Como um equipamento especial que resiste à pressão interna ou externa, vasos de pressão são amplamente utilizados nos campos de química, petróleo, medicina, energia, alimentação, aeroespaço e outros. Como eles frequentemente enfrentam condições de trabalho extremas, como alta temperatura, alta pressão e corrosão durante a operação, isso impõe demandas extremamente altas na escolha dos materiais. A seleção de materiais não só está relacionada com a segurança e confiabilidade dos vasos de pressão, mas também afeta diretamente o custo de fabricação e a vida útil. Este artigo discutirá em detalhes os materiais ideais para a fabricação de vasos de pressão.
Requisitos Básicos Para Materiais de Vasos de Pressão
Como equipamento de suporte a pressão de longo prazo, o material do recipiente de pressão deve primeiro ter excelentes propriedades mecânicas. Isso inclui alta resistência à tração, boa ductilidade, resistência ao impacto e resistência à fadiga. O material não deve rachar sob alta pressão e deve ser capaz de absorver energia em vez de quebrar quando impactado por uma força externa. Além disso, a estabilidade térmica e a resistência ao calor também são indicadores importantes para avaliar materiais, especialmente em reatores de alta temperatura e equipamentos de troca de calor, onde o material deve manter uma estrutura e propriedades mecânicas estáveis.
A resistência à corrosão é outro requisito-chave. Muitos recipientes de pressão são usados para armazenar ou reagir com meios corrosivos, como ácidos fortes, álcalis fortes, soluções salinas, solventes orgânicos, etc. A resistência à corrosão do material determina diretamente a vida útil e o fator de segurança do equipamento. O material também deve ter boa performance de soldagem e capacidades de processamento e formação para atender às necessidades de fabricação de estruturas complexas.
Quais Materiais Podem Ser Usados Para Fabricar Recipientes de Pressão?
Aço Carbono:
Aço Carbono é o material mais comumente usado em recipientes de pressão. Ele é selecionado por suas boas propriedades mecânicas, forte soldabilidade, boa performance de processamento e baixo preço. Materiais comuns de aço carbono incluem Q235, Q345, A516Gr.70, etc.
A resistência à tração do material de aço carbono é moderada, o que o torna adequado para fabricar a maioria das peças sob pressão, especialmente em um ambiente com temperatura normal e sem meios corrosivos fortes. Sua boa ductilidade facilita a formação e soldagem durante a fabricação, o que simplifica muito o processo de fabricação. Além disso, os materiais de aço carbono têm padrões e sistemas de fornecimento perfeitos no exterior e no país, o que facilita o controle de qualidade.
No entanto, as desvantagens do aço carbono também são evidentes. Sua resistência à corrosão é pobre, e ele tende a enferrujar em ambientes ácidos, alcalinos ou salinos. Se medidas antirrugas razoáveis não forem tomadas, perfurações e vazamentos são muito prováveis. Além disso, sua tenacidade diminui drasticamente em ambientes de baixa temperatura, e existe o risco de fratura por fragilidade, o que limita seu uso em ocasiões de baixa temperatura.
Portanto, o aço carbono é usado principalmente nas seguintes ocasiões:
- Tanques de armazenamento de compressores de ar;
- Sistemas de tratamento de água;
- Caldeiras;
- Tanques de armazenamento de óleo, etc.
Para melhorar a resistência à corrosão do aço carbono, ele é frequentemente protegido por revestimentos, pulverização, etc. Embora o aço carbono tenha desvantagens, seu excelente custo-benefício geral o torna ainda um material básico indispensável na fabricação de vasos de pressão.
Aço Ligado:
O aço ligado é um tipo de material que melhora o desempenho adicionando elementos de liga como cromo, níquel e molibdênio ao aço carbono. Sua maior vantagem é a alta resistência mecânica, boa resistência térmica e certa resistência à corrosão. Aços ligados comumente usados incluem 15CrMoR, 12Cr1MoV, SA387Gr.11, Gr.22, etc., que são amplamente utilizados em recipientes de alta temperatura e alta pressão, como caldeiras a vapor, reatores, etc.
Após adicionar cromo e molibdênio, a resistência à oxidação e a resistência ao fluente do aço ligado são significativamente melhoradas, de modo que ele pode manter uma boa estabilidade mesmo em ambientes de alta temperatura e alta pressão. Alguns aços ligados também podem fornecer resistência à corrosão para meios específicos, como o 12Cr1MoV, que se sai bem em ambientes de sulfeto de hidrogênio em alta temperatura.
