低溫壓力容器用鋁合金

1鋁合金壓力容器簡(jiǎn)介中鋁科學(xué)技術(shù)研究院溫志先一、壓力容器發(fā)展方向二、鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀三、鋁合金壓力容器制造四、低溫壓力容器用鋁合金發(fā)展23一、壓力容器發(fā)展方向4壓力容器發(fā)展方向21世紀(jì)以來(lái)，在全球節(jié)能減排的大環(huán)境下，安全與經(jīng)濟(jì)并重、安全與資源節(jié)約并重的發(fā)展理念在壓力容器行業(yè)內(nèi)逐漸形成共識(shí)，輕量化已成為壓力容器行業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)方向。5壓力容器發(fā)展方向近年來(lái)，我國(guó)有色金屬壓力容器的設(shè)計(jì)制造水平不斷提高，國(guó)內(nèi)相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也得到了極大的發(fā)展。但國(guó)內(nèi)壓力容器主要材料仍為傳統(tǒng)鋼材料，導(dǎo)致能耗及重量較大，不但耗費(fèi)了更多的資源，也降低了國(guó)產(chǎn)容器的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)為貧鎳國(guó)家，為解決鎳資源不足，我國(guó)開(kāi)始在壓力容器制造業(yè)中推廣鋁合金材料，繼而大力提倡用鈦及鈦合金材料，但鋁合金以較低的價(jià)格及良好的低溫力學(xué)性能，得以在壓力容器行業(yè)快速推廣應(yīng)用。6二、鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀7鋁合金材料具有如下特點(diǎn)：（1）耐腐蝕防腐蝕是有色金屬壓力容器的最主要用途之一。由于鋁合金的化學(xué)性能各不相同，其耐腐蝕介質(zhì)范圍和程度也各不相同。鋁材中，純鋁的耐腐蝕性最好，其防腐介質(zhì)包括醋酸、濃硝酸、碳酸氫銨以及尿素等；鋁合金壓力容應(yīng)用現(xiàn)狀8鋁合金壓力容應(yīng)用現(xiàn)狀（2）傳熱性能好常用的壓力容器用材中，奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率較差、碳素鋼和低合金鋼的熱導(dǎo)率一般，而鋁材的熱導(dǎo)率較高，特別是純鋁；純鋁的熱導(dǎo)率約為碳素鋼的3倍、奧氏體不銹鋼的17倍，因此鋁材常用于制造換熱容器。9（3）比強(qiáng)度高常用的結(jié)構(gòu)材料中，鋁材的密度較小，同鋼材相比，其比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度與密度之比)更高。對(duì)于移動(dòng)式壓力容器，材料的比強(qiáng)度更高則意味著設(shè)備重量更輕，運(yùn)輸過(guò)程中可以降低能耗，節(jié)約成本。如碳素鋼Q235的相對(duì)密度約為7.8，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中其許用應(yīng)力為113MPa；5083鋁合金的相對(duì)密度約為2.7，許用應(yīng)力為67MPa；同等載荷條件下，Q235鋼的質(zhì)量約為5083鋁合金的1.7倍，因此，鋁材常用于制造移動(dòng)式壓力容器，如罐車、航天用低溫容器等。鋁合金壓力容應(yīng)用現(xiàn)狀10（4）耐低溫有色金屬材料的耐低溫性能普遍較好，一般不會(huì)產(chǎn)生低溫脆性，可在低溫環(huán)境中保持較高的塑性和沖擊韌性。其中，鋁材的耐低溫性能最好，可用至一269℃，無(wú)需任何附加要求；因此，鋁合金壓力容器廣泛用于低溫環(huán)境中，如空分設(shè)備中的分餾塔及各類低溫儲(chǔ)罐常采用鋁材制造。鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀11鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀表1不同溫度下的鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度合金狀態(tài)溫度/℃屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa1100-H14231171250117130-80125138-1961382072014-T6234154830427495-80448510-1964955853003-H14231451520145152-80152165-19617224012鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀合金狀態(tài)溫度/℃屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa4032-T6233173800317385-80317400-1963304555052-H34232152620215262-80220275-1962483806063-T6232152400220248-80228262-19624832513鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀合金狀態(tài)溫度/℃屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa7075-T6235035720515593-80545620-19663570314鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀表2不同溫度下鋁合金斷裂韌性合金和狀態(tài)溫度/℃斷裂韌性（KIC)/Mpa*m1/22014-T6512323.2-19628.52024-T8512322.3-19624.42124-T8512326.9-19632.02219-T872339.9-19646.515鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀合金和狀態(tài)溫度/℃斷裂韌性（KIC)/Mpa*m1/25083-O2327.0-19643.46061-T8612329.1-19641.87039-T62332.3-19633.57075-T6512322.5-19627.616（5）防鐵離子污染在食品、醫(yī)藥以及染料等一些石化產(chǎn)業(yè)中，產(chǎn)品中的鐵離子含量往往要受到嚴(yán)格控制，因此相關(guān)設(shè)備不宜采用普通鋼材制造，而須選用不銹鋼或有色金屬材料。鋁材由于價(jià)格便宜，最常用于制造防鐵離子污染容器。鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀17鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)于鋁合金材料壓力容器的設(shè)計(jì)壓力，我國(guó)有特殊規(guī)定，JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》中規(guī)定其最高設(shè)計(jì)壓力為8MPa，由于實(shí)際應(yīng)用中鋁制壓力容器已用至12MPa，因此2009版《容規(guī)》又將其最高設(shè)計(jì)壓力提高至16MPa,大大拓寬了鋁合金在壓力容器中的應(yīng)用對(duì)象及范圍。18鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀圖1鋁合金LNG罐車19鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀圖2

