高压容器制造技术新进展论述

摘要：本文对高压容器的制造技术以及所用钢做了介绍，对马氏体钢做了介绍。高压容器有其特殊的要求，所以制造技术也是不一样的，对于不同的制造技术，所得到的结果也是不一样的。为了得到性能优异的高压容器用钢就必须有不同的制造工艺。本文对不同的制造工艺做了介绍。

关键词：高压容器；制造技术；马氏体；热处理

前言

高压容器用钢标准 压力容器由壳体、封头（端盖）、连接件、密封元件、支座和接管等组成。连接件是容器中起连接作用的部件，如端盖与壳体的连接、接管与外部管道的连接等，都需要连接件。密封元件是可拆连接结构中起密封作用的元件，用于两个法兰或封头与壳体的密封面之间，借助螺栓等紧固件的压紧力起到密封作用。支座的作用是支撑、固定容器，其结构形式主要取决于容器的质量、安装方式和其他动载荷等，塔式容器一般采用裙式支座，卧式容器通常采用鞍式支座，球形容器多采用柱式支座。锅炉及压力容器用钢板是重要产品，关系到生命财产安全，技术要求高，生产难度大。标准的制修订工作难度也比较大。国外这方面的标准比较多，尤其是美国，ASTM有30多个压力容器用钢板标准，体系比较乱。日本标准受美国的影响比较明显，JIS的锅炉及压容器用钢板标准也比较多，有11个。EN和ISO压力容器用钢板标准的系列完整、分类清楚、数量不多。EN10028压力容器用钢板包含7部分，即7个标准。ISO9328压力容器用钢板包含5部分，比EN少2个标准，但内容与EN10028的内容是一样的，ISO正火和调质钢板合订一个标准，TMCP控轧控冷钢也没有单独标准[1-2]。

与国外比，国内压力容器用钢板标准少，不配套、有空缺。GB713和GB 6654对应的国外标准主要有ISO9328-2、EN10028-2、JIS G 3115、JIS G 4109、ASTM A 299、ASTMA387。对这些标准进行了分析对比，基本了解国内外标准情况和标准水平后，在原标准的基础上，结合国情和使用部门的要求，并参考国际国外标准，对原来两个标准进行修订和合并。

1.生产工艺

下面就以球形高压容器的材料马氏体时效钢为例简要说明高压容器用钢的生产工艺过程：

1.1 合金元素和冶炼方法的选择

为提高材料的断裂韧性值，从原料配方角度尽量减少碳和其它杂质的含量。碳含量越低，韧性值越高，因此控制碳含量控制在0，02%之内。18%Ni马氏体时效钢的合金元素控制由于不同的冶炼方法即使原料配方完全相同，但断裂韧性值却大不相同[3]。

1.2 热处理制度研究

18%Ni马氏体时效钢是在超低碳马氏体中利用某些合金元素产生的时效强化的一种新型高强度钢，它的热处理制度是固溶加时效。固溶处理的目的是保证得到高位错密度的板条状马氏体。具有较高的塑性，同时，它又为时效沉淀相的均匀弥散析出提供了良好的基体。这是保证钢在时效后能获得高强度和高韧性综合性能的重要前提。马氏体时效钢主要是靠时效时析出金属间化合物沉淀相实现强化。在不同的时效阶段不仅有不同结构的沉淀相析出、溶解、聚集及长大，而且还有逆转变奥氏体的产生和转变，所以时效是一个复杂的过程。钢的时效可分为亚时效正常，充分时效和过时效。由于亚时效钢的强度过低所以几乎不用正常时效用于保证构件的综合性能，而过时效则是为冲压成型服务的。

