1、 概述

承压设备使用的材料范围很广，要满足对承压设备的复杂技术、工况和环境要求，需要对材料的性质和特性有深刻的了解。材料的选择对于承压设备使用寿命有重要的影响。如果使用材料不合适，或者腐蚀裕量不足，设备就达不到预期的寿命。相反，如果在比较廉价的材料可用的情况下，采用昂贵的合金材料，就会不必要的提高设备的成本。

2、 基本概念

●  承压设备：承压设备是压力容器、压力管道、安全附件和承压附件的总称。

●  承压附件：承压附件是指具有特定功能和一定压力承载空间的装置。此类装置包括：

阀门、压力调节器、压力表和液位计等。

●  承压件：承压件是指当该零件因失效而无法达到其预期的功能时，会使其内截留的介质泄放到大气中。阀门承压件主要包括：阀体、阀盖、阀杆、填料压盖、垫片和螺栓。

●  压力：压力是指相对压力，即表压。因此，真空时压力是负值。

●  最高工作压力：最高工作压力Ps是指由制造商设定的最高压力。

●  硫化应力裂纹：存在水和硫化氢的情况下，腐蚀和拉伸应力的共同作用产生的裂纹会使金属脆性锻裂。

●  流体：流体包括气体、液体、纯液体蒸汽或混合蒸汽。流体中可能含有固定悬浮物。

3、 材料选择

     承压设备在应用中的材料选择是一个复杂的问题，由于篇幅所限，本文不可能详细介绍具体应用场合的适当选材。更全面和更进一步的资料可参阅其他规范和标准，如：CEN、ASME、ASTM等相关标准。

选用材料的基本类型通常是由工艺工程师会同材料工程师或冶金工程师来确定的。

影响选择材料的各种主要因素按其重要性分列如下：温度、化学特性、流体、材料相容性、压力、经济性等。

3.1 温度

温度是材料选择时需要重点考虑的一个因素。材料是否适合化学工艺往往取决于流体的温度。所有的金属材料都有温度的上限和下限，高于上限温度或低于下限温度就不能使用。因此，考虑工作环境的极端温度，以及工艺过程的最高、最低温度是很重要的。

3. 2 化学特性

除了考虑工艺流程的各种因素外，材料选择还要考虑到痕量污染物的存在、酸/碱（PH）和通风度。特别要注意硫化氢、氢和氯化物等物质的存在。

3.2.1  硫化应力裂纹（SSC） 含有硫化氢和液态水的流体是酸性介质，可能引起敏感材料的硫化物应力破裂。这一现象受多个参数的复杂交互作用的环境条件影响，包括金属的化学

成分、强度和热处理，及环境中氢离子的浓度、硫化氢浓度、总的拉伸应力、温度和时间。

3.2.2  应力腐蚀  这是由流体中存在的氯化物或苛性碱引起的。最初，通常是在高应力区域发生局部的电化学腐蚀，产生腐蚀裂隙。棱尖处的应力集中导致裂纹的扩展。发生应力腐蚀的前提是应力必须是拉应力，可以是焊接、弯曲等因素引起的残余应力，也可以是内压、机械载荷或热膨胀引起的应力。应力腐蚀造成的失效通常是突发性的，很难预测，可能在暴露几个小时后就发生，也可能在安全运行一段时间之后再发生。金属在工作环境中发生应力腐蚀问题的实例如：钢材在苛性碱或卤氮化合物溶液中；不锈钢和铝合金在含氯溶液中等。

3.2.3  氢气影响  氢气对金属材料的影响,一般都认为是有害的。在常温下，即使压力很高，气态氢也不容易渗透到钢材中去。然而，当温度高于220℃时，材料就有发生内部脱碳的倾向。这是因为氢气渗透到钢铁内部，生成甲烷等气体。这些气体不能扩散到钢材之外，聚集在罅隙中就造成裂纹或气泡。

3.3 流体

流体速度对承压设备会产生冲蚀、磨蚀和汽蚀，也会影响到材料选择。在流体中存在的固体颗粒会对冲蚀和磨损速度产生显著的影响。

3.4 材料相容性

在压力容器、承压附件和压力管道等承压设备由多种材料构成的情况下，各种材料必须相容，尤其是它们要进行焊接连接时。当不同金属在电解质的溶液中相互接触时，腐蚀便会加快。例如：钢在海水中与铜合金接触就会加快腐蚀速率。

