내부 또는 외부 압력에 견딜 수 있는 특수 장비로서, 압력 용기는 화학, 석유, 의약품, 에너지, 식품, 항공우주 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이들은 작동 중 고온, 고압, 부식과 같은 극한의 작업 조건에 직면하기 때문에 재료 선택에 매우 높은 요구 사항을 제시합니다. 재료 선택은 압력 용기의 안전성과 신뢰성뿐만 아니라 제조 비용과 수명에도 직접적인 영향을 미칩니다. 본 문서에서는 압력 용기를 제작하기 위한 이상적인 재료에 대해 자세히 논의하겠습니다.
압력 용기 재료의 기본 요건
장기적인 압력 Chị는 설비로서, 압력 용기의 재료는 먼저 뛰어난 기계적 성질을 가져야 합니다. 이는 고 인장 강도, 좋은 연성, 충격 인성 및 피로 강도를 포함합니다. 재료는 고압 상태에서 균열이 생기지 않아야 하며, 외부 힘에 의해 충격을 받았을 때 단순히 부서지기보다 에너지를 흡수할 수 있어야 합니다. 또한 열 안정성과 내열성도 특히 고온 반응기와 열 교환 장치에서 재료가 안정적인 구조와 기계적 성질을 유지해야 하는 중요한 판단 지표입니다.
내부식성은 또 다른 중요한 요건입니다. 많은 압력 용기는 강한 산, 강한 알칼리, 염수 용액, 유기 용매 등과 같은 부식성 매체를 저장하거나 반응시키는 데 사용됩니다. 재료의 내부식성이 장비의 수명과 안전 계수를 직접 결정합니다. 또한 재료는 복잡한 구조물을 제작하기 위한 용접 성능, 가공 및 성형 능력도 갖추어야 합니다.
압력 용기를 제조하기 위해 어떤 재료를 사용할 수 있습니까?
탄소강:
탄소강 은(는) 압력 용기에 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. 양호한 기계적 특성, 강한 용접성, 좋은 가공성 및 저렴한 가격 때문에 선택됩니다. 일반적인 탄소강 소재로는 Q235, Q345, A516Gr.70 등이 있습니다.
탄소강 재료의 항복 강도는 중간 수준으로, 대부분의 압력 부하를 받는 부품을 제작하기에 적합하며 특히 상온이고 강한 부식성 매체가 없는 환경에서 사용됩니다. 그 우수한 연성 덕분에 제조 과정에서 성형과 용접이 용이해 제조 공정을 크게 단순화합니다. 또한 국내외에서 탄소강 재료는 완벽한 표준과 공급 체계를 갖추고 있어 품질 관리가 용이합니다.
그러나 탄소강의 단점도 명확합니다. 부식 저항성이 떨어져 산성, 알칼리 또는 염분 환경에서 쉽게 녹슬 수 있습니다. 합리적인 방부 조치를 취하지 않으면 구멍이 나거나 누출이 발생할 가능성이 큽니다. 또한 저온 환경에서는 인성이 급격히 떨어져 파괴가 발생할 위험이 있어 저온 상태에서의 응용이 제한됩니다.
따라서 탄소강은 주로 다음 경우에 사용됩니다:
- 공기 압축 탱크;
- 수처리 시스템;
- 보일러;
- 유조 탱크 등;
탄소강의 부식 저항성을 개선하기 위해 라이닝, 스프레이 등의 방법으로 보호하는 경우가 많습니다. 탄소강은 단점이 있지만 우수한 종합 비용 대비 성능으로 인해 압력 용기 제작에서 여전히 빠질 수 없는 기본 재료입니다.
금속:
합금강은 크롬, 니켈, 몰리브덴 등의 합금 원소를 탄소강에 첨가하여 성능을 향상시키는 재료입니다. 그 최대 장점은 높은 기계적 강도, 양호한 열 강도 및 일정 수준의 내부식성이 있습니다. 일반적으로 사용되는 합금강에는 15CrMoR, 12Cr1MoV, SA387Gr.11, Gr.22 등이 있으며, 이들은 주로 고온 고압 용기에 널리 사용되며 증기 보일러, 반응기 등에 사용됩니다.
크롬과 모리브덴을 첨가하면 합금 강의 산화 저항성과 크립 강도가 크게 향상되어 고온고압 환경에서도 좋은 안정성을 유지할 수 있습니다. 일부 합금 강은 12Cr1MoV와 같이 고온 황화수소 환경에서 우수한 성능을 발휘하며 특정 매체에 대한 부식 저항성을 제공할 수도 있습니다.