2.性能要求

在较高温度下承受载荷的钢材，各种性能都与在常温下的性能有明显的区别。除了力学性能会随着温度的升高发生明显变化外，钢材在高温下还会出现蠕变、松驰等异常现象。所谓蠕变，是指金属在高温下承载，应力虽不增加，而它的塑性变形却随着时间逐渐增加的现象。因此，对于高温承压部件材料的强度，不仅要考虑它的短期高温强度指标，更主要是考虑它的抗蠕变性能，即蠕变极限和持久强度。蠕变极限是材料在一定温度下，在规定的使用时间内，使试件产生一定量总变形的应力值[4]。持久强度是指在给定温度下，使材料经过规定时间发生断裂的应力值。蠕变极限反映的是材料在高温下工作的变形量，持久强度反映的是材料在高温下长期工作的断裂抗力，它更好地反映了高温元件的失效特点，所以特别适用于高温承压部件。

用于制造高温承压部件的材料，应具有足够高的强度和持久塑性、良好的组织稳定性、高的松驰稳定性、良好的抗氧化性等性能。目前，高压锅炉和高温压力容器所用的耐热钢一般都是低合金耐热钢，常用的有钼钢Mo、铬钼钢Cr--Mo及铬钼钒钢 Cr―Mo―V三大类。它们的合金元素含量少，工艺性能好，广泛用于制造使用温度在600℃以下的承压部件。常用的钢种有16Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。一些承压部件工作温度可能更高些，则采用高合金镍铬钢，如OCrl8Ni9、OCr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等[5]。

超高压容器用的材料是高强度钢，其强度和韧性的合理匹配一直是研究者所特别关心的问题。韧性好的高强钢，具有较大的临界裂纹尺寸，能有效降低脆性破坏的概率，甚至育可能使裂纹一直稳定地扩展到穿透壁厚，安全地泄漏，实现未爆先漏。提高超高压容器的运行安全性。但是，对于绝大多数钢材，强度的提高会导致韧性下降。如果对韧性提出过高的要求，往往要以降低材料强度级别增加容器壁厚为代价，这样就提高了制造成本。超高压容器在制造过程中经过严格的质量检验[6]。制造完毕后可能存在的最大缺陷是可能被无损检测漏检的最大缺陷。因此，对静强度设计而言，只要保证耐压试验时最大漏检缺陷不扩展，就可以避免危害很大的脆性破坏。

3.钢种标准

3.1 标准名称

压力容器用钢板标准的名称，有些国家叫锅炉及压力容器用钢板，如法国NFA36-205素钢、低合金钢和合金钢板，JIS G 3119：1987锅炉及其他压力容器用锰钼钢和锰钼镍钢。考虑到国内锅炉和压力容器分开订标准多年，大家已成习惯，标准名称暂为“锅炉及压力容器用钢板”，这样各方都好接受。后来按照锅容标委意见，改为“承压设备用钢板”。征求意见时，有些单位提出还是叫“锅炉及压力容器用钢板”好，意见不统一，经有关主管部门协商，送审稿的名称又改为“锅炉和压力容器用钢板”[7]。并得到审定会的同意。

3.2 牌号表示方法

锅炉和压力容器用碳钢或碳锰钢和不含铬钼的低合金高强度钢，牌号表示方法ISO、EN和JIS标准都一样，用屈服强度或抗拉强度和英文字母表示。国际上所有工程结构用钢通用标准或专用标准牌号都是用强度表示的。国内GB/T700、GB/T1591、船体用钢、桥梁用钢、建筑用钢等等也都如此。这样表示比较科学直观，反映工程用结构钢的特征，便于使用选材。也有利于生产厂根据自己的设备、工艺、技术、原料和产品尺寸规格等情况，以及不同的使用要求，更好地控制钢的成分，以最佳的成分达到最佳的性能，更好地满足使用的要求。含铬钼合金钢牌号表示方法是用平均C含量和合金元素表示。

