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[摘 要]伴隨我国经济的蓬勃发展，我国压力容器行业设计、制造能力和水平得到了飞速发展而跻身于世界压力容器生产强国之列，压力容器在役维护技术的进步。现在，轻质复合材料压力容器的应用越来越广泛，材料的选择作为整个钢制压力容器设计过程的重要组成部分，假若我们选择了不恰当的材料，那么就会给压力容器的设计以及制造过程带来不便，同时会给压力容器的安全性能带来隐患。
[关键词]压力容器；复合材料
中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0369-01
0 前言
随着科学技术的發展，压力容器的应用领域不断拓宽，其种类和数量迅速增加。核电、煤化工、炼油石化等行业的装置呈现出大型化的发展趋势，超千吨的重型压力容器、超10万立方米的大型储罐以及在高温、深冷、复杂腐蚀等极端条件下服役的压力容器的需求量不断增长。大型压力容器的材料消耗大，制造困难。极端条件下服役的压力容器往往需要昂贵的特种材料。为节省材料，降低制造、运输和安装过程中的能耗，实现安全与经济并重、安全与资源节约并重的发展理念，轻型化已成为压力容器主导的发展方向。轻型化的目的是在确保安全的前提下减薄壁厚、减轻重量。实现压力容器轻型化对节能降耗、提高产品经济性和竞争力具有十分重要的意义。
1 铝-钢复合材料在轻型化压力容器中的应用
随着冶炼技术的进步，压力容器用钢沿着一条低强度-中强度-高强度-超高强度的路线发展[1]。超高强度钢和具有更高强度的复合材料已经在压力容器中获得应用。降低压力容器重量的问题日益受到重视。提高化工装置容量导致了重量和外形尺寸的增加，从而提高他们的金属含量和降低了可移植性。解决这一问题的有效途径之一是利用新型高强复合材料进行结构组合。例如，缠绕技术制造的薄壁玻璃钢容器在机械制造中得到了广泛的应用。这些钢压力容器表现出了较高的可靠性，在复杂的操作条件下，比高强度的钢容器轻25%。然而，这样的结构只能在相对较低的温度（90℃）和压力下作用。金属基复合材料是压力容器最好的构造材料。金属基复合材料拥有金属的所有优点，以及较高的机械特性和较低的密度。这些材料的高水平的性能是通过加强轻金属基体的高强度纤维而达到的。从众多纤维增强复合材料中，应选择一个具有塑料基体的金属基复合材料（铍、钢、钼、钨丝等）。这些金属基复合材料有良好的塑性变形性能，机械处理并加入比其他材料后性能会更好。这种复合材料包括系统的铝钢丝，钛铍丝，镍钨丝等。这种用高强度钢丝加固的复合材料目前最适合用于钢瓶压力容器的构造。用密度低（2。7克/厘米3）、强度高的铝合金作为基体材料，既有足够的强度性能，还具有良好的耐腐蚀和高温阻隔的性能。耐腐蚀钢或碳钢制成的高强度钢丝是不同基质中最受欢迎的硬化基质之一，可以使金属基复合材料在350℃下正常工作。然而，相比碳钢，耐腐蚀钢丝更适合。因为碳和耐腐蚀钢在与铝接触时的高温下的行为有所不同。铝钢复合材料的最终强度为1400-1700MPa，密度3。5～4。5克每立方厘米。采用铝-钢复合材料制造钢瓶压力容器是其应用最具潜力的领域。
由于引进了新的高强度钢和合金，机器制造已完全可以实现。然而，它是已知的，这种合金的轧制或锻造由于其低的技术生存能力而遇到一定的困难。此外，这些合金因为组装焊接操作具有较高的机械性能所产生的复杂的热处理问题，其效果显着减少。但是，铝-钢复合材料不仅具有较高的机械强度，而且具有很高的抗损伤性能，这是其重要优点之一。这种金属基复合材料已经实际应用于机械制造的主要分支。对于钢瓶压力容器的制造在技术开发实验增强铝钢复合材料和船只的结构强度的方向也有学者研究过了。
2 轻型化压力容器发展建议
