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压力容器材质选用及安全技术加入日期:2008-8-13 | 来源:程力压力容器第一节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。

例如，采用焊接性差的钢材焊制压力容器时，就容易在焊接接头中产生裂缝；有些镍铬不锈钢的压力容器，常因钢号或成分选用不当，在使用中发生晶间腐蚀、应力腐蚀等形式的破坏；选用铁素体钢制造低温压力容器时，如钢的转变温度高于容器的工作温度，则容器工作时就容易发生脆性破坏。

所以，在选择压力容器用钢时，必须根据容器的工作条件(如壁温、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等)选择具有合适力学性能、物理性能和耐腐蚀性能的材料，所选用的材料还必须考虑加工工艺的影响(可焊性、是否便于加工)，并考虑其经济合理性及来源等情况。

对于压力容器的设计者，充分了解各种材料的性能(物理性能、力学性能等)以及影响材料性能的各种因素是十分必要的。

一、材料的性能1．力学性能材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。

压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性和韧性等。

(1)强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。

强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，是材料抵抗外力作用能力的标志。

常用的强度指标有屈服强度σs或σ0．2和抗拉强度σb，高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD，设计中许用应力都是根据这些数值决定的。

另外，材料的屈强比(σs／σb)也是反映材料承载能力的一个指标，不同材料具有不同的屈强比，即使是同一种材料，其屈强比也随着材料热处理情况及工作温度的不同而有所变化。

(2)塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。

塑性指标主要有伸长率δ、断面收缩率φ、冲击韧性ak等。

用塑性好的材料制造容器，可以缓和局部应力的不良影响，有利于压力加工，不易产生脆性断裂，对缺口、伤痕不敏感，并且在发生爆炸时不易产生碎片。

作为化工容器用的钢，要求伸长率δ不低于14％，冲击韧性ak在使用温度下不低于35J／cm2。

(3)韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。

韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值ak表示。

Ak值或ak 值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。

而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。

表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。

(4)硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。

硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。

最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA，HRB，HRC)、维氏硬度(HV)，其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。

而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。

因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。

材料力学性能的各因素之间是相互联系又相互制约的。

有些材料强度较高，但它的伸长率及冲击韧性却很低。

因此，选材时不能只看其单一的性能指标，而应对材料力学性能的诸因素作全面分析。

2．物理性能在容器设计中，应注意到材料的物理性能。

例如，在计算容器的温差应力时，就要用到材料的线胀系数α；在设计换热器及计算容器外壳热损失时，还要用到材料的热导率入等。

因此，材料的使用场合不同，对材料物理性能亦有不同的要求。

主要的物理性能指标有密度ρ，热导率λ，比热容c，熔点tm，线胀系数α，电阻率ρr，弹性模量E等。

常用钢材的物理性能见表2—1。

3．耐腐蚀性能化工厂中经常处理有腐蚀性的介质，故设计化工容器时，在很多场合下，耐腐蚀性对材料的选择起决定性的作用。

材料的耐蚀程度会影响设备使用寿命、产品的质量，有时甚至影响化学反应的进行。

因此，考虑材料的耐蚀性是化工容器材料选择中的一个重要问题。

材料的腐蚀速度在工程上常用Ka(mm／a)来表示，材料腐蚀速度在1mm／a以下的，可认为能用于化工容器。

有关材料的耐蚀性可在材料腐蚀和防腐手册中查得。

4．制造工艺性能材料的制造工艺性能包括可锻性、可焊性、切削加工性及研磨、冲压性能、热处理性能等。

对制造化工容器的钢材来说，焊接性能和压力加工性能就显得更为重要。

(1)可焊性是指金属材料在一定的焊接工艺条件下能否获得优良焊接接头的性能。

一种金属，如果能用较普通又简便的焊接工艺获得优质接头，则认为这种金属具有良好的可焊性；反之，如果要用很复杂或特殊的焊接工艺才能获得优质接头，则认为它的可焊性差。

通常，把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。

钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。

而其中影响最大的是碳元素，也就是说金属含碳量的多少决定了它的可焊性。

钢中的其他合金元素大部分也不利于焊接，但其影响程度一般都比碳小得多。

钢中含碳量增加，淬硬倾向就增大，塑性则下降，容易产生焊接裂纹。

所以含碳量越高，可焊性越差。

所以，常把钢中含碳量的多少作为判别钢材可焊性的主要标志。

含碳量小于0．25％的碳钢和低合金钢，一般都具有良好的可焊性。

含碳量增加，大大增加焊接的裂纹倾向，所以，含碳量大于0．25％的钢材不应用于制造锅炉、压力容器。

在特殊条件下，如选用含碳量超过0．25％的材料(有些低合金钢可焊性较差，必须采取特殊的焊接工艺)，必须得到设计单位总技术负责人批准。

制造单位应对这类材料进行焊接性能试验和焊接工艺评定，合格后，报省级以上锅炉压力容器安全监察机构备案。

制造一般受压容器所用钢材的含碳量最好不大于0．25％。

(2)其他材料成型的主要方法是滚卷与冲压。

材料中的夹渣、气孔等缺陷易在加工过程中形成裂纹或微裂纹。

材料的冷作硬化性会降低塑性指标，而且会在受热时出现结晶粗化，降低强度。

一般材料的残余变形超过3％时，需经退火处理。

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。

如果将碳素钢板Q235-A的价格定为1，其余的板材相对价格大致有如下关系，16MnR为1．4、20R(20g)为1．8、铬钢(1Cr13，2Cr13)为5．1、高合金钢0Cr18Ni10为14．1。

