低温压力容器用铝合金课件

1铝合金压力容器简介中铝科学技术研究院温志先•一、压力容器发展方向•二、铝合金压力容器应用现状•三、铝合金压力容器制造•四、低温压力容器用铝合金发展23一、压力容器发展方向4压力容器发展方向21世纪以来，在全球节能减排的大环境下，安全与经济并重、安全与资源节约并重的发展理念在压力容器行业内逐渐形成共识，轻量化已成为压力容器行业发展的主导方向。5压力容器发展方向近年来，我国有色金属压力容器的设计制造水平不断提高，国内相关法规和标准也得到了极大的发展。但国内压力容器主要材料仍为传统钢材料，导致能耗及重量较大，不但耗费了更多的资源，也降低了国产容器的经济性和竞争力。我国为贫镍国家，为解决镍资源不足，我国开始在压力容器制造业中推广铝合金材料，继而大力提倡用钛及钛合金材料，但铝合金以较低的价格及良好的低温力学性能，得以在压力容器行业快速推广应用。6二、铝合金压力容器应用现状7铝合金材料具有如下特点：（1）耐腐蚀防腐蚀是有色金属压力容器的最主要用途之一。由于铝合金的化学性能各不相同，其耐腐蚀介质范围和程度也各不相同。铝材中，纯铝的耐腐蚀性最好，其防腐介质包括醋酸、浓硝酸、碳酸氢铵以及尿素等；铝合金压力容应用现状8铝合金压力容应用现状（2）传热性能好常用的压力容器用材中，奥氏体不锈钢的热导率较差、碳素钢和低合金钢的热导率一般，而铝材的热导率较高，特别是纯铝；纯铝的热导率约为碳素钢的3倍、奥氏体不锈钢的17倍，因此铝材常用于制造换热容器。9（3）比强度高常用的结构材料中，铝材的密度较小，同钢材相比，其比强度(抗拉强度与密度之比)更高。对于移动式压力容器，材料的比强度更高则意味着设备重量更轻，运输过程中可以降低能耗，节约成本。如碳素钢Q235的相对密度约为7.8，我国标准中其许用应力为113MPa；5083铝合金的相对密度约为2.7，许用应力为67MPa；同等载荷条件下，Q235钢的质量约为5083铝合金的1.7倍，因此，铝材常用于制造移动式压力容器，如罐车、航天用低温容器等。铝合金压力容应用现状10（4）耐低温有色金属材料的耐低温性能普遍较好，一般不会产生低温脆性，可在低温环境中保持较高的塑性和冲击韧性。其中，铝材的耐低温性能最好，可用至一269℃，无需任何附加要求；因此，铝合金压力容器广泛用于低温环境中，如空分设备中的分馏塔及各类低温储罐常采用铝材制造。铝合金压力容器应用现状11铝合金压力容器应用现状表1不同温度下的铝合金抗拉强度和屈服强度合金状态温度/℃屈服强度/MPa抗拉强度/MPa1100-H14231171250117130-80125138-1961382072014-T6234154830427495-80448510-1964955853003-H14231451520145152-80152165-19617224012铝合金压力容器应用现状合金状态温度/℃屈服强度/MPa抗拉强度/MPa4032-T6233173800317385-80317400-1963304555052-H34232152620215262-80220275-1962483806063-T6232152400220248-80228262-19624832513铝合金压力容器应用现状合金状态温度/℃屈服强度/MPa抗拉强度/MPa7075-T6235035720515593-80545620-19663570314铝合金压力容器应用现状表2不同温度下铝合金断裂韧性合金和状态温度/℃断裂韧性（KIC)/Mpa*m1/22014-T6512323.2-19628.52024-T8512322.3-19624.42124-T8512326.9-19632.02219-T872339.9-19646.515铝合金压力容器应用现状合金和状态温度/℃断裂韧性（KIC)/Mpa*m1/25083-O2327.0-19643.46061-T8612329.1-19641.87039-T62332.3-19633.57075-T6512322.5-19627.616（5）防铁离子污染在食品、医药以及染料等一些石化产业中，产品中的铁离子含量往往要受到严格控制，因此相关设备不宜采用普通钢材制造，而须选用不锈钢或有色金属材料。铝材由于价格便宜，最常用于制造防铁离子污染容器。