探討石油化工壓力容器鋼的選用

王旭陽

摘 要：石油化工工業(yè)對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用，在石油化工工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中，石油化工壓力容器的設(shè)備選材十分重要。由于材料性能對(duì)于設(shè)備使用壽命和質(zhì)量具有重大影響。因此，必須重視設(shè)備的選材問題。本文探討了石油化工行業(yè)壓力容器設(shè)備選材的相關(guān)注意事項(xiàng)，以便為從事相關(guān)工作的人員提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：石油化工;壓力容器;鋼的選用

0 引言

在石油化工容器中，材料的選擇是非常重要的，我們必須要選擇材料性能優(yōu)良的原料，這樣才可以強(qiáng)化設(shè)計(jì)的技術(shù)含量，從而保障化工壓力容器的安全性能。具體來說，我們在進(jìn)行化工壓力容器材料選擇的時(shí)候，需要對(duì)于各種問題做好分析，保障化工壓力容器的正常運(yùn)作。

1 石油化工壓力容器的現(xiàn)狀

煉油廠和石油化工廠使用的工藝氣體（通常在相當(dāng)高的壓力下）必須以最安全可靠的方式進(jìn)行處理和控制。因此，所有含氣部件必須為此目的進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。特別是，在往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)備中，壓力脈動(dòng)是不可避免的，但其發(fā)生和影響可以通過適當(dāng)?shù)膲毫θ萜髟O(shè)計(jì)、管道布局、支架等來控制。脈動(dòng)瓶的適當(dāng)尺寸實(shí)際上是確定往復(fù)式壓縮機(jī)設(shè)備系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。確定脈動(dòng)瓶的體積、形狀和類型是設(shè)計(jì)的第一步。然后根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。在某些情況下，可能還需要計(jì)算瓶內(nèi)構(gòu)件上產(chǎn)生的應(yīng)力，以及低周疲勞分析。一旦確定了脈動(dòng)瓶，就可以通過有限元模型（包括氣缸、吸入和排出瓶以及相關(guān)支架）進(jìn)行振動(dòng)分析。

工業(yè)上通常使用圓柱形壓力容器或立式反應(yīng)塔來輸送高壓和高溫下的液體和氣體。石油化工中高溫高壓下工作的設(shè)備和管道，以及氫的存在，通常都是用Cr-Mo鋼制造的。替代Cr5Mo的Cr9Mo管材廣泛應(yīng)用于高硫原油精煉設(shè)備的許多部位，以滿足更高要求的高溫防腐和抗氧化要求。國產(chǎn)Cr9Mo鋼的力學(xué)性能、蠕變斷裂性能和高溫抗氧化性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。三年的應(yīng)用表明，國產(chǎn)Cr9Mo鋼完全能滿足石化行業(yè)的要求。

壓力容器用于工業(yè)和私營部門的各種應(yīng)用。壓力容器的例子有潛水缸、蒸餾塔、高壓釜以及煉油廠和石化廠中的許多其他容器。壓力容器設(shè)計(jì)中存在的問題是壓力容器底部控制質(zhì)量流量的孔在結(jié)構(gòu)和熱方面都是薄弱環(huán)節(jié)。近年來，隨著國家電力需求的快速增長和節(jié)能環(huán)保要求的進(jìn)一步提高和發(fā)展，高容量、高效率的超超臨界火電機(jī)組參數(shù)是當(dāng)前的主流趨勢。TP347H奧氏體耐熱鋼具有良好的高溫抗氧化性能?？谷渥儭⒕чg腐蝕、焊接和冷熱加工已廣泛應(yīng)用于電廠維修和國內(nèi)主要超臨界電站鍋爐。冷加工是無縫鋼管生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。

針對(duì)TP347H鋼管在高壓鍋爐上的應(yīng)用，通過研究鋼管在室溫和固溶狀態(tài)下的冷休眠對(duì)晶粒尺寸和力學(xué)性能的影響，為TP347H鋼管冷態(tài)工藝的發(fā)展提供了合理的支持。通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著冷尺寸的增加，鋼的晶粒變薄，在黃玉中出現(xiàn)線滑移。通過對(duì)石油化工壓力容器用鋼（16MnR）在高溫下的力學(xué)性能測試，確定了300℃下的概率分布，發(fā)現(xiàn)了平均電阻值與溫度的關(guān)系，得到了二維隨機(jī)分布的概率密度函數(shù)通過獲得的綜合數(shù)據(jù)，對(duì)16MnR的屈服強(qiáng)度進(jìn)行了初步的推導(dǎo)，并利用上述結(jié)果給出了計(jì)算實(shí)例。

作者還提出了溫度和力學(xué)性能均為隨機(jī)變量的石油化工壓力容器可靠性設(shè)計(jì)的二維設(shè)計(jì)模型。當(dāng)冷態(tài)尺寸達(dá)到15%～20%時(shí)，室溫與屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度流動(dòng)相同。在固液混合條件下，管道中的滑移隨冷度的增大而消失，室溫與屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度的流動(dòng)相同。軌道相同的薄，屈服的力量和力量，并拉出一切可能。在相同的溫度下，隨著冷度的增大，屈服強(qiáng)度對(duì)強(qiáng)度的形狀變化不明顯，伸長段的變化規(guī)律也不明顯。在與形狀相同的量下，Keola的溫度升高，屈服強(qiáng)度高，拉出強(qiáng)度降低。[1]