3.3 锅炉、压力容器用高性能厚板新产品的特性

压力容器用钢一般用来制造石油化工行业的球罐、油气储罐和各种化工容器，为厚板钢中一大类专用高附加值产品，压力容器用钢要求有足够高的强度、良好的韧性和优良的焊接性能，高的耐腐蚀性能。特别是近年来高压容器和超高压容器的广泛使用， 对压力容器的安全性提出了更高的要求， 钢板是制作压力容器的主要材料， 其质量是保证压力容器安全运行的关键因素。Q370R主要用于制造各类中低压容器，都是在承压态下进行工作，有些还要同时承受高温和腐蚀性介质的作用，使用条件非常复杂。所以对Q370R钢板的力学性能要求比较高，要求具有强韧性匹配好、板厚效应低、焊接性能好等优点，是使用量仅次于Q345R的钢种[8-9]。

3.3.1锅炉用低合金高强度钢板

将SBV62钢板是在原Mn―Ni―o.5Mo钢板（SBV2）的基础上加入微量Cr、V及B等元素，同时减少C含量，从而确保了高的高温强度和优良的韧性、焊接性。NT材和QT材都在PwHT后获得了高的强度和高温强度；同时得到了在实用上无问题的夏比冲击特性。此钢板为低合金钢，但在450℃左右的温度范围的允许抗拉应力很高，其加工性能、焊接性能和焊接接头性能均好[10]。

4.相关研究及研究前沿

高压容器钢大型锻件制造研究前沿高压容器钢大型锻件制造的传统工艺是：碱一酸性平炉双联硅还原法炼钢，大气下浇铸钢锭，水压机锻造、扩氢（软化）退火、粗加工扩孔、正火和调质处理。近年来，人们将工艺创新的重点放在冶炼工艺上，这无疑是正确的，冶炼工艺从单纯的物理学冶金转变到“阶段过程冶金”，从在一个炉内既要氧化、又要还原，既要脱磷又要脱硫转变到在不同装置内分别分阶段进行。使炼钢过程中从为了脱氧需氧化激烈沸腾，又怕过氧化后难还原，以及怕回磷的矛盾中解放出来，通过“阶段过程冶金”促使钢的洁净度显著提高。目前，“阶段过程冶金”的组合方法很多，最常用的几种组合方法和钢达到的洁净度水平见。“阶段过程冶金”工艺使钢的洁净度明显提高，仅此效果就使35CrNi3MoVA钢提高了近两个强度等级，且使钢的塑性和韧性变得更好，低温冲击功可达到>20.7J的水平，使许多新兴厚壁高压容器具备了优质的材料条件。在创新冶金工艺的同时，人们将注意力还集中在创新热处理工艺和设备上。如采用电阻炉使加热均匀，运用深冷淬火工艺提高淬火效果，改善悴火组织，增加淬透能力，并限制最低回火温度，保持钢有足够的塑性和韧性等，在这方面也取得了很大进展。

但是，厚壁高压容器大型锻件的工艺过程冶炼、锻造和热处理是相辅相成的，是系统工程，在创新冶炼和热处理工艺的同时，在锻压方面却暴露出了不少问题。如以下问题：

（1）锻造时，钢锭加热方式落后，大部份采用车底式加热炉，温度的准确控制和加 热钢锭的均匀程度都很不理想，使锻压时的均匀变形受到影响。

（2）现有的锻造水压机的操纵控制系统非常落后，锻压时基本是人工控制，很难达到最佳送进量，更谈不上压机与操作机之间的联控。所以压下量很不均匀，变形速度、变形温度、相对送进量和绝对送进量等重要工艺参数很难得到科学控制，以致偏心、开裂、折叠、表面缺陷和晶粒度粗大或混晶等问题经常出现。仅因表面缺陷和外观尺寸以及裂纹等问题报废或返修的大型锻件，也是相当可观的。这就内耗或抵消了先进的冶炼技术和热处理工艺带来的优势，导致了大型锻件生产的效益低下。

尺寸不规则主要是压机行程控制手段落后，难以得到均匀的压下量。内部质量差多为中心疏松组织未能锻合而引起。晶粒粗大或局部粗晶产生的原因是加热温度高，变形不均匀，有局部变形程度小。表面缺陷和表面裂纹的产生多由于原材料质量不好， 钢锭冶金缺陷较多，加之锻压时得不到正确控制所造成，诸如拔长时所采用的相对送进量过大，倒棱时压下量过大，送进量小于压下量等等。