铝合金压力容器应用现状17铝合金压力容器应用现状对于铝合金材料压力容器的设计压力，我国有特殊规定，JB/T4734-2002《铝制焊接容器》中规定其最高设计压力为8MPa，由于实际应用中铝制压力容器已用至12MPa，因此2009版《容规》又将其最高设计压力提高至16MPa,大大拓宽了铝合金在压力容器中的应用对象及范围。18铝合金压力容器应用现状图1铝合金LNG罐车19铝合金压力容器应用现状图2LNG船20铝合金压力容器应用现状图3CZ-5液氧箱21铝合金压力容器应用现状图3CZ-5液氢箱22三、铝合金压力容器制造23铝合金压力容器制造（1）标准JB/T4734-2002《铝制焊接容器》适用：全铝、衬铝，设计压力≤8MPa（含常压）（2）常用材料纯铝，铝锰合金，铝镁合金，铝镁硅合金（3）制造要点：清洁，铺橡胶，注意划伤表面修磨深度应不大于厚度的5%，且不大于2mm；不采用氧乙炔切割，等离子切割后去除氧化层多采用翻边结构无磁性，不能用MT24铝合金压力容器制造（4）焊接•焊接工艺评定按NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》母材分四类：纯铝，铝锰合金，铝镁合金：Mg≤4%，铝镁硅合金铝镁合金：Mg＞4%焊丝分三类：纯铝，铝镁合金：铝硅合金•焊工考核按TSGZ6002-2010《特种设备焊接操作人员考核细则》母材和焊材分类与焊接工艺评定相同•主要问题：氧化膜，热传导率大，气孔，缩孔，热裂纹•焊接方法：钨极氩弧焊，熔化极氩弧焊（手工、自动）25铝合金压力容器制造•焊接环境：风速≤1.5m/s相对湿度≤80%焊件温度≥5℃低于5℃时，在始焊处预热到15℃•焊前去除坡口、焊丝的氧化膜，油污等•厚度大于15mm手工钨极氩弧焊时，预热150℃以下•产品焊接试板：P≥1.6MPa，和盛装极度或高度危害介质，每台做A类纵向接头的产品焊接试板；其他情况，免做26四、压力容器用铝合金研究进展27压力容器用铝合金研究进展铝合金具有密度低，无磁性、在磁场中比电阻小、气密性好且具有良好的低温力学特性，因此被越来越广泛的应用于低温压力容器领域。近几十年来，国内外已经积累了大量的低温压力容器铝合金研究成果并在生产中得以推广应用。28压力容器用铝合金研究进展国外：1）新型7000系（Al-Zn-Mg-Cu)高强焊接铝合金7000系铝合金具有良好的抗应力腐蚀性能，无缺口敏感性，具有良好的疲劳性能和低温性能,并且还具有良好的可焊性和成形性。美国已将该新型铝合金应用于冷冻设备及武器上。29压力容器用铝合金研究进展2）低温用新型可焊高强铝合金为了提高飞行器的推进效率，美国宇航局制定了新型铝合金的开发计划，该计划要求生产出新型的铝合金板，其室温抗拉极限为517MPa,屈服强度为448MPa、延伸率为15%，在室温下缺口和无缺口的拉伸强度比值在1.0，在-217℃下为0.9，同时具有良好的可焊性。最终研制了两种铝合金X2021及x7007合金，这些合金比目前低温用高强度铝合金具有更好的抗腐蚀性和良好的低温韧性，已用于低温结构和火箭贮箱的生产，30压力容器用铝合金研究进展3）5083超厚铝合金板的研究日本神户制钢研制的5083铝合金160mm特级厚板，在最受重视的短横向特性中，具有良好的低温韧性，特别是伸长率、疲劳特性及超声波特性已达到目前最高水平。目前神户制钢有在进行厚度超过300mm的特厚板的研制；同时在铝合金厚板窄间隙横焊等高效率焊接方法上也有突破。31压力容器用铝合金研究进展国内：1）5083超厚板铝合金国产化研究中铝科学技术研究院及西南铝针对国际市场上需求较大的H116、H321、H343状态的5083合金板材国产化工艺进行了研究，使各状态的力学性能满足了ASTM的标准要求。32压力容器用铝合金研究进展2）7050超厚板铝合金国产化研究7xxx系铝合金以高强度、高断裂韧性和高抗应力腐蚀开裂性的特性被广泛应用于航空航天及压力容器行业，且7050，7B50合金大规格厚板的使用占铝合金总量的60%以上，市场需求量较大，且厚板的技术含量和附加值高。而目前国内生产的7050合金超厚板在疲劳性能方面还没有标准要求，不能实现稳定供货。33中铝科学技术研究院联合兄弟单位通过数值模拟及实验验证得到优化的大规格7050合金铸造工艺，并优化均匀化、热轧、固溶、时效工艺，通过加工过程不同阶段组织的控制最终成功使7050合金超厚板的疲劳性能满足用户的使用要求，实现稳定供货。压力容器用铝合金研究进展人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。