Embora o aço ligado tenha um desempenho excelente, seu custo de fabricação é significativamente maior do que o do aço carbono comum, e sua dificuldade de processamento também é maior. Durante o soldagem, os parâmetros de processo precisam ser estritamente controlados, e deve-se realizar o tratamento térmico para evitar rachaduras térmicas e rachaduras por corrosão residual. Além disso, alguns aços ligados são sensíveis à fragilização por hidrogênio e devem ser usados com cautela em equipamentos de armazenamento de hidrogênio.
De aço inoxidável:
Aço inoxidável também pode ser usado para fabricar vasos de pressão, especialmente nos campos químico, farmacêutico e alimentício, e sua excelente resistência à corrosão o torna a primeira escolha. O aço inoxidável é dividido principalmente em austenítico, ferrítico, martensítico e aço inoxidável duplex. Os aços inoxidáveis austeníticos mais comumente usados, como 304, 316L, etc., são amplamente utilizados devido à sua boa soldabilidade, tenacidade e resistência à corrosão.
o aço inoxidável 316L possui boa resistência a meios clorados devido ao seu alto teor de molibdênio, sendo particularmente adequado para vasos de pressão em ambientes salinos ou de água do mar. O aço inoxidável duplex (como 2205, 2507) combina as vantagens das estruturas austenítica e ferrítica, apresentando maior resistência e resistência a corrosão por pitting, e tem gradualmente substituído sua posição em alguns campos tradicionais de aços inoxidáveis austeníticos.
A principal desvantagem do aço inoxidável é seu alto preço, especialmente para modelos com alto teor de níquel e molibdênio. Além disso, a corrosão intergranular é facilmente formada durante o solda, e é necessário tratamento de solução sólida ou modelos de baixo carbono (como 316L). Em um ambiente fortemente redutor, o aço inoxidável pode ter o risco de corrosão por tensão, e o modelo de material precisa ser selecionado de forma direcionada.
Portanto, o aço inoxidável é主要用于 nos seguintes casos:
- Reator;
- Tanque de armazenamento farmacêutico;
- Tanque de armazenamento de gás de alta pureza, etc.
Titânio e Ligas de Titânio:
O metal titânio tornou-se um material popular para a fabricação de vasos de pressão de alta qualidade devido à sua baixa densidade, alta resistência específica e excelente resistência à corrosão. O titânio possui excelente estabilidade frente a uma variedade de meios altamente corrosivos, como ácido nítrico, ácidos orgânicos, gás de cloro úmido, água do mar, etc., e é particularmente adequado para uso a longo prazo em ambientes oxidantes e neutros.
Materiais de titânio comuns incluem titânio puro (como TA1, TA2) e ligas de titânio (como TC4). O titânio puro possui excelente soldabilidade e formabilidade, sendo amplamente utilizado em recipientes com baixa resistência mas alta exigência de resistência à corrosão, como tanques de armazenamento de salmoura, tanques de eletrodoção, reatores químicos, etc. As ligas de titânio combinam resistência e resistência à corrosão, sendo adequadas para peças sob pressão ou ocasiões de alto esforço.
Materiais de titânio são caros, difíceis de processar e têm requisitos ambientais extremamente altos durante a soldagem (proteção por gás inerte é necessária), portanto, são usados principalmente em produtos de alta tecnologia e alto valor agregado. Nos campos da aeroespacial, aviação, engenharia oceânica profunda, equipamentos de dessalinização de água do mar, equipamentos médicos, entre outros, os materiais de titânio estão desempenhando cada vez mais um papel irreplaceável.
Como escolher?
Na engenharia prática, a seleção de materiais varia conforme diferentes condições de trabalho. Tomando como exemplo a torre de dessulfurização de uma refinaria, seu meio contém componentes altamente corrosivos, como sulfeto de hidrogênio, amônia e cloretos. É mais apropriado escolher aço inoxidável 316L ou aço inoxidável duplex 2205. Em caldeiras de usinas termelétricas, o vapor de alta temperatura e alta pressão impõe demandas extremamente altas sobre ligas resistentes ao calor, e frequentemente são utilizados o aço ligado 12Cr1MoV ou o aço ligado SA387.
Na indústria de fertilizantes, reatores de alta pressão usados em unidades de síntese de amônia frequentemente utilizam materiais especiais, como placas compósitas de titânio e placas compósitas de Hastelloy; na indústria de processamento de alimentos, para garantir higiene e limpeza, materiais de aço inoxidável austenítico como 304L e 316L são frequentemente utilizados.
Portanto, em aplicações de engenharia, a seleção de materiais deve ser combinada com a pressão de trabalho do equipamento, temperatura, tipo de meio, ciclo de operação, economia e aplicabilidade de padrões. Considere uma variedade de fatores para selecionar materiais que sejam seguros, confiáveis e economicamente razoáveis.
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