（3）锻件的钢锭利用率低，导致成本提高和效益低下。钢材利用率最低的有50%，最高的也不超过65%，如果按成品零件对钢锭的利用率来衡量就更低了。

大型锻件在锻压生产中面临的这些重大技术关键对厚壁高压容器来讲是严峻的挑战，如何创新锻压工艺，更新锻压设备，减少锻件表面缺陷，提高钢材利用率是当前高压容器钢生产番重点解决的课题。大型锻件生产技术要上一个新台阶，尽快适应新兴高压容器和专用重型精密机械的发展，就必须精化锻件。

（4）必须在铸锭上细致操作，探入研究。人们往往重视炼钢过程，以为冶金质量好了，锻件质量就会好，而忽视铸锭过程，殊不知，如果不重视铸锭技术，就等于前功尽弃。因此除研究保护浇铸、真空浇注、锭模涂料等新技术外，还应研究设计新型的钢锭模，改善铸锭条件，严格控制注速和注温。

（5）尽快更新锻压设备，提高锻件表面质量和钢材利用率。必须使锻压向计算机程序控制方向发展，进行合理的变形。实现压机与操作机联控是程序化锻造的必要条件，而压机压力和压机行程控制以及每次锻造行程中操作机送进量的精确控制是程序化锻造的充分条件。因此，除了引进先进得锻造设备以外，还要研究钢的塑性变形规律，研究影响锻件质量的锻造工艺参数，寻求最优的变形方式，优化组合各锻造工艺参数，使钢锭在锻造中能均匀而充分变形，特别是使最后一火的变形量控制不在临界变形程度范围内，使锻件获得均匀细小的晶粒组织。另外，拔长时操作机的相对送进量在0.4～0.6之间。间就可以达到理想的中心压实和冶金特性低于0.25的相对送进量只能改变锻件形状而不会改变其晶粒度。因为当送进量较小时，拔长变形区出现双鼓形。这时变形集中在上下表面层，锻件中心部份不能锻透。当送进量过大时，拔长变形区出现单鼓形，这时心部变形很大，得到充分锻适，然而易在鼓形侧面和角部形成拉应力，引起表面横向裂纹和角裂纹。所以，只有当总锻比达到能在最后儿个锻压道次中产生理想的中心压实时， 这样的相对送进量才是可行的，才能实现精化锻件的目的，减少锻件的表面缺陷和表面裂纹，减少机械加工余量。与此同时，一可以真正发挥创新的炼钢和热处理工艺带来的优势，使厚壁高压容器钢的质量水平再提高一步。

当前，在大型锻件生产流程的整个系统中，锻造已成为一个窄口，无论数量和质量以及锻件精度都不能适应厚壁高压容器发展的需要，锻件精化、机械加工余量减小、表面缺陷减小都将增大效益，利用率提高，带来的效益也是十分可观的，而且还可节约用于改制和处理质量问题的费用。工艺和设备已经到了非创新不可的地步，为了尽快扭转被动局面，应迅速改变我们过去那种顾此失彼，单向突进的创新工艺方式，将主要注意力相对集中到锻压设备和工艺的创新上来，尽快使大型锻件生产全系统的三大工艺过程冶炼、锻压、热处理、以及理化检测全面得到更新，使我们的大型锻件质量进入国内外先进行列，不断降低成本，提高经济效益，以便在市场竞争中立于不败之地。

5.小结

用于制造高温承压部件的材料，应具有足够高的强度和持久塑性、良好的组织稳定性、高的松驰稳定性、良好的抗氧化性等性能。高压容器亦是如此，应该具有良好的性能，我国在这一条路上还有好长的路要走。

参考文献：

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[4]张羽翔，王坚，宜飞远，宋鹏云，朱孝钦，胡明辅.整体多层包扎式高压容器应力状态研究进展[J].化工机械，2008（02）

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