2 石油化工壓力容器鋼的選用

2.1 新型壓力容器專用材料的選用

值得注意的是新世紀(jì)納米技術(shù)正在試制出輕質(zhì)、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定的新型材料，甚至能自動(dòng)修復(fù)磨損或裂紋等缺陷的智能材料。選用這類材料進(jìn)行加工成形時(shí)，不再是傳統(tǒng)的“去材法”或“變形法”制造理念，而是運(yùn)用“增材法”制造理念，這樣既大大節(jié)省了原材料，降低了環(huán)境污染，又可使不同材料層起到不同的特殊功能。容器設(shè)計(jì)一般當(dāng)容器設(shè)計(jì)厚度大于12mm時(shí)，就應(yīng)該考慮選用復(fù)合材料的可能性。

選用復(fù)合板作為壓力容器筒體材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的特性選用不同材料類型的復(fù)合板。鈦--鋼復(fù)合板由于其優(yōu)良的耐腐蝕性能和較低的鋼材成本，在壓力容器等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。為了促進(jìn)鈦鋼復(fù)合板生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)爆炸焊接、爆炸+軋制和真空軋制的機(jī)理進(jìn)行了綜合分析。通過對(duì)制造工藝和工藝參數(shù)的比較，三種制造工藝的界面和性能的點(diǎn)差異。同時(shí)，對(duì)三種復(fù)合材料板的性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：爆炸焊接復(fù)合板適用于高壓和超高壓容器，爆炸+軋制復(fù)合板適用于中高壓容器，真空軋制復(fù)合板適用于低壓容器。[2]

2.2 奧氏體不銹鋼材料

奧氏體不銹鋼具有良好的延展性和高應(yīng)變硬化性。當(dāng)鋼在拉力下加載到超過其驗(yàn)證強(qiáng)度的應(yīng)力σk，然后卸載時(shí)，將產(chǎn)生永久塑性延伸率。如果鋼再次加載，它將保持彈性到這個(gè)更高的應(yīng)力。應(yīng)變硬化的這一特性為通過壓力強(qiáng)化提高鋼材的許用應(yīng)力提供了空間。在實(shí)際應(yīng)用中，成品容器通過內(nèi)壓加載至σk的強(qiáng)化應(yīng)力，遠(yuǎn)高于材料的強(qiáng)度，大大提高了容器的承載力。

根據(jù)材料的真實(shí)應(yīng)力--應(yīng)變曲線，提出以應(yīng)變能函數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合約束條件確定σk強(qiáng)化應(yīng)力的原理。[3]利用這一原理，對(duì)壓力容器大變形計(jì)算中考慮材料和幾何非線性的壓力強(qiáng)化。同時(shí)，該容器在強(qiáng)化操作過程中的加載步驟下的應(yīng)變，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合。對(duì)于加固后的壓力容器，通過實(shí)測塑性破壞壓力與設(shè)計(jì)壓力。結(jié)構(gòu)構(gòu)件由奧氏體不銹鋼制成，在中子輻照環(huán)境中具有耐腐蝕性，并能抑制應(yīng)力腐蝕開裂和脆化。[4]從以下組中選擇至少一種添加劑：Ti大于0.2%，但不超過0.6%，Zr大于0.2%，但不超過1.14%，Hf大于0.2%，小于2.24%，V大于0.2%，小于0.64%，在含有Cr、Ni等元素的奧氏體不銹鋼中加入Nb大于0.5%但不超過1.17%和Ta大于0.5%但不超過2.27%，并表示至少有一種以固溶狀態(tài)存在。此外，鋼具有完全奧氏體結(jié)構(gòu)，基本上不含碳化物。為了保持添加元素對(duì)輻照誘導(dǎo)的防偏析作用，C含量限制在0.01～0.008%，N含量限制在0.001～0.0%。[5]

3 結(jié)束語

化工壓力容器屬于是特殊設(shè)備的范圍，在制造的過程中需要對(duì)相關(guān)的工藝和技術(shù)深刻重視，特別是加強(qiáng)生產(chǎn)的工藝，在充分研究生產(chǎn)的技術(shù)基礎(chǔ)上，不斷完善裁掉的控制體系，加強(qiáng)制造過程中鋼材料的監(jiān)督和控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛國均，柴軍輝，錢盛杰，等.石油化工成套裝置壓力容器及壓力管道定期檢驗(yàn)的基本要求和關(guān)注點(diǎn)[J].化工裝備技術(shù)，2020，41（4）：45-48.

[2]伊春梅.石油化工生產(chǎn)中壓力容器的常見腐蝕問題及對(duì)策[J].磚瓦世界，2019（24）：109.

[3]于瑞琪.壓力容器在石油化工生產(chǎn)中實(shí)際使用壽命的分析[J].中國化工貿(mào)易，2019，11（27）：193.

[4]紀(jì)俊亦.壓力容器在石油化工行業(yè)設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)分析[J].中國化工貿(mào)易，2019，11（27）：78.

[5]李彥軍.壓力容器在石油化工行業(yè)設(shè)計(jì)中的相關(guān)技術(shù)分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2018（17）：1246.