3.5  压力

    在考虑了其他因素的情况下，选择了材料以后，压力通常只影响到承压设备的壁厚。

3.6 经济性

经济性虽然也是重要的因素，但设计者必须记住，比这更为重要得多的是上述各因素。如果系统在投入使用后几个月就失败，那么，即使节约成本15%也是没有什么价值的。

4、 典型材料

大多数承压设备材料可分为黑色金属、有色金属和非金属材料，本文主要介绍钢和部分有色金属。承压设备工业中广泛使用的材料符号是采用数字加字母的顺序组合来表示材料成分。字母是合金元素的标准缩写，而数字表示该元素的近似百分比。

例如：800合金（33Ni-42Fe-21Cr）表示33%镍、42%铁和21%铬

4.1 碳素钢和低合金钢

 碳钢是含碳总量小于或等于2%的铁碳合金。实际上，为了改善焊接性能，含碳量要小得多，石油工业用的碳钢含碳量一般低于0.8%，并且，在许多国家大多数碳素钢的含碳量都不到0.25%。降低碳含量可心提高材料韧性，降低硬度。在钢中以不同比例加入铬、锰、钼、镍和钒等金属，以及硅等非金属，可以获得力学性能各异的钢材。例如：

a)  碳锰钢可以改善力学强度，而又不降低韧性，如ASTM A105。

b)  低合金钢，如1 .25Cr- 0.5Mo和2 .25Cr-1Mo,可以改善高温性能。

c)  含3.5%Ni、5% Ni和9%Ni钢在0℃以下抵抗脆性失效的能力可以显著提高。

碳素钢和碳锰钢有很多等级，通常根据它们的力学性能进行选择。一般碳素钢的韧脆转变温度大约为0℃.低于此温度材料就会变脆。特种碳素钢和碳锰钢的韧脆转变温度低于

0℃，但是这类材料都不适合在-46℃以下使用。碳素钢和碳锰钢的温度上限大约为450℃,而低合金钢温度上限大约为570℃。

4.2  不锈钢 

不锈钢有很强的抗化学腐蚀能力和优良的高温性能。所有的不锈钢都至少含铬10.5％，这是这些材料抗腐蚀能力的基本保证。不锈钢表面可生成看不见的氧化铬薄膜，正是这层薄膜使不锈钢具有抗腐蚀的能力。

常规的不锈钢分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。

4.2.1  马氏体不锈钢　 如410类型，含铬12％～14％，含碳0.08％～0.15％。铬提高抗腐蚀能力，碳主要用于改善力学性能，如强度和硬度。这类材料的强度与中级碳素钢相似，其温度上限大约为540℃。马氏体不锈钢有时称为不锈铁，主要用于腐蚀并不严重，而需要较大强度、硬度和抗磨损性的工况。

4.2.2  铁素体不锈钢   铁素体不锈钢的铬含量为17％～30％,碳含量一般低于0.1％。高的含铬量使其比马氏体不锈钢具有更高的防腐能力，对应力腐蚀开裂也有很高的抵抗能力。承压设备用铁素体不锈钢通常分为以下两种：

a) 430型（17％铬钢）铁素体不锈钢，其机械强度与中级碳素钢相似，温度上限约为

650℃。它对硝酸等液体、含硫气体，以及多种有机和含氧酸都有很强的抵抗能力。

b) 446型（27％铬钢）铁素体不锈钢，具有相当高的机械强度，但其温度上限降低到约为350℃。它在含硫大气中具有抗氧化能力。

4.2.3  奥氏体不锈钢  奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性、高温抗氧化性和耐低温性能。因此，广泛用于制作耐腐蚀、耐高温和低温的承压设备。 奥氏体不锈钢含有至少18％的铬和8％的镍，含碳量低于0.1％。加入一定数量的钛、铌等稳定化元素可以抑制钢中不利的碳化物沉淀产生。最常见的基本级奥氏体不锈钢是300系列（如304、316、321等不锈钢）。奥氏体不锈钢通常比马氏体不锈钢和铁素体不锈钢有更高的抗氧化和抗腐蚀能力。

奥氏体不锈钢不会发生低应力脆性断裂，在-196℃以上使用时无特殊要求。因而这类材

料适合深冷工况使用。

a) 304型（18Cr-9Ni）是最常见的奥氏体不锈钢，最大含碳量低于0.08％，其机械强度与中级碳素钢相似，使用温度最高可达约800℃。以耐硝酸（浓硝酸除外）等氧化性介质腐蚀为其特色。它用于化工、食品和饮料等行业。

b) 316型（18Cr-12Ni-2Mo）由于在钢中加入Mo同时增加了一定的镍含量，提高了钢的耐醋酸、乳酸、甲酸及其它浸蚀介质中的耐腐蚀性能，降低了钢的点蚀倾向。含碳量最高为0.08％,使用温度上限和机械强度和304型相同。用于化工、食品、纸浆和造纸等行业，以及腐蚀性强的环境。