합금 강은 뛰어난 성능을 가지고 있지만, 제조 비용이 일반 탄소강보다 훨씬 높고 가공 난이도도 큽니다. 용접 시 공정 파라미터를 엄격히 제어해야 하며 열처리를 수행하여 열균열 및 응력 부식 균열을 방지해야 합니다. 또한 일부 합금 강은 수소 연성에 민감하므로 수소 저장 장비에서 사용 시 주의가 필요합니다.
스테인리스 스틸:
STAINLESS STEEL 압력 용기 제조에도 사용될 수 있으며, 특히 화학, 제약 및 식품 분야에서 그 뛰어난 내식성 때문에 첫 번째 선택이 됩니다. 스테인레스는 주로 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 및 복합 스테인레스로 나뉩니다. 가장 일반적으로 사용되는 오스테나이트 스테인레스인 304, 316L 등은 양호한 용접성, 인성 및 내식성 때문에 널리 사용됩니다.
316L 스테인레스는 높은 몰리브덴 함량으로 인해 염화물 매체에 대한 우수한 저항성을 가지며, 특히 염분이나 해수 환경의 압력 용기에 적합합니다. 복합 스테인레스(예: 2205, 2507)는 오스테나이트와 페라이트 구조의 장점을 결합하여 더 높은 강도와 점식 부식 저항성을 가지며, 일부 전통적인 오스테나이트 스테인레스 분야에서 그 위치를 점차 대체하고 있습니다.
스테인레스의 주요 단점은 특히 니켈과 모리브덴 함량이 높은 모델의 경우 가격이 매우 비싸다는 것이다. 또한 용접 중에 결정립 경계 부식이 쉽게 발생할 수 있으며, 고온 용해 처리 또는 저탄소 모델(예: 316L)이 필요하다. 강력한 환원 환경에서는 스테인레스가 응력 부식이 발생할 위험이 있으며, 소재 모델을 목적에 맞게 선택해야 한다.
따라서 스테인레스는 주로 다음 상황에서 사용된다:
- 반응기;
- 제약용 저장 탱크;
- 고순도 가스 저장 탱크 등.
티타늄 및 티타늄 합금:
티타늄은 낮은 밀도, 높은 비강도 및 우수한 내부식성 때문에 고급 압력 용기에 대한 인기 있는 소재가 되었다. 티타늄은 질산, 유기산, 습윤된 염소 가스, 바닷물 등의 다양한 강력한 부식성 매체에 대해 매우 안정하며, 산화 환경과 중성 환경에서 장기간 사용하기에 특히 적합하다.
일반적인 티타늄 재료에는 순티타늄(예: TA1, TA2)과 티타늄 합금(예: TC4)이 포함됩니다. 순티타늄은 뛰어난 용접성과 가공성이 있어 강도는 낮지만 내부식성이 요구되는 용기에 널리 사용되며, 예를 들어 염수 탱크, 도금 탱크, 화학 반응기 등에 사용됩니다. 티타늄 합금은 강도와 내식성을 모두 가지고 있어 압력 부품이나 고응력 상황에 적합합니다.
티타늄 재료는 비싸고 가공하기 어렵으며, 용접 시 극도로 높은 환경 조건(비활성 가스 보호가 필요함)이 요구되기 때문에 주로 고기술 및 고부가가치 제품에서 사용됩니다. 항공우주, 항공, 심해 공학, 해수 담수화 장비, 의료 장비 등의 분야에서 티타늄 재료는 점점 대체할 수 없는 역할을 하고 있습니다.
어떻게 선택하나요?
실제 공학에서 재료 선택은 다양한 작업 조건에 따라 달라집니다. 정유소의 탈황탑을 예로 들면, 그 매체에는 황화수소, 암모니아, 염화물과 같은 높은 부식성 성분이 포함되어 있어 더 적합한 선택은 316L 스테인리스 스틸 또는 2205 복합 스테인레스입니다. 발전소 보일러에서는 고온고압 증기가 매우 높은 요구 사항을 제시하며, 주로 12Cr1MoV 또는 SA387 합금강이 사용됩니다.
비료 산업에서는 암모니아 합성 장치에서 사용되는 고압 반응기에는 티타늄 복합 판재와 하스텔로이 복합 판재와 같은 특수 재료가 종종 사용됩니다. 식품 가공 산업에서는 위생과 청결을 보장하기 위해 304L 및 316L과 같은 오스테나이트 스테인레스 재료가 자주 사용됩니다.
따라서, 공학 응용에서 재료 선택은 장비 작동 압력, 온도, 매체 유형, 운전 주기, 경제성 및 표준 적합성과 결합해야 합니다. 다양한 요인을 고려하여 안전하고 신뢰할 수 있으며 경제적으로 합리적인 재료를 선택해야 합니다.
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