压力容器设计选材的问题分析

压力容器设计选材的问题分析

发表时间：2018-06-25T17:07:02.297Z 来源：《电力设备》2018年第5期作者：刘元宝[导读] 摘要：材料是构成设备的物质基础，在油田压力容器设计中，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。

（中石化中原石油工程设计有限公司河南省郑州市 450016）

摘要：材料是构成设备的物质基础，在油田压力容器设计中，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。

关键词：压力容器；设计；选材

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。作为从事这一方面的研究人员，必须掌握压力容器材质对于设计使用的影响，并根据实际要求进行压力容器选材。

1油田压力容器检验

1.1油田压力容器检验的意义

考虑到油田压力容器的工作环境，在长期的工作运行中，由于受到环境等其它因素的影响，可能会出现一些危险性缺陷，包括裂缝、裂纹、未焊透、未溶合等，一旦出现这些缺陷，压力容器的运行将处于危险状态，发生安全事故的可能性就越大。所谓油田压力容器检验，就是通过对压力容器运行状态的及时检验和处理，发现并消除潜在隐患可能会带来的影响，这是压力容器安全管理的关键环节之一。通过对检验结果的分析和确定，来判断压力容器是否可以修复后继续使用或者报废。

1.2油田压力容器检验的对象

由于钢材是制造压力容器的重要材料，不同材质的钢材在使用中容易出现气孔、裂纹、或者夹渣等问题，所以外界对压力容器安全性的影响主要是压力容器材料的缺陷，其次是焊接部位强度的各种缺陷，对压力容器的检验应重点关注在压力容器制造过程遗留的缺陷和在压力容器的运行过程中所产生的缺陷。

经过相关的调查研究，钢材出现裂纹最容易引起压力容器的运行事故，所以必须重视压力容器的裂纹检查，及时消除裂纹，避免因裂纹引发的脆性断裂影响压力容器的安全性，确保油田压力容器的稳定运行。

1.3油田压力容器检测技术

油田压力容器的缺陷分为表面缺陷和内部缺陷，表面由于隐蔽性不强，一般能用肉眼发现，主要包括机械损伤、工卡具焊迹、电弧灼伤、化学介质腐蚀、表面气孔、表面裂纹等，这些缺陷容易导致压力容器表面受力不均。内部缺陷则需要专业的检验人员对容器内部进行检查，需要结合相关检测仪器来完成对未熔合、未焊透、夹渣、钢板分层以及材料本身的杂质等缺陷的检查。根据不同的检测结果采取想赢的处理措施。

油田压力容器常用的检测技术有磁粉检测法、超声波检测法、渗透检测法、射线检测法、电磁感应检测法等。磁粉检测法灵敏度较高，简单方面，可用于压力容器表面或内部磁性材料的检测，但受工件表面环境的限制。超声波检测法主要检测压力容器内部的裂纹缺陷，检出灵敏度较高、效果较好。渗透检测法主要应用于非铁磁性材料的检测中，灵敏度高，但需要工件表面环境必须保持清洁干燥。射线检测法不仅能通过射线检查压力容器的内部缺陷，还能后实现对容器中缺陷的、近表面裂纹的准确判断，检测过程需采取防辐射措施。电磁感应检测法能适应潮湿及水下环境，主要用来检测压力容器表面的裂纹。 2压力容器设计时选材原则及依据

压力容器设计选材是一项非常重要的内容，在具体材料选择时需要严格依照相应的设计要求和标准进行，在设计过程中还要遵循相应的选材原则和依据，确保设计水平的提升。

（1）在对压力容器选材时，由于相同的工程设计下使用的材料具有统一性，所以在选择时需要考虑材料的来源、价格、性能、耐腐蚀性、力学特性及容器的应用条件等。

（2）在压力容器的钢材料选择时，特别是对于作为承压元件的钢材料要确保其具有较好的焊接性能，成型性、高韧性及较大塑性储备。

（3）压力容器在设计时需要遵循的原则。1）在压力容器设计时，如果设计的是普通碳素钢压力容器，确保板厚度在8mm以上时则可以选择普通的低合金钢；2）设备的设计需要以强度作为主导时，则选择钢材料型号时则需要与介质特点、设计温度和设计压力等应用限制充分的结合，同时在压力容器相关的要求下选择适宜的钢材型号；3）在压力容器设计时，如果是以结构与钢度作为主导，则受压壳体选择普通的碳素钢即可；4）对于设计的容器在运行过程中需要承受超过500℃的高温或是有铁离子污染、强腐蚀性时，则需要选择不锈钢作为压力容器的主材；5）当压力容器设计温度为250℃以上时，宜选择高压高温抗氢用钢，而当设计温度在350一550℃之间时，选择铬锢低合金钢具有较好的适宜性。

3材料代用问题研究

3.1“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。

3.2“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。

4压力容器设计选材研究

4.1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。

4.2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。

4.3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。

结语

总而言之，在石油行业之中，要保证其稳定、健康的发展，就要对相应的压力容器进行一定的重视。在此基础上实现设计与选材技术的创新与突破，将压力容器的安全性放在首位。对各个方面进行严格要求，实现各个阶段的安全工作，同时保障人们以及工作人员的生命安全，促进相应企业以及化工单位的健康、稳定发展。

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