化工压力容器常用材料选用论文

化工压力容器常用材料选用论文

摘要：生产过程的多样性和设备的多功能性，给选材带来了一定的复杂性，制造科学所具有的半经验半科学性质给选材带来了难度，所以，合理的选材成了化工压力容器设计的难点。

引言

近年来压力容器产品大型化、高参数化的趋势日益明显，千吨级的加氢反应器、二千吨级的煤液化反应器、一万立方米的天然气球罐（日本最大的天然气球罐为三万立方米）等已经在我国大量应用，压力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。因此，耐高温、高压和耐腐蚀的压力容器用材料的研制与选用一直是压力容器行业所面临的重大课题。

1、影响材料选择的主要因素

1.1、介质

1）硫化物应力腐蚀裂纹（SSC）

含有硫化氢的液态水的流体不论是酸性还是碱性介质，均可能引起敏感材料的硫化物应力腐蚀开裂。这一现象受多个参数的交互作用影响，包括硫化氢浓度、酸值、温度、材料特性和拉伸应力。

2）临氢使用

在常温下，即使压力很高，气态氢也不容易渗透到钢中去。然而，但一般低碳钢在氢介质中使用温度高于220℃时，材料就会发生内部脱碳的倾向。这是因为氢气渗透到钢的内部，与碳生成甲烷产生脱碳。生成的甲烷气体集聚在晶界等空隙中就造成裂缝或气泡。

3）应力腐蚀裂纹（SCC）

金属材料在特定介质中，受应力作用后经一定时间作用而引起的开裂。这是由于介质中有能引起应力腐蚀的成分，最常见的为氯化物。应力腐蚀敏感不仅与介质有关，还与特定的材料有关，低碳钢在含氯离子介质中不会产生应力腐蚀开裂，而奥氏体不锈钢却极易在含氯离子介质中发生应力腐蚀开裂。

1.2、温度

温度影响结构材料的性能，因此，是选材的一个十分重要的因素。材料的强度以及抗氧化性随着温度的升高而降低，因此，所有材料都有一个合适的最高使用温度，高于该温度，则材料不宜使用。高于某一温度时，材料会发生蠕变，即使低于屈服限，在该温度以上长期使用，材料也会产生永久变形，最终导致材料断裂或变形过大而失效。材料的延性及韧性随着温度的降低而降低。材料的韧性（特指冲击韧性）是确定材料低温使用的依据。往往要求一定强度水平的材料在某一低温使用时必须具有相应的冲击韧性。材料从韧性状态转变为脆性状态的温度称为冷脆转变温度。要确定材料的冷脆转变温度一般来说也容易。当某一材料在某一低温时冲击韧性值（即夏比V型缺口冲击值）开始显著降低时，此温度即为冷脆转变温度。

1.3、压力

压力和设备的尺寸决定了所用材料的厚度。往往材料厚度增加，性能会降低，且加工不便，同时增加加工成本。因此，对于大直径、高压力的设备，往往选用高强度钢，可减小壁厚以降低总体成本。对

于低压容器，由压力所计算出的厚度，往往小于保证结构稳定性所需的最小厚度，因此就没有必要采用高强度钢。

1.4、流体速度

流体的速度会产生冲蚀、磨蚀和汽蚀，在选材时应注意。流体含有固体颗粒会对冲蚀和磨蚀产生显著影响。因此需像防止腐蚀一样给予一定的裕量或采取其他的防护措施。

1.5、价格与采源

设备成本的很大一部分决定于材料的价格。因此，在选用材料时，应了解它们的价格。当然，采用价廉的材料不一定在经济上就是合理的，因为价贵的材料可能具有较好的性能，用它可以制成器壁较薄而轻的容器，而且使用年限也比较长，经济效果更好。分析材料的经济性不能仅看它们的价格，同时要看国家的资源情况。应多用普通易取的材料，少用昂贵稀缺的材料；多用国产材料，少用或不用进口材料。

2、化工压力容器常用材料的选用

压力容器的用途极广，工作条件也千差万别，因此在容器的设计过程中正确地选择材料是一件极为复杂而又特别重要的工作。很多压力容器造成事故的重要原因之一就是选用材料不当。

2.1、碳素钢

压力容器用碳素钢一般是含磷、硫杂质少，塑性好，焊接性能优异，抗冷脆性能高，时效倾向小的镇静钢。碳素钢是压力容器常用的材料，供应方便，价格低廉。压力容器用碳素钢包括普通碳素钢和优质碳素钢，常用于制造压力容器的普通碳素钢钢板有Q235-A·F、

Q235-A、Q235-C、20R、20HP；优质普通碳素钢板有10、20、25、35、45；制造钢管的有10、20；用于锻件的材料有20、25、35、45；碳钢螺栓材料有Q235-A、35。

2.2、低合金钢

低合金钢具有较好的力学性能，强度高，塑性、韧性好，而且焊接性能及其他工艺性能也较好，由于钢中含有一定量的合金元素，所以耐蚀性远比碳素钢强。由于低合金钢的力学性能好，用它制造的压力容器重量比碳钢制造的轻20%～30%，成本也降低许多。常用的低合金钢钢板有16MnR、15MnVR、15MnVNR等；钢管有16Mn、15MnV、09Mn2V、16Mo等；锻件有16Mn、15MnV、10MnMo等；螺栓有16Mn、40MnB、40MnVB、40Cr等。

2.3、高合金钢钢板

高合金钢钢板在空气、水、酸、碱及其他化学侵蚀性介质中具有高度的稳定性。常用的高合金钢钢板有0Cr13、0Cr18Ni9、0Crl8Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2、OCr19Ni10等；钢管有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni12Mo2Ti等；锻件有0Cr13、1Cr18Ni9Ti等；螺栓有2Cr13、1Cr18Ni9Ti、0Crl8Ni12Mo2Ti等。

2.4、复合钢板

复合钢板是由碳钢或普通低合金钢为基层、不锈钢为复层组成的钢板。一般复层厚度为基层厚度的1/3～1/10。基层的作用是承受强度，复层则用作防腐层，与介质接触。应用不锈钢复合板，不仅节约了不锈钢，而且其热导率为单一不锈钢的1.5～2倍。因此，它特别适

用于制造既要耐腐蚀又要传热效率高的设备。

2.5、低温容器与高温容器用钢

（1）低温容器

我国将设计温度小于或等于-20℃的压力容器定为低温容器。低温容器破坏的主要原因是由于承压部件在低温和应力作用下发生脆性断裂，所以，GB150-1998《钢制压力容器》中规定"低温容器受压元件用钢必须是镇静钢"。

（2）高温容器

在较高温度下承受载荷的金属材料，各种性能都与在常温下的性能有明显的区别。除了力学性能会随着温度的升高发生明显变化（一般表现为强度降低而塑性升高）外，钢材在高温下还会出现蠕变、松弛（最主要的是会产生蠕变）等异常现象。因此，对于高温承压部件材料的强度，不仅要考虑它的短期高温强度指标，更主要是考虑它的抗蠕变性能，即蠕变极限和持久强度。蠕变极限是材料在一定温度下，在规定的使用时间内，使试件产生一定量总变形的应力值。持久强度是指在给定温度下，使材料经过规定时间发生断裂的应力值。蠕变极限反映的是材料在高温下工作的变形量，持久强度反映的是材料在高温下长期工作的断裂抗力，它更好地反映了高温元件的失效特点，所以特别适用于高温承压部件。

3、结语

生产过程的多样性和设备的多功能性，给选材带来了一定的复杂性，制造科学所具有的半经验半科学性质给选材带来了难度，所以，