Als spezielle Ausrüstung, die internen oder externen Drücken standhält, werden Druckbehälter in der Chemie-, Petroleum-, Medizin-, Energie-, Lebensmittel- und Luft- und Raumfahrtindustrie weitgehend eingesetzt. Da sie oft extremen Betriebsbedingungen wie Hochtemperaturen, Hochdruck und Korrosion ausgesetzt sind, stellen sie äußerst hohe Anforderungen an die Auswahl von Materialien. Die Auswahl der Materialien betrifft nicht nur die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Druckbehältern, sondern beeinflusst auch direkt die Fertigungskosten und den Dienstleben. In diesem Artikel wird detailliert auf ideale Materialien für die Herstellung von Druckbehältern eingegangen.
Grundanforderungen an Druckbehältermaterialien
Als langfristig drucktragendes Gerät muss das Material des Druckbehälters zuerst ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweisen. Dazu gehören hohe Zugfestigkeit, gute Duktilität, Schlagzähigkeit und Müdungsfestigkeit. Das Material darf unter hohem Druck nicht rissen und muss in der Lage sein, Energie aufzunehmen anstatt zu brechen, wenn es von einer äußeren Kraft getroffen wird. Darüber hinaus sind thermische Stabilität und Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen ebenfalls wichtige Kriterien zur Beurteilung von Materialien, insbesondere in Hochtemperaturreaktoren und Wärmetauschgeräten, wo das Material eine stabile Struktur und mechanischen Eigenschaften aufrechterhalten muss.
Korrosionsbeständigkeit ist ein weiteres wichtiges Anforderung. Viele Druckbehälter werden verwendet, um korrosive Medien wie starke Säuren, starke Basen, Salzlösungen, organische Lösungsmittel usw. zu lagern oder reagieren zu lassen. Die Korrosionsbeständigkeit des Materials bestimmt direkt die Lebensdauer und den Sicherheitsfaktor der Anlage. Das Material muss außerdem eine gute Schweigbarkeit und Bearbeitungs- sowie Formfähigkeiten aufweisen, um den Herstellungsanforderungen komplexer Strukturen gerecht zu werden.
Welche Materialien können zur Herstellung von Druckbehältern verwendet werden?
Kohlenstoffstahl:
Kohlenstoffstahl ist das am häufigsten verwendete Material in Druckbehältern. Es wird aufgrund seiner guten mechanischen Eigenschaften, starker Schweigbarkeit, guter Verarbeitungsleistung und niedrigen Preises ausgewählt. Zu den gängigen Kohlenstoffstahlmaterialien gehören Q235, Q345, A516Gr.70 usw.
Die Fliessgrenze von Kohlenstoffstahlmaterial ist moderat, wodurch es für die Herstellung der meisten druckbelasteten Teile geeignet ist, insbesondere in einer Umgebung bei Normaltemperatur und ohne starke korrosive Medien. Seine gute Zugfestigkeit erleichtert das Formen und Schweißen im Fertigungsprozess, was den Produktionsablauf erheblich vereinfacht. Darüber hinaus verfügen Kohlenstoffstahlmaterialien über vollkommene Normen- und Versorgungssysteme sowohl national als auch international, was die Qualitätskontrolle erleichtert.
Die Nachteile von Kohlenstoffstahl sind jedoch ebenfalls offensichtlich. Seine Korrosionsbeständigkeit ist schlecht, und er rostet leicht in sauren, basischen oder salzhaltigen Umgebungen. Wenn keine angemessenen Korrosionsschutzmaßnahmen ergriffen werden, können Bohrungen und Lecks sehr wahrscheinlich auftreten. Darüber hinaus nimmt seine Zähigkeit bei Niedrigtemperaturen stark ab, wodurch ein Risiko eines spröden Bruchs besteht, was seine Anwendung bei niedrigen Temperaturen einschränkt.
Daher wird Kohlenstoffstahl hauptsächlich in folgenden Anwendungen verwendet:
- Luftkompressionsbehälter;
- Wasseraufbereitungssysteme;
- Dampfkessel;
- Ölbehälter, etc.
Um die Korrosionsbeständigkeit von Kohlenstoffstahl zu verbessern, wird er oft durch Auskleidung, Beschichtung usw. geschützt. Obwohl Kohlenstoffstahl Nachteile hat, macht seine hervorragende Gesamtkosten-Performance ihn immer noch zu einem unverzichtbaren Grundmaterial bei der Herstellung von Druckbehältern.
Legierter Stahl:
Legierter Stahl ist ein Material, das durch Zusatz von Legierungselementen wie Chrom, Nickel und Molybdän zum Kohlenstoffstahl seine Leistung verbessert. Sein größter Vorteil besteht in hoher mechanischer Stärke, guter Wärmebeständigkeit und einer gewissen Korrosionsbeständigkeit. Häufig verwendete legierte Stähle umfassen 15CrMoR, 12Cr1MoV, SA387Gr.11, Gr.22 usw., die weit verbreitet in Hochtemperatur- und Hochdruckbehältern eingesetzt werden, wie Dampfkesseln, Reaktoren usw.
Nach dem Hinzufügen von Chrom und Molybdän werden die Oxidationsresistenz und der Kriechfestigkeit von Legierungsstahl erheblich verbessert, sodass er selbst in Hochtemperatur- und Hochdruckumgebungen eine gute Stabilität aufrechterhalten kann. Einige Legierungsstähle bieten außerdem auch Korrosionsbeständigkeit gegenüber spezifischen Medien, wie zum Beispiel 12Cr1MoV, das sich gut in Hochtemperatur-Umgebungen mit Schwefelwasserstoff verhält.
