浅谈压力容器壳体选材

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【摘要】压力容器是一种被广泛应用于各种行业的特种设备，其安全性是一个不容忽视的问题。决定压力容器安全性的内在因素是结构和材料性能，材料是构成设备的物质基础。合理选材是压力容器设计的基本任务之一。本文浅谈一下压力容器壳体选材的基本原则以及应考虑的几点因素。

【关键词】压力容器；选材；原则；因素

中图分类号：TH49文献标识码：A 文章编号：

压力容器设计的首要问题是选材，对于给定的工况选择合适的材料是设计工程师的责任。材料选择涉及到方方面面，设计工程师师不但要了解材料的性能，而且要了解制造工艺、使用环境和时间对材料性能的影响规律，这看起来是一个很复杂的难题。但从实际出发，一个压力容器设计工程师只要掌握选材的几个主要方面，选择材料就不是一件难事了。

一、影响材料选择的主要因素

设备承受压力载荷（均匀的或交变的）及非压力载荷（自重、风载荷、地震载荷、冲击载荷、附属设备载荷、支座反力、运输载荷、波浪载荷、接管处的载荷等）。这些都在设计计算时起主要作用，但并不是影响材料选择的主要因素。影响材料选择的主要因素有以下几个方面。

1、介质

介质的性能（主要是腐蚀性）会极大影响材料的选择。在这方面可参考各种材料的腐蚀数据资料加以选用。更现实的是，参考已投入运行的相应装置的使用情况来选择材料。对几类主要介质，如硫化氢、氢、和氯化物的存在要予以注意。

（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。因此，在奥氏体不锈钢容器进行水压试验时，要严格控制水中氯离子的含量。

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。

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。

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。

5、材料的相容性

压力容器可由多种材料构成，在焊接时要注意它们的相容性，如电化学腐蚀。有电化学腐蚀的可能时，要采取控制措施，如阴极保护等。

6、制造加工的工艺性能

选择材料要注意其加工性能，如冷、热加工性能等，特别是焊接工艺性能要予以充分了解。

7、货源

一般材料可直接采购，但一些特殊材料的采购供应就有时间的约束。特别是一些多规格、小批量的材料在采购供应上涉及的不仅是时间和价格的问题。因此设计时要予以考虑，优先选用压力容器规范推荐的材料及国内标准中已有的材料，尽量采用国产材料。

因此，压力容器壳体选材应充分考虑操作条件（如设计压力、设计温度、介质特性和操作特点）、材料的焊接性能，冷热加工性能，热处理以及容器结构等条件。

二、材料选择的经济合理性

压力容器的设计还应当充分考虑到节能降耗原则，因此，在材料的选择时，还应考虑其经济合理性。一般情况下，下列规定是经济合理的。

1、所需钢板厚度小于8mm时，在碳素钢与低合金高强度钢之间，宜采用碳素钢钢板（多层容器用材除外）。

2、在刚度或结构设计为主的场合，宜选用普通碳素钢。在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等钢板。

3、所需不锈钢钢板厚度大于12mm时，宜采用衬里、复合、堆焊等结构形式。

4、不锈钢应尽量不用作设计温度小于或等于500℃的耐热用钢。

5、珠光体耐热钢应尽量不用作设计温度小于或等于350℃的耐热用钢。在应使用珠光体耐热钢作耐热或抗氢用途时，应尽量减少、合并钢材的品种、规格。

三、压力容器壳体常用材料

我们在日常的压力容器设计中，一般情况下，壳体所使用的材料为碳素钢、低合金钢以及高合金钢钢板。现就这几种常用材料谈一下选材时应考虑的几点因素。

1、碳素钢和低合金钢钢板

压力容器壳体用碳素钢和低合金钢钢板应考虑以下因素

（1）下列钢板应在正火状态下使用； ①用于多层容器内筒的Q245R和Q345R；②厚度大于36mm的Q245R和Q345R；③厚度大于16mm的Q370R。

（2）下列钢板应每张热处理钢板进行拉伸和V型缺口冲击试验：①调质热处理钢板；②多层容器的内筒钢板；③壳体厚度大于60mm的钢板。

（3）下列壳体用钢板（不包括多层容器的层板）应逐张进行超声检测，钢板超声检测方法和质量等级按JB/T4730.3的规定：①厚度大于30～36mm的Q245R，质量等级应不低于Ⅲ级；②厚度大于36mm的Q245R，厚度大于25mm的Q370R、Mn-Mo系、Cr-Mo系、Cr-Mo-V系，厚度大于20mm的16MnDR、Ni系低温钢（调质状态除外）质量等级应不低于Ⅱ级；③大于16mm的调质状态是用的钢板，多层容器内筒钢板，质量等级不低于Ⅰ级。④介质毒性程度为极度或高度危害，在湿H2S环境中使用，设计压力大于或等于10MPa的钢板，质量等级应不低于Ⅱ级。

（4）碳素钢和碳锰钢在高于425℃温度下长期使用时，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。

2、高合金钢钢板

压力容器壳体用高合金钢钢板应考虑以下因素。

（1）高合金钢钢板一般按GB24511标准选用：①钢板的交货状态，铁素体型钢板以退火状态交货，奥氏体-铁素体型钢板和奥氏体型钢板以固溶热处理状态交货；②压力容器壳体用钢板的厚度允许偏差一般采用普通精度，如需采用较高精度时，应在设计文件中规定。

（2）奥氏体型钢板使用温度高于525℃时，钢种含碳量应不小于0.04%。

（3）壳体用钢板使用温度下限按下列规定：①铁素体型钢板为0℃；②奥氏体-铁素体型钢板为-20℃；③奥氏体型钢板的使用温度高于或等于-196℃时，免做冲击试验。低于-196℃～-253℃，由设计文件规定冲击试验要求。

四、结语

综上所述，压力容器壳体选材涉及到方方面面，不仅要考虑其安全性，还要考虑其经济合理性。过程生产的多样性和过程设备的多功能性，给选材带来了一定的复杂性；制造科学所具有的半科学半经验（技艺）性质给选材带来了难度；材料在过程设备设计、制造、检验各环节处于比较落后的状态。合理的选材便成了压力容器设计的难点和重点之一。本文仅阐述了笔者自己对选材方面的理解和认知，希望对初踏入此行的设计者有所帮助，不足之处，还请见谅。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会

GB 150.1～150.4-2011 压力容器.北京:中国标准出版社, 2012.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.TSGR0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程.北京: 新华出版社,2010.

[3] 戴季煌，陈泽溥，朱秋尔 等.承压设备设计典型问题精解.北京：化学工

业出版社，2010年3月。

[4] 中华人民共和国工业和信息化部.HG/T20581-2011 钢制化工容器材料选用规定．北京：中国计划出版社，2011.

[5] 郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计.化学工业出版社，2011年1月

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