提高材料强度的同时，采用更高屈服强度，对于奥氏体不锈钢、铝、铜、镍等具有面心立方晶格、屈强比低、韧塑性好的材料，其许用应力由屈服强度决定，因此许多国家都已采用Rp10代替Rp02作为屈服强度[2]。按此方法可有效提高材料许用应力值，如奥氏体不锈钢按此方法设计可提高许用应力12%～43%，纯铝设计时可提高22%～80%。采用更高的屈服强度后，容器的安全性也应得到保证[3]。随着压力容器用钢质量（特别是纯净度）的提高，焊接技术的进步，射线检测、超声检测、涡流检测等无损检测技术的发展，以及寿命预测和可靠性分析技术水平的提高，压力容器安全系数呈现出下降趋势。
压力容器结构优化有两类：一类是结构形式的优化，例如采用缠绕式高压容器结构，可以显著减少焊接工作量，提高容器的抗疲劳性能；另一类是已有结构的优化设计，即以最优化理论为基础，根据设计所追求的目标，在满足强度、稳定性等约束条件的前提下，寻求最优方案的一种设计方法。以最小容器重量、最小应力集中系数等为目标函数，在给定的基本结构形式、材料以及载荷温度等设计条件的基础上，运用计算机辅助优化设计方法，可以在确保安全性的同时，有效减轻容器重量，实现压力容器的轻型化。例如，对典型圆柱形压力容器封头结构进行优化后，可使其重量减轻18%～31%。
3 结语
压力容器轻型化是安全与经济并重、安全与资源节约并重设计理念的具体体现，已成为压力容器的主导发展方向；提高材料强度、降低安全系数、选用更高屈服强度、采用应变强化技术、运用分析设计方法以及优化压力容器结构等都可以不同程度地实现压力容器的轻型化；考虑到我国压力容器轻型化技术发展速度相对较慢，压力容器轻型化技术的基础研究较薄弱，建议加强其基础研究，如复杂结构压力容器塑性垮塌压力计算方法、压力容器局部失效判据、轻型化对容器制造和检验要求的影响等。
参考文献
[1] 黄嘉琥，王为国，寿比南，等.各国压力容器用材确定许用应力方法的比较[J].压力容器，2008，25（4）：38-44.
[2] 张天平.空间应用复合材料压力容器研制技术[J].上海航天，2002，19（1）：54-58，62.
[3] 马利，郑津洋，寿比南，等.奥氏体不锈钢制压力容器强度裕度研究[J].压力容器，2008，25（1）：1-5，23.
[关键词]压力容器；复合材料
中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）25-0369-01
0 前言
随着科学技术的發展，压力容器的应用领域不断拓宽，其种类和数量迅速增加。核电、煤化工、炼油石化等行业的装置呈现出大型化的发展趋势，超千吨的重型压力容器、超10万立方米的大型储罐以及在高温、深冷、复杂腐蚀等极端条件下服役的压力容器的需求量不断增长。大型压力容器的材料消耗大，制造困难。极端条件下服役的压力容器往往需要昂贵的特种材料。为节省材料，降低制造、运输和安装过程中的能耗，实现安全与经济并重、安全与资源节约并重的发展理念，轻型化已成为压力容器主导的发展方向。轻型化的目的是在确保安全的前提下减薄壁厚、减轻重量。实现压力容器轻型化对节能降耗、提高产品经济性和竞争力具有十分重要的意义。
1 铝-钢复合材料在轻型化压力容器中的应用
随着冶炼技术的进步，压力容器用钢沿着一条低强度-中强度-高强度-超高强度的路线发展[1]。超高强度钢和具有更高强度的复合材料已经在压力容器中获得应用。降低压力容器重量的问题日益受到重视。提高化工装置容量导致了重量和外形尺寸的增加，从而提高他们的金属含量和降低了可移植性。解决这一问题的有效途径之一是利用新型高强复合材料进行结构组合。例如，缠绕技术制造的薄壁玻璃钢容器在机械制造中得到了广泛的应用。这些钢压力容器表现出了较高的可靠性，在复杂的操作条件下，比高强度的钢容器轻25%。然而，这样的结构只能在相对较低的温度（90℃）和压力下作用。金属基复合材料是压力容器最好的构造材料。