淺析壓力容器中金屬材料的應(yīng)用和注意問題

沈陽東方鈦業(yè)股份有限公司

摘要：壓力容器廣泛應(yīng)用于化工、輕工、能源、冶金、航天等領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用。材料技術(shù)是壓力容器技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是設(shè)計(jì)和制造的先決條件。

關(guān)鍵詞：壓力容器；金屬材料；應(yīng)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(jī)械性能有：

1、強(qiáng)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(biāo)有屈服強(qiáng)度（δs）和拉伸強(qiáng)度（σb），是由拉伸試驗(yàn)獲得。

塑性—指材料在外力作用下產(chǎn)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(shù)值由拉伸試驗(yàn)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(nèi)裝介質(zhì)的性質(zhì)等）相適應(yīng)，另外，在容器制造過程中，鋼板必須經(jīng)受冷熱加工成型和焊接。因此，鋼材除應(yīng)具有必要的機(jī)械性能外，還應(yīng)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(qiáng)度鋼；在高溫條件下使用的合金結(jié)構(gòu)鋼；在低溫條件下使用的低溫鋼（-20℃以下）；與氫、氮、氨混合介質(zhì)接觸，溫度超過350℃時(shí)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(zhì)的容器，應(yīng)采用性能與所裝介質(zhì)相適應(yīng)的不銹耐酸鋼。

一、壓力容器對(duì)鋼材的要求及鋼材在壓力容器中的應(yīng)用

壓力容器用鋼板比一般鋼板的要求更嚴(yán)，主要體現(xiàn)在對(duì)化學(xué)成分的控制較嚴(yán)，抽樣檢驗(yàn)要求較高，力學(xué)性能檢驗(yàn)中增加了沖擊值的要求?；疽螅狠^高的強(qiáng)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(zhì)的相容性。

1、化學(xué)成分 含C量≤0.25%，C含量高，使強(qiáng)度增加，可焊性變差，加入V，Ti，Nb可提高強(qiáng)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?yàn)榱蚰艽龠M(jìn)非金屬夾雜物的形成，使塑性和韌性降低。磷能提高鋼的強(qiáng)度，但會(huì)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(yīng)變時(shí)效性能、抗回火脆性性能和耐腐蝕性能。因此要嚴(yán)格控制S、P的含量。

2、力學(xué)性能 力學(xué)性能不僅與鋼材的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)有關(guān)且與所處的應(yīng)力狀態(tài)和環(huán)境有關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)，力學(xué)性能判斷可從相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中查到，實(shí)際使用時(shí)，除了要查看質(zhì)量證明書外，有時(shí)還要對(duì)材料進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。

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(yīng)在15～20%以上。良好可焊性是一項(xiàng)重要指標(biāo)可焊性主要取決于化學(xué)成分，影響最大是含碳量，各種合金元素對(duì)可焊性有不同程度的影響。

二、有色金屬在壓力容器上的應(yīng)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(xiàn)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(qiáng)氧化性介質(zhì)，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(huán)境中，如化工、石油化工、煙氣脫硫、紙漿和造紙、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

哈氏C-276合金的各種腐蝕數(shù)據(jù)是有其典型性的，但是不能用作規(guī)范，尤其是在不明環(huán)境中，必須要經(jīng)過試驗(yàn)才可以選材。哈氏C-276合金中沒有足夠的Cr來耐強(qiáng)氧化性環(huán)境的腐蝕，如熱的濃硝酸。這種合金的產(chǎn)生主要是針對(duì)化工過程環(huán)境，尤其是存在混酸的情況下，如煙氣脫硫系統(tǒng)的出料管等。

哈氏合金的力學(xué)性能非常突出，它具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，所以在機(jī)加工方面有一定的難度，而且其冷作硬化傾向極強(qiáng)，當(dāng)變形率達(dá)到15%時(shí)，約為18-8不銹鋼的兩倍。哈氏合金還存在中溫敏化區(qū)，其敏化傾向隨變形率的增加而增大。當(dāng)溫度較高時(shí)，哈氏合金易吸收有害元素使它的力學(xué)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(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)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(xué)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(jié)構(gòu)材料。

鈦 鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2%時(shí)，會(huì)在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時(shí)，與N作用也會(huì)形成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時(shí)，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會(huì)形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1～0.15 mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)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(xù)氧化。在稀酸中可緩慢溶解，釋放出氫氣而產(chǎn)生綠色的正二價(jià)鎳離子Ni2+；耐強(qiáng)堿。鎳可以在純氧中燃燒，發(fā)出耀眼白光。同樣的，鎳也可以在氯氣和氟氣中燃燒。對(duì)氧化劑溶液包括硝酸在內(nèi)，均不發(fā)生反應(yīng)。鎳是一個(gè)中等強(qiáng)度的還原劑。鎳在鹽酸、硫酸、有機(jī)酸和堿性溶液對(duì)鎳的浸蝕極慢。鎳在稀硝酸緩慢溶解。發(fā)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(shí)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(gòu)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(xué)性能、較低的原子熱中子吸收截面，對(duì)核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)材料。此外，鋯對(duì)多種酸、堿和鹽有優(yōu)良的抗蝕性，與氧、氮等氣體有強(qiáng)烈的親和力，因此鋯合金也用于制造耐蝕部件和制藥機(jī)械部件，在電真空和燈泡工業(yè)中被廣泛用作非蒸散型消氣劑。

工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的鋯合金有鋯錫系和鋯鈮系兩類。前者合金牌號(hào)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(qiáng)度、耐蝕性和耐蝕膜的導(dǎo)熱性，降低表面狀態(tài)對(duì)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(dá)到使用溫度下鋯的晶體結(jié)構(gòu)的固溶極限時(shí)，合金的耐蝕性最好。鋯合金有同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變，高溫下的晶體結(jié)構(gòu)為體心立方結(jié)構(gòu)，低溫下為密排六方結(jié)構(gòu)。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(jìn)行焊接加工。

結(jié)語：

經(jīng)過近年來的發(fā)展，壓力容器用材料取得了很大的研究成果和技術(shù)進(jìn)步，冶金工業(yè)整體技術(shù)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(qiáng)材料的應(yīng)用正在引起國內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注。

參考文獻(xiàn)：

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