Obwohl Legierungsstahl hervorragende Eigenschaften aufweist, ist seine Fertigungskosten deutlich höher als bei normalem Kohlenstoffstahl, und die Verarbeitungsschwierigkeit ist ebenfalls größer. Beim Schweißen müssen Prozessparameter streng kontrolliert werden, und eine Wärmebehandlung sollte durchgeführt werden, um thermisches Rissbildung und Spannungskorrosion zu vermeiden. Darüber hinaus sind einige Legierungsstähle empfindlich gegenüber Wasserstoffbrüchigkeit und sollten bei der Verwendung in Wasserstoffspeicherausrüstungen vorsichtig eingesetzt werden.
Edelstahl:
Edelstahl kann auch zur Herstellung von Druckbehältern verwendet werden, insbesondere in den Bereichen Chemie, Pharmazie und Lebensmittel, und seine hervorragende Korrosionsbeständigkeit macht es zur ersten Wahl. Edelstahl wird hauptsächlich in austenitische, ferritische, martensitische und doppeltphasige Edelstähle unterteilt. Die am häufigsten verwendeten austenitischen Edelstähle wie 304, 316L usw. finden wegen ihrer guten Schweifbarkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit eine breite Anwendung.
der Edelstahl 316L weist aufgrund seines hohen Molybdängehalts eine gute Beständigkeit gegen chloridgehaltige Medien auf und ist besonders für Druckbehälter in salzhaltigen oder seawasserartigen Umgebungen geeignet. Doppeltphasige Edelstähle (wie 2205, 2507) vereinen die Vorteile von Austenit- und Ferritstrukturen, weisen eine höhere Festigkeit und Punktkorrosionsbeständigkeit auf und haben in einigen traditionellen austenitischen Edelstahl-Bereichen ihre Position allmählich abgelöst.
Der Hauptnachteil von Edelstahl ist sein hoher Preis, insbesondere für Modelle mit hohem Nickel- und Molybdängehalt. Darüber hinaus entsteht bei der Schweissung leicht intergranulare Korrosion, weshalb eine Festlöschbehandlung oder Nieder Kohlenstoff-Modelle (wie 316L) erforderlich sind. In einer stark reduzierenden Umgebung besteht bei Edelstahl möglicherweise das Risiko einer Spannungskorrosion, und das Werkstoffmodell muss gezielt ausgewählt werden.
Daher wird Edelstahl hauptsächlich in folgenden Anwendungen verwendet:
- Reaktor;
- Pharmaspeichertank;
- Hochrein-Gasspeichertank usw.
Titan und Titanlegierungen:
Wegen seiner geringen Dichte, hoher spezifischen Stärke und exzellenten Korrosionsbeständigkeit hat sich Titanmetall zu einem beliebten Material für die Herstellung hochwertiger Druckbehälter entwickelt. Titan zeigt eine ausgezeichnete Stabilität gegenüber verschiedenen hochkorrosiven Medien wie Salpetersäure, organische Säuren, feuchtem Chlor, Meerwasser usw. und eignet sich besonders für langfristige Verwendung in oxidierenden und neutralen Umgebungen.
Häufig verwendete Titanmaterialien umfassen reinen Titan (wie TA1, TA2) und Titanlegierungen (wie TC4). Reiner Titan weist eine ausgezeichnete Schweiß- und Umformbarkeit auf und wird häufig in Behältern mit geringer Festigkeit, aber hohen Korrosionsanforderungen eingesetzt, wie etwa Salzwasserbehältern, Galvanisierungsbäder, Chemiereaktoren usw. Titanlegierungen vereinen sowohl Festigkeit als auch Korrosionsbeständigkeit und sind für druckbelastete Teile oder hochbeanspruchte Anwendungen geeignet.
Titanmaterialien sind teuer, schwer zu verarbeiten und erfordern während des Schweißens extrem hohe Umgebungsanforderungen (Schutzgas ist erforderlich), daher werden sie hauptsächlich in Hochtechnologie- und wertsteigernden Produkten eingesetzt. In den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Marineingenieurwesen, Meerwasseraufbereitungsanlagen, Medizingeräte etc. spielen Titanmaterialien eine zunehmend unersetzliche Rolle.
Wie wählt man aus?
In der praktischen Ingenieurtechnik variiert die Materialauswahl je nach unterschiedlichen Betriebsbedingungen. Am Beispiel des Desulfurierungsgeblers in einer Raffinerie enthält das Medium hochkorrosive Bestandteile wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak und Chloride. Es ist daher angebrachter, 316L Edelstahl oder 2205 Doppelroststahl zu wählen. In Kraftwerkskesseln erfordert Hochdruck- und Hochtemperaturdampf extrem hohe Anforderungen an hitzebeständige Legierungen, weshalb oft 12Cr1MoV oder SA387 Legierungsstahl verwendet wird.
In der Düngemittelindustrie verwenden Hochdruckreaktoren in Ammoniaksyntheseanlagen oft spezielle Materialien wie Titan-Schichtplatten und Hastelloy-Schichtplatten; in der Lebensmittelverarbeitungsindustrie werden aus Hygiene- und Sauberkeitsgründen austenitische Edelstahlmaterialien wie mit einem Gehalt an und 316L häufig eingesetzt.
Daher muss bei ingenieurtechnischen Anwendungen die Materialauswahl in Kombination mit dem Arbeitsdruck, der Temperatur, dem Mediumstyp, dem Betriebszyklus, der Wirtschaftlichkeit und der Normanwendbarkeit erfolgen. Eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigen, um Materialien auszuwählen, die sowohl sicher, zuverlässig und wirtschaftlich sinnvoll sind.
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