金属基复合材料拥有金属的所有优点，以及较高的机械特性和较低的密度。这些材料的高水平的性能是通过加强轻金属基体的高强度纤维而达到的。从众多纤维增强复合材料中，应选择一个具有塑料基体的金属基复合材料（铍、钢、钼、钨丝等）。这些金属基复合材料有良好的塑性变形性能，机械处理并加入比其他材料后性能会更好。这种复合材料包括系统的铝钢丝，钛铍丝，镍钨丝等。这种用高强度钢丝加固的复合材料目前最适合用于钢瓶压力容器的构造。用密度低（2。7克/厘米3）、强度高的铝合金作为基体材料，既有足够的强度性能，还具有良好的耐腐蚀和高温阻隔的性能。耐腐蚀钢或碳钢制成的高强度钢丝是不同基质中最受欢迎的硬化基质之一，可以使金属基复合材料在350℃下正常工作。然而，相比碳钢，耐腐蚀钢丝更适合。因为碳和耐腐蚀钢在与铝接触时的高温下的行为有所不同。铝钢复合材料的最终强度为1400-1700MPa，密度3。5～4。5克每立方厘米。采用铝-钢复合材料制造钢瓶压力容器是其应用最具潜力的领域。
由于引进了新的高强度钢和合金，机器制造已完全可以实现。然而，它是已知的，这种合金的轧制或锻造由于其低的技术生存能力而遇到一定的困难。此外，这些合金因为组装焊接操作具有较高的机械性能所产生的复杂的热处理问题，其效果显着减少。但是，铝-钢复合材料不仅具有较高的机械强度，而且具有很高的抗损伤性能，这是其重要优点之一。这种金属基复合材料已经实际应用于机械制造的主要分支。对于钢瓶压力容器的制造在技术开发实验增强铝钢复合材料和船只的结构强度的方向也有学者研究过了。
2 轻型化压力容器发展建议
提高材料强度的同时，采用更高屈服强度，对于奥氏体不锈钢、铝、铜、镍等具有面心立方晶格、屈强比低、韧塑性好的材料，其许用应力由屈服强度决定，因此许多国家都已采用Rp10代替Rp02作为屈服强度[2]。按此方法可有效提高材料许用应力值，如奥氏体不锈钢按此方法设计可提高许用应力12%～43%，纯铝设计时可提高22%～80%。采用更高的屈服强度后，容器的安全性也应得到保证[3]。随着压力容器用钢质量（特别是纯净度）的提高，焊接技术的进步，射线检测、超声检测、涡流检测等无损检测技术的发展，以及寿命预测和可靠性分析技术水平的提高，压力容器安全系数呈现出下降趋势。
压力容器结构优化有两类：一类是结构形式的优化，例如采用缠绕式高压容器结构，可以显著减少焊接工作量，提高容器的抗疲劳性能；另一类是已有结构的优化设计，即以最优化理论为基础，根据设计所追求的目标，在满足强度、稳定性等约束条件的前提下，寻求最优方案的一种设计方法。以最小容器重量、最小应力集中系数等为目标函数，在给定的基本结构形式、材料以及载荷温度等设计条件的基础上，运用计算机辅助优化设计方法，可以在确保安全性的同时，有效减轻容器重量，实现压力容器的轻型化。例如，对典型圆柱形压力容器封头结构进行优化后，可使其重量减轻18%～31%。
3 结语
压力容器轻型化是安全与经济并重、安全与资源节约并重设计理念的具体体现，已成为压力容器的主导发展方向；提高材料强度、降低安全系数、选用更高屈服强度、采用应变强化技术、运用分析设计方法以及优化压力容器结构等都可以不同程度地实现压力容器的轻型化；考虑到我国压力容器轻型化技术发展速度相对较慢，压力容器轻型化技术的基础研究较薄弱，建议加强其基础研究，如复杂结构压力容器塑性垮塌压力计算方法、压力容器局部失效判据、轻型化对容器制造和检验要求的影响等。
参考文献
[1] 黄嘉琥，王为国，寿比南，等.各国压力容器用材确定许用应力方法的比较[J].压力容器，2008，25（4）：38-44.
[2] 张天平.空间应用复合材料压力容器研制技术[J].上海航天，2002，19（1）：54-58，62.
[3] 马利，郑津洋，寿比南，等.奥氏体不锈钢制压力容器强度裕度研究[J].压力容器，2008，25（1）：1-5，23.