材料學(xué)在壓力容器中的應(yīng)用

摘要：隨著國家工業(yè)的日益發(fā)達和科學(xué)技術(shù)的日新月異，工業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)原理的應(yīng)用日益廣泛，其中材料學(xué)在壓力容器中的應(yīng)用更是如此。本文基于材料學(xué)和壓力容器相關(guān)知識的分析概述，研究探討材料學(xué)在壓力容器中的應(yīng)用，包括材料熱處理、材料焊接以及材料腐蝕等。

關(guān)鍵詞：材料學(xué)；壓力容器；應(yīng)用

改革開放以來，國家大力提倡科教興國，科學(xué)原理知識在工農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，尤其是工業(yè)中的科學(xué)應(yīng)用。在工業(yè)發(fā)展中，隨著如2005年的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》和2007年的《當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點領(lǐng)域指南》等一系列工業(yè)發(fā)展綱領(lǐng)的頒布實施，下游產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展代換，引發(fā)工業(yè)裝備大升級，金屬壓力容器的應(yīng)用與清潔能源應(yīng)用、新能源制造以及海水淡化裝備制造一起被列入國家工業(yè)發(fā)展的重點領(lǐng)域，壓力容器行業(yè)的發(fā)展日益引發(fā)關(guān)注。同時，在吸收借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，國家壓力容器行業(yè)的發(fā)展逐步引入更多科學(xué)原理知識，以響應(yīng)國家科教興國的號召，其中自然包括材料學(xué)的引入應(yīng)用。

一、材料學(xué)與壓力容器概述

依據(jù)相關(guān)科普知識可知，材料學(xué)是一門集材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能研究于一體的新型化工科學(xué)，在材料的設(shè)計、制造、工藝優(yōu)化以及合理使用上有著重要的借鑒意義。就一般情況而言，材料學(xué)全面研究材料在不同組成形式和不同工藝條件下的變量關(guān)系，獲取材料的相關(guān)使用性能，進而實現(xiàn)材料在工業(yè)應(yīng)用中的工藝優(yōu)化效果。

通常情況下，壓力容器用來儲存化學(xué)性質(zhì)活躍的氣體或液體，盛裝的氣體或液體易燃易爆，腐蝕性強，毒性高，內(nèi)外部威脅隱患多，安全事故時有發(fā)生。常見壓力容器的構(gòu)造如下圖所示。

常見壓力容器的構(gòu)造圖

因此，壓力容器的制造在材料選擇上要求極高，在加工操作簡便、加工成本合理的基礎(chǔ)上要確保材料在惡劣作業(yè)環(huán)境下性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生變化，因而便需要材料學(xué)的相關(guān)知識提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

二、材料學(xué)在壓力容器中的應(yīng)用

材料學(xué)在壓力容器中的應(yīng)用通常情況下包括材料熱處理、材料焊接以及材料腐蝕三個方面的應(yīng)用。

（一）壓力容器的材料熱處理

壓力容器中材料的熱處理主要是指在一定的介質(zhì)內(nèi)，對金屬材料進行加熱、保溫、冷卻處理，以此改變材料組成結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)控制材料如強度、硬度、塑性等的性能的壓力容器金屬材料加工工藝。金屬壓力容器的制造中，鋼是最多使用的材料，其熱處理加工工藝分為正火、除應(yīng)力退火、淬火以及回火四種。

第一，壓力容器的材料熱處理中，正火是指以奧氏體化溫度為標(biāo)準(zhǔn)進行鋼的加熱后自然冷卻的加工工藝。制造壓力容器時，正火處理碳鋼和低合金鋼，晶粒細化，鋼板性能便得以改善，壓力容器的塑性和韌性便能得以提升。第二，除應(yīng)力退火是指以鋼相變點為標(biāo)準(zhǔn)，進行鋼的加熱處理，實現(xiàn)焊接、塑性變形、切割加工等工藝中剩余應(yīng)力的去除的加工工藝。在壓力容器制造中，剩余應(yīng)力主要包括鋼板復(fù)層貼合生成的殘余應(yīng)力、產(chǎn)品零部件成形中的殘余應(yīng)力、接頭焊接的殘余應(yīng)力以及焊接機加工使用中的變形內(nèi)應(yīng)力等，這些剩余應(yīng)力一經(jīng)消除，材料焊縫的抗裂性和韌性便能得以提升。第三，壓力容器的材料熱處理中，淬火是指以鋼的臨界點為標(biāo)準(zhǔn)，進行鋼的加熱保溫后迅速冷卻，獲取鋼的馬氏體或貝氏體結(jié)構(gòu)的加工工藝。壓力容器的金屬材料淬火過程中，以低碳鋼和低合金鋼為原材料獲取馬氏體或貝氏體，材料的強度和韌性便能得以提升；在壓力容器的熱處理中，通常情況下，淬火與回火結(jié)合進行。第四，在壓力容器的材料熱處理中，回火是指在經(jīng)過淬火或正火處理后，以相變點為標(biāo)準(zhǔn)進一步將鋼加熱保溫后冷卻，去除淬火或正火殘余應(yīng)力的加工工藝，回火處理后，鋼的脆性降低，剛性和韌性得以提升。