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。

二、影响材料性能的因素影响材料性能的因素主要有冶炼方法、合金元素、制造工艺、操作温度、介质的腐蚀性等。

1．冶炼方法炼钢过程是把生铁中含有的大量有害杂质元素，在氧化反应作用下转变成氧化物进入炉气和炉渣中排除生产较纯金属的过程，所以炼钢过程也是氧化过程。

根据冶炼方法和使用设备不同，可分平炉钢、转炉钢、电炉钢和坩埚钢。

按炼钢炉炉衬不同，还可分为酸性钢和碱性钢。

根据钢锭型式和脱氧情况，又可分镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。

目前，压力容器主要用碱性平炉钢和碱性电炉钢。

由于碱性炉熔炼去磷能力很好，因此厚截面钢板一般都采用这种方法冶炼，使钢中磷含量降至最低。

另外，电炉操作时，可以倾倒放渣，不断地调整炉渣量，使易氧化的元素，如铬和锰等具有较高的回收率，可以获得硫化物和氧化物夹杂很低的高纯净钢。

其次，由于压力容器的操作压力和容器容积不断增加，特大型锻件的需要量也随之增多，这种锻件的压缩变形较小，热处理后不易获得此钢种应能达到的力学性能，因此提高钢的纯度是特别重要的。

为了提高低合金钢的可焊性，消除白点和开裂，必须降低钢锭(尤其是大型锻件的钢锭)中的氢含量。

目前，一般采用真空除气技术降低氢含量，改善锻件(尤其是特大型锻件)的纯度。

除此而外，真空除气还能减少钢中的氧和氮含量。

减少含氧量也就是减少了脱氧剂的用量，使钢更加纯净。

经真空去气处理的钢，因非金属夹杂物减少，改善了钢的疲劳特性。

2．合金元素为了提高钢的力学性能，必须在钢中添加一些合金元素，其中最主要的有锰、硅、铬、镍、钼、钛、铌、钒、铝和铜等。

这些元素添加在钢中后，对钢的物理性能和力学性能影响很大。

根据元素加入量多少和搭配关系，可以产生下述三种情况。

①强度与碳钢相同时，韧性大大提高。

②强度提高，韧性仍不低于碳钢。

③强度和韧性都提高。

(1)锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。

作为合金元素加入钢中的锰，能够提高钢的强度性能和奥式体钢的组织稳定性，截面较大的工件可以获得较均匀的细化组织。

如锰含量增加到10％～15％时，可获得韧性和强度都好的奥式体钢，耐腐蚀性也很好，因此压力容器用碳素钢锰含量都很高。

锰的不利影响是增加钢的过热敏感性和回火脆性。

锰是最便宜的合金元素，资源丰富，我国常用锰钢代替镍铬钢。

(2)硅通常钢中硅含量在0．2％～0．3％范围内。

如钢中硅的含量超过0．5％时，则认为硅是作为特殊的合金元素加人的。

硅能提高钢的强度、耐腐蚀性和耐热性。

硅含量高达15％～20％时，即高硅铸铁，具有特别好的耐酸腐蚀性能。

含硅钢在氧化气氛中加热时，表面形成一层SiO2，从而提高钢在高温时的抗氧化能力，因此在铬、铬铝、铬镍钢中加入一定量的合金元素硅，将增加这些钢的高温抗氧化能力。

锰钢加硅也能提高它的抗氧化性能，但含量过高时，钢表面脱碳倾向加剧。

硅易在钢中产生带状组织，从而使钢材横向性能低于纵向性能，脆性转变温度升高，韧性和可焊性降低。

(3)铬能提高钢的强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性，铬钢具有良好的综合力学性能，经淬火回火处理的铬钢，铬元素一般不降低其韧性。

铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，钢中铬含量越高，其抗腐蚀性能越好。

通常，不锈钢的铬含量高于13％。

由于铬能提高铬镍调质钢和高铬高碳钢的淬透性，因此冷却时要防止由组织应力而产生裂纹。

高铬钢(含铬量超过12％～14％时)的导热性能很差，在热加工加热时应注意缓慢地升温，并有足够的保温匀热时间。

高铬钢在成型加工时，每次变形量要小些。

(4)镍能使钢具有很高的强度、塑性和韧性。

当镍含量少于20％时，其强度随镍含量增高而增加，塑性随镍含量增高而降低。

当镍含量高于20％时，强度逐渐降低，但塑性提高。

镍能提高钢的抗疲劳性能，减少钢对缺口的敏感性，降低钢的低温脆性转变温度。

镍能够提高钢对大气、海水、酸(当镍含量超过15％～20％时，对硫酸、盐酸均有很高的耐腐蚀能力)、碱、盐等耐腐蚀性能。

镍对钢的耐腐蚀性能的影响，通常是使它与铬配合时才能充分地表现出来。

因为镍是形成奥氏体的合金元素，若在钢中只加入镍，而不加入铬，要使低碳镍钢获得纯的奥式体组织，只有镍含量超过24％时才能比较明显地提高钢的耐腐蚀性能。