LNG船20鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀圖3CZ-5液氧箱21鋁合金壓力容器應(yīng)用現(xiàn)狀圖3CZ-5液氫箱22三、鋁合金壓力容器制造23鋁合金壓力容器制造（1）標(biāo)準(zhǔn)JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》適用：全鋁、襯鋁，設(shè)計(jì)壓力≤8MPa（含常壓）（2）常用材料純鋁，鋁錳合金，鋁鎂合金，鋁鎂硅合金（3）制造要點(diǎn)：清潔，鋪橡膠，注意劃傷表面修磨深度應(yīng)不大于厚度的5%，且不大于2mm；不采用氧乙炔切割，等離子切割后去除氧化層多采用翻邊結(jié)構(gòu)無(wú)磁性，不能用MT24鋁合金壓力容器制造（4）焊接焊接工藝評(píng)定按NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》母材分四類：純鋁，鋁錳合金，鋁鎂合金：Mg≤4%，鋁鎂硅合金鋁鎂合金：Mg＞4%焊絲分三類：純鋁，鋁鎂合金：鋁硅合金焊工考核按TSGZ6002-2010《特種設(shè)備焊接操作人員考核細(xì)則》母材和焊材分類與焊接工藝評(píng)定相同主要問(wèn)題：氧化膜，熱傳導(dǎo)率大，氣孔，縮孔，熱裂紋焊接方法：鎢極氬弧焊，熔化極氬弧焊（手工、自動(dòng)）25鋁合金壓力容器制造焊接環(huán)境：風(fēng)速≤1.5m/s

相對(duì)濕度≤80%

焊件溫度≥5℃

低于5℃時(shí)，在始焊處預(yù)熱到15℃焊前去除坡口、焊絲的氧化膜，油污等厚度大于15mm手工鎢極氬弧焊時(shí)，預(yù)熱150℃以下產(chǎn)品焊接試板：P≥1.6MPa，和盛裝極度或高度危害介質(zhì)，每臺(tái)做A類縱向接頭的產(chǎn)品焊接試板；其他情況，免做26四、壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展27壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展鋁合金具有密度低，無(wú)磁性、在磁場(chǎng)中比電阻小、氣密性好且具有良好的低溫力學(xué)特性，因此被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于低溫壓力容器領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)積累了大量的低溫壓力容器鋁合金研究成果并在生產(chǎn)中得以推廣應(yīng)用。28壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展國(guó)外：1）新型7000系（Al-Zn-Mg-Cu)高強(qiáng)焊接鋁合金7000系鋁合金具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，無(wú)缺口敏感性，具有良好的疲勞性能和低溫性能,并且還具有良好的可焊性和成形性。美國(guó)已將該新型鋁合金應(yīng)用于冷凍設(shè)備及武器上。29壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展2）低溫用新型可焊高強(qiáng)鋁合金

為了提高飛行器的推進(jìn)效率，美國(guó)宇航局制定了新型鋁合金的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，該計(jì)劃要求生產(chǎn)出新型的鋁合金板，其室溫抗拉極限為517MPa,屈服強(qiáng)度為448MPa、延伸率為15%，在室溫下缺口和無(wú)缺口的拉伸強(qiáng)度比值在1.0，在-217℃下為0.9，同時(shí)具有良好的可焊性。最終研制了兩種鋁合金X2021及x7007合金，這些合金比目前低溫用高強(qiáng)度鋁合金具有更好的抗腐蝕性和良好的低溫韌性，已用于低溫結(jié)構(gòu)和火箭貯箱的生產(chǎn)，30壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展3）5083超厚鋁合金板的研究日本神戶制鋼研制的5083鋁合金160mm特級(jí)厚板，在最受重視的短橫向特性中，具有良好的低溫韌性，特別是伸長(zhǎng)率、疲勞特性及超聲波特性已達(dá)到目前最高水平。目前神戶制鋼有在進(jìn)行厚度超過(guò)300mm的特厚板的研制；同時(shí)在鋁合金厚板窄間隙橫焊等高效率焊接方法上也有突破。31壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展國(guó)內(nèi)：1）5083超厚板鋁合金國(guó)產(chǎn)化研究中鋁科學(xué)技術(shù)研究院及西南鋁針對(duì)國(guó)際市場(chǎng)上需求較大的H116、H321、H343狀態(tài)的5083合金板材國(guó)產(chǎn)化工藝進(jìn)行了研究，使各狀態(tài)的力學(xué)性能滿足了ASTM的標(biāo)準(zhǔn)要求。32壓力容器用鋁合金研究進(jìn)展2）7050超厚板鋁合金國(guó)產(chǎn)化研究7xxx系鋁合金以高強(qiáng)度、高斷裂韌性和高抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性的特性被廣泛應(yīng)用于航空航天及壓力容器行業(yè)，且7050，7B50合金大規(guī)格厚板的使用占鋁合金