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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。因此文章主要针对压力容器壳体制造选材的问题进行了分析探讨。
关键词：压力容器；选材；问题分析
中图分类号：TD49 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）01-0039-02
1 材料选择影响因素
1.1介质
介质的性能对压力容器制造选材方面具有极大的影响作用，其性能主要是指介质的腐蚀性。因此在选材时可根据不同材料的性能加以选用或者参考已经在运行的装置的使用情况来选材。
硫化物应力腐蚀裂纹：由于流体无论是酸性还是碱性介质的，只要含有硫化氢的液态水，都有可能引起敏感材料的硫化物应力腐蚀开裂。
临氢使用：在常温下，气态氢即便在压力高的情况下也不容易渗透到钢中去。但当氢气渗透到钢的内部时，说明使用温度已经高于低碳钢所能承受的最高温度220℃，使得低碳钢内部发生变化（与碳生成甲烷产生脱碳），而生成的甲烷气体集聚在晶界等空隙中就造成裂缝或气泡。
应力腐蚀裂纹：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。应力腐蚀开裂不仅与介质有关，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。
1.2温度
结构材料性能受温度影响作用较大。由于材料的强度跟抗氧化性对温度适应都有一个最高值与最低值，当材料的工作环境承受温度超过最高临界值时，说明该材料已不宜使用。当材料使用温度高于临界点时，材料会发生蠕变，即使低于屈服限。因此在长期高温状态下工作，材料最终会发生永久性变形，导致材料失效；当材料的工作温度低于最低临界值时，材料的特性（延性及韧性）会逐步消失。设备的选材必须保证材料在低温工作中还能保其特性，因此，对于材料选材方面对温度的承受范围要有一定的明确标准。
1.3压力
设备所用材料的厚度由压力和尺寸这两方面决定。若增加选用材料的厚度，不仅会影响设备性能和加工工艺，同时还会增加成本。因此，在现阶段，设备使用材料均以高强度钢来代替，特别是针对于大直径、高压力的设备。而对于低压容器，只要根据压力计算得出的厚度，能保证结构稳定性的需要，就不需要使用高强度钢。
1.4流体运动冲击
流体的高速运动会对设备产生一定的损害，如：冲蚀、磨蚀和汽蚀等，特别是在运行过程中水质含有固体颗粒时，对设备的冲击是巨大的。因此在制造设备选材时要充分考虑这一点，并做出相应的防护措施。
1.5材料的相容性
在制造压力容器时要注意各种材料之间的特性，尤其在焊接时，很可能会有电化学腐蚀等现象发生，因此要时刻做好相关的控制措施。
1.6充分了解加工工艺
对于压力容器设备制造加工工艺，制造人员一定要有充分的了解，选材时应注意如：冷、热加工性能等。
1.7材料来源
普通材料可直接采购，但特殊材料就要花时间来采购。在允许的情况下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，并尽量采用国产材料。
2 材料选择比较
在选择材料时，还应考虑其经济合理性，如：①在碳素钢与低合金高强度钢之间选择，如果所需钢板厚度小于8mm时，可用碳素钢钢板（多层容器用材除外）；②普通碳素钢适用在刚度或结构设计为主的场合，并根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等钢板；③衬里、复合、堆焊等结构形式适用于不锈钢钢板厚度大于12mm时；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。
3 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。
3.1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制造考虑因素：
正常状态下使用的钢板：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。
下列钢板应对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。
下列壳体用钢板（不包括多层容器的层板）应全部都进行超声检测，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。
当碳素钢和碳锰钢长期处于高温425℃或超过该温度时，应该考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。
3.2高合金钢钢板
高合金钢钢板制造压力容器壳体主要要点：
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。
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%。
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-253℃～-196℃，由设计文件规定冲击试验要求。
4 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。因此文章仅阐述了压力容器壳体选材方面的理解和认知，希望对初入此行的设计者有所帮助，不足之处，还请见谅。
