用條件和結(jié)構(gòu)出發(fā)要求材料的制造工藝性能，對于零部件需要進(jìn)行冷沖壓、冷卷加工的情況，應(yīng)保證鋼材有著良好的塑性和冷加工成型性能，應(yīng)保持高于17%-23%的斷后延長率。在對鋼板承受的彎曲變形能力進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從鋼板厚度出發(fā)，對彎心直徑進(jìn)行合理選取，常溫下的彎曲試驗(yàn)通常選取180°彎曲角度，此時(shí)鋼材表面不出現(xiàn)裂紋，此類材料才能應(yīng)用于壓力容器。相關(guān)研究資料可以看到，鋼材的化學(xué)成分決定了可焊性。鋼材的可焊性會(huì)隨著碳含量的增加而持續(xù)性降低，低碳鋼有著較好的可焊性。從原因來看，較低的碳含量下，焊接冷卻后不會(huì)出現(xiàn)明顯的淬硬效應(yīng)，沒有明顯的馬氏體組織，焊接接頭處出現(xiàn)較少的裂紋，不會(huì)發(fā)生明顯變脆現(xiàn)象。中碳鋼表現(xiàn)為較差的可焊性，有的高碳鋼不能進(jìn)行焊接。

四、結(jié)語

科學(xué)的壓力容器設(shè)計(jì)是保障設(shè)備使用性能和安全性能的基礎(chǔ)，而設(shè)計(jì)中的選材是一個(gè)十分重要的部分，這就要求設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，充分了解材料的性能以及帶來的影響，遵循相關(guān)設(shè)計(jì)原則，保障壓力容器的安全使用。

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