c)  321型（18Cr-10Ni-Ti）和347型（18Cr-10Ni-Nb） 用于腐蚀性介质的设备，能改善抗晶间腐蚀性能。321型是添加钛得到的，347型是添加铌得到的。

d)  高温级奥氏体不锈钢（如304H）的含碳量为0.04％～0.10％。其机械强度与基本级奥氏体不锈钢相似，温度上限约为700℃。更高的含碳量使材料在极端温度下保持强度。

e) 低碳级奥氏体不锈钢（如304L）的含碳量被限制在最高为0.03％。在原子能承压设备中应用比较广泛，适应强氧化性介质的剧烈腐蚀性能高于基本级不锈钢，其可焊性得到改善，但强度有所降低，温度上限降至425℃。现在可以选用双级不锈钢（dual certified material,如304/304L),它们既能满足低碳级不锈钢的最大含碳量限制，又能达到基本级不锈钢的强度。

f) 双相（奥氏体/铁素体）不锈钢（如UNS S32404），这类合金比奥氏体不锈钢有高得多的强度，耐晶间腐蚀很强，对氯化物有更强的抵抗能力。与奥氏体不锈钢不同，双相不锈钢有可能发生脆性断裂，温度低于-46℃时不能使用。温度上限约为315℃. 用于化肥、炼油、海上采油和海水淡化等工况条件。

 4.3  镍合金   镍量超过50％。

a)  400合金（67Ni-30Cu）是应用非常广泛的镍合金，能承受盐酸、碱、氯化物的腐蚀。其机械强度与中级碳钢相似，温度上限约为480℃。这类合金又称为蒙乃尔400合金。

b)  600合金（72Ni-15Cr-8Fe）有优良的抵抗热碱和应力腐蚀开裂能力。它的机械强度比400合金略高，有更好的高温性能，其温度上限约为600℃。这类合金又称为因科耐尔600合金。

c)  625合金（60Ni-22Cr-2.5Fe-9Mo-3.5Nb）耐海水腐蚀，在很多腐蚀性场合下其抵抗能力与C-276合金相似。它明显地高于600合金的机械强度，高温性能也好得多。退火材料的温度上限为650℃，固溶退火材料的使用温度上限为800℃。这类合金又称为因科耐尔625合金。

d)  C-276合金（54Ni-16Mo-15Cr-5.5Fe）是一种固溶强化型镍基高温耐蚀合金，适用于氧化性和还原性酸，是常用的广谱防腐材料之一。它的机械强度比600合金高，但不如625合金。其温度上限为700℃。这类合金又称为哈斯特莱(Hastelloy)C-276合金。

e)  B-2合金（65Ni-28Mo-2Fe）曾用于抵抗沸腾盐酸的腐蚀，目前在大多数条件下用于抵抗硫酸和磷酸的腐蚀。应该注意即使是存在痕量氧化剂，也会提高侵蚀速率。B-2合金机械强度与625合金相似，温度上限为400℃。这类合金又称为哈斯特莱(Hastelloy)

B-2合金。                                                                                                                    
4.4  高镍合金  高镍合金既不是镍基合金，又不是铁基合金，因为在化学成分上两种元素的含量都小于50%。常选用的有以下几种：

a)  800合金（33Ni-42Fe-21Cr）是一种不含Mo的合金，用于抵抗氯点蚀或应力腐蚀开裂。其机械强度与中级碳素钢相似，温度上限约为600℃。这类合金又称为因科莱800合金。

b)  825合金 （42Ni-28Fe-21.5Cr-3Mo-2.3Cu）机械强度比中级碳素钢略高，其温度上限约为540℃。825合金对硫酸和磷酸有非常好的抵抗能力。

c)  904和904L合金 （25Ni-45Fe-21Cr-6Mo）机械强度与中级碳素钢接近，其温度上限约为380℃。这些材料有时被称作超级奥氏体不锈钢。

d)  20合金 （35Ni-35Fe-20Cr-Nb）机械强度与中级碳素钢相似，其温度上限约为425℃。

4.5  铜合金  铜和其它金属形成铜合金，由于其具有为某些承压设备所必需的机械、物理特性，它仍然是一种不可缺少的选用材料。 适用于空气、氧气、海水、油品等介质。但在酸性油田工况中时要注意，强腐蚀环境会加速铜基合金的失重腐蚀。铜合金承压设备常选用的材料是：黄铜、铝青铜、锡青铜、铝黄铜、铜镍合金等。

5、 结语

由于各工业领域的特殊性以及考虑承压设备内流体的温度、压力、特性、腐蚀等情况，使材料的选择十分困难，而最最关键的是要保证承压设备在相应的工况中安全可靠的工作。

参考文献

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