（二）壓力容器的材料焊接

壓力容器制造中，材料焊接是指同種或異種材料經(jīng)過加熱或加壓處理后形成永久性連接的加工工藝，焊接工藝的應(yīng)用對于壓力容器的制造具有相當(dāng)大的意義，所占加工比例已達30%甚至以上，材料焊接結(jié)果的好壞直接決定著壓力容器安全使用性能的高低。壓力容器的材料焊接處理中，主要會發(fā)生兩種焊接缺陷事故，即加熱時晶粒粗化而造成強度和塑性的降低和冷卻中馬氏體結(jié)構(gòu)的生成而致使材料塑性降低，一旦存在焊接缺陷，壓力容器便會出現(xiàn)如冷裂紋等安全事故。

當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)中多以碳當(dāng)量Ceq的檢測值來判斷鋼材的焊接質(zhì)量。在壓力容器的材料焊接過程中，碳含量是鋼材焊接的基礎(chǔ)，在鋼中添加其它合金元素，此時其它合金含量等效于碳含量，因此成為碳當(dāng)量。通常情況下，當(dāng)碳當(dāng)量Ceq低于0.4%時，鋼材不需要進行預(yù)熱處理，焊接質(zhì)量好；當(dāng)碳當(dāng)量Ceq字在0.4%-0.6%范圍內(nèi)時，鋼材焊接需要進行預(yù)熱處理，焊接質(zhì)量不夠合格；當(dāng)碳當(dāng)量超過0.6%時，鋼材焊接質(zhì)量差。因此，在壓力容器的材料焊接中，要嚴格控制碳當(dāng)量Ceq值的大小，以確保材料焊接質(zhì)量。

（三）壓力容器的材料腐蝕

壓力容器制造過程中，材料腐蝕是最常見的問題，如開裂現(xiàn)象等。開裂是壓力容器失效的常見原因，壓力容器一旦出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，便有可能出現(xiàn)嚴重的安全事故。壓力容器在使用時，材料因一些腐蝕性介質(zhì)的影響而發(fā)生腐蝕后，強度會急劇降低，壓力容器在較低應(yīng)力作用下便會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，即壓力容器的應(yīng)力腐蝕開裂。

壓力容器的應(yīng)力腐蝕開裂原理通常是應(yīng)力作用下，材料力學(xué)性能不穩(wěn)定，應(yīng)力裂紋出現(xiàn)穿晶斷裂現(xiàn)象；一般情況下，出現(xiàn)壓力容器的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象主要有兩個方面的原因，一方面是選用的材料性能不穩(wěn)定，容易在腐蝕性介質(zhì)的作用下出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，另一方面是壓力容器使用過程中材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)在一些因素的影響下出現(xiàn)大幅度變化，進而出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

結(jié)束語

科教興國政策的推廣實施中，相關(guān)科普知識在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，其中自然包括材料學(xué)原理在壓力容器中的應(yīng)用。依據(jù)材料學(xué)相關(guān)原理，在壓力容器制造過程中，要注意把握壓力容器材料熱處理、材料焊接和材料腐蝕的相關(guān)知識，提升壓力容器的使用性能，降低壓力容器使用的安全事故率，以此促進壓力容器行業(yè)的健康發(fā)展，推動工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，進而推動社會和經(jīng)濟的快速發(fā)展。

參考文獻：

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[2]熊亮，萬貴根，李成軍.材料學(xué)在壓力容器中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，（z2）