作者简介：乔杰（1982-），男，汉族，山东省特种设备检验研究院烟台分院，助理工程师，研究方向：压力容器检验。
关键词：压力容器；选材；问题分析
中图分类号：TD49 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）01-0039-02
1 材料选择影响因素
1.1介质
介质的性能对压力容器制造选材方面具有极大的影响作用，其性能主要是指介质的腐蚀性。因此在选材时可根据不同材料的性能加以选用或者参考已经在运行的装置的使用情况来选材。
硫化物应力腐蚀裂纹：由于流体无论是酸性还是碱性介质的，只要含有硫化氢的液态水，都有可能引起敏感材料的硫化物应力腐蚀开裂。
临氢使用：在常温下，气态氢即便在压力高的情况下也不容易渗透到钢中去。但当氢气渗透到钢的内部时，说明使用温度已经高于低碳钢所能承受的最高温度220℃，使得低碳钢内部发生变化（与碳生成甲烷产生脱碳），而生成的甲烷气体集聚在晶界等空隙中就造成裂缝或气泡。
应力腐蚀裂纹：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。应力腐蚀开裂不仅与介质有关，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。
1.2温度
结构材料性能受温度影响作用较大。由于材料的强度跟抗氧化性对温度适应都有一个最高值与最低值，当材料的工作环境承受温度超过最高临界值时，说明该材料已不宜使用。当材料使用温度高于临界点时，材料会发生蠕变，即使低于屈服限。因此在长期高温状态下工作，材料最终会发生永久性变形，导致材料失效；当材料的工作温度低于最低临界值时，材料的特性（延性及韧性）会逐步消失。设备的选材必须保证材料在低温工作中还能保其特性，因此，对于材料选材方面对温度的承受范围要有一定的明确标准。
1.3压力
设备所用材料的厚度由压力和尺寸这两方面决定。若增加选用材料的厚度，不仅会影响设备性能和加工工艺，同时还会增加成本。因此，在现阶段，设备使用材料均以高强度钢来代替，特别是针对于大直径、高压力的设备。而对于低压容器，只要根据压力计算得出的厚度，能保证结构稳定性的需要，就不需要使用高强度钢。
1.4流体运动冲击
流体的高速运动会对设备产生一定的损害，如：冲蚀、磨蚀和汽蚀等，特别是在运行过程中水质含有固体颗粒时，对设备的冲击是巨大的。因此在制造设备选材时要充分考虑这一点，并做出相应的防护措施。
1.5材料的相容性
在制造压力容器时要注意各种材料之间的特性，尤其在焊接时，很可能会有电化学腐蚀等现象发生，因此要时刻做好相关的控制措施。
1.6充分了解加工工艺
对于压力容器设备制造加工工艺，制造人员一定要有充分的了解，选材时应注意如：冷、热加工性能等。
1.7材料来源
普通材料可直接采购，但特殊材料就要花时间来采购。在允许的情况下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，并尽量采用国产材料。
2 材料选择比较
在选择材料时，还应考虑其经济合理性，如：①在碳素钢与低合金高强度钢之间选择，如果所需钢板厚度小于8mm时，可用碳素钢钢板（多层容器用材除外）；②普通碳素钢适用在刚度或结构设计为主的场合，并根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、Q235C、Q245R、Q345R等钢板；③衬里、复合、堆焊等结构形式适用于不锈钢钢板厚度大于12mm时；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。
3 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。
3.1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制造考虑因素：
正常状态下使用的钢板：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。
下列钢板应对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。
下列壳体用钢板（不包括多层容器的层板）应全部都进行超声检测，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。
当碳素钢和碳锰钢长期处于高温425℃或超过该温度时，应该考虑钢中碳化物相的石墨化倾向。
3.2高合金钢钢板
高合金钢钢板制造压力容器壳体主要要点：
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。
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%。
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-253℃～-196℃，由设计文件规定冲击试验要求。
4 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。因此文章仅阐述了压力容器壳体选材方面的理解和认知，希望对初入此行的设计者有所帮助，不足之处，还请见谅。
作者简介：乔杰（1982-），男，汉族，山东省特种设备检验研究院烟台分院，助理工程师，研究方向：压力容器检验。