CN102409204A - 压力容器及压力管道用稀土铝合金材料 - Google Patents

Abstract

一种压力容器和压力管道用稀土铝合金材料，其特征在于：其所述稀土铝合金的合金成分为Mg：3.0～6.0％；Ta+Nb：0～3.0％；RE/0.05～0.5％；Zr≤0.30％；Si≤0.40％；Zn≤0.40％；Cu≤0.40％；Cr≤0.40％；Mn≤0.80％；Fe≤0.80％；余量为Al。用本技术方案制造的铝合金板材、管材和锻件主要用于制造压力容器、换热器、空冷器和压力管道产品。

Description

压力容器及压力管道用稀土铝合金材料

一.技术领域

本发明技术属于铝合金及其压力容器、换热器和压力管道的应用领域。

二.背景技术

铝及铝合金具有耐腐蚀性能高、导热性能好，低温韧性很高的特点。

铝及铝合金极易与空气中的氧结合，生成致密的氧化膜，以阻止腐蚀介质向材料内部深入，所以有良好的耐腐蚀性能。同时，人们普遍认为铝合金的强度不高，难以满足石化压力容器和压力管道的使用要求。又由于铝合金的焊接难度较大，而极大地限制了铝合金作为压力容器和压力管道材料在工业耐腐蚀领域的使用。

在石油炼制和化工等装置中，压力容器、换热器及压力管道占总设备投资的60％以上，而这些压力容器及压力管道大量的存在着各种各样的腐蚀环境。特别是在有氯离子的循环水、海水和酸性污水气提环境中，工程应用上大量选用高等级不锈钢材料和铜合金材料，这不仅是一种资源浪费，也是一种高投入的资本浪费。目前，随着航空航天事业的发展，铝合金作为发动机主体、机身龙骨、室内舱体和表面蒙皮材料得到了很好的应用。但在石化炼油和化工行业，极少用铝合金材料来制造压力容器、换热器及管道设备。由于人们对铝合金的认识不足，极少有人在压力容器的耐腐蚀方面做深入的技术探讨和拓展应用。

目前在冷换设备上耐海水腐蚀的管材大多使用的双向不锈钢材料和二元合金的Cu-Ni合金，如90Cu-10Ni、70Cu-30Ni等铜镍合金材料，价格都极其昂贵，不符合经济高效的原则。

本发明的技术方向，是寻找一种经济适用的替代合金材料，以解决石化装置中压力容器、压力管道及冷换设备所涉及到的循环水、污水和海水中氯离子的腐蚀问题。

专利号99116658.2《一种稀土合金钢的换热器》是一种以铁基为主的合金材料，其合金含量中只添加了微量的铝，与以铝基材料为主的铝合金有着本质的区别。尽管稀土合金钢换热管经过多年应用，已证明其具有非常良好的耐硫化氢腐蚀效果，但无法克服如循环水、污水和海水中氯离子含量过高所造成的坑点腐蚀问题。

专利号03119119.3《Al-Zn-Mg-Er稀土铝合金》是一种以锌为主的铝稀土合金材料，且并没有涉及到这种铝合金的具体应用途径，与本发明的目的和内容有一定区别。

本发明的目的是开发一种高强度、高韧性的铝合金材料，以满足压力容器、换热器和压力管道的耐腐蚀要求。

三.发明内容

本发明的核心是以铝为基础，利用镁-钽(或钽加铌)-稀土-锆为主要关键合金进行炼制的多元素合金化材料，目的是在不降低材料耐腐蚀能力的前提下，提高铝合金的强度等级。在大多数腐蚀环境中用以替代综合成本高昂的双相不锈钢材料和铜镍合金材料。

本发明的合金成分见表1：

表1(％)

说明：上述合金中的余量为Al。RE是指以镧(La)和铈(Ce)为主的混合轻稀土元素。Ta与Nb往往相伴而生，性质相近，可以复合加入，也可以单独加入。

以上合金元素在规定范围内根据不同的强度要求可进行适当调整。

下面针对本技术发明的主要元素进行说明：

镁(Mg)：在合金中添加镁，可提高材料的机械性能。铝镁合金是各个领域使用最广泛的品种，也是耐腐蚀性能最好的铝合金组合材料。镁在合金中添加的量越大，铝合金的强度越高。但添加过高含量的镁，会产生应力腐蚀危害。

钽(Ta)：钽的质地十分坚硬，富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小，每升高一摄氏度只膨胀百万分之六点六。除此之外，它的韧性很强，比铜还要优异。Ta还有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性。无论是在冷和热的条件下，与盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。将钽放入200℃的硫酸中浸泡一年，表层仅损伤0.006mm。实验证明，钽在常温下，与碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸以及其他许多药剂均不反应，仅在氢氟酸和热浓硫酸作用下发生反应。这样的情况在金属中是比较罕见的。Ta与Nb的性质非常相似，往往相伴而生。所以，这两种材料可以复合加入，也可以单独加入。随着加入量的增加，铝合金的强度将得到较大幅度的提高。

稀土(RE)：稀土在铝合金中的强化作用主要有细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。当稀土加入量不同时，稀土在铝合金中主要以三种形式存在：固熔在基体α(Al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界；固熔在化合物中或以化合物形式存在。固熔在基体的稀土以及稀土化合物具有熔点很高，个体很小，分布很均匀的特点，不仅能提高材料的室温强度和高温强度，而且还能提高材料的塑性和韧性。

锆(Zr)是一种稀有金属，具有惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性，被广泛用在航空航天、军工、核反应、原子能领域。锆还是冶金工业的“维生素”，它有很强的脱氧、除氮、去硫的作用。钢里只要加进千分之一的锆，硬度和强度就会惊人地提高；含锆的装甲钢、不锈钢和耐热钢等，是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等国防武器的重要材料。

其它合金元素如锰、铁、铬等都对提高材料的强度有一定作用，但也只能在该发明允许的范围内进行适当添加。硅、铜、锌元素的含量应进行适当控制。

与一般结构用材料不同，压力容器、换热器及管道材料，在使用中一般会存在压力高、温度高、有腐蚀性等特点，所以在成分设计时一定要在耐腐蚀能力不降低的前提下，考虑材料的强度等级，韧性要求等等。在上述铝基合金元素中，添加镁-钽(或钽加铌)-稀土-锆元素，直接起到增加强度和改善韧性的作用，使材料具有更好的使用性能。在添加了上述合金元素以后，本技术-压力容器及管道用稀土铝合金材料的机械强度和高温性能都得到了很大提高。

上述成分的稀土铝合金材料，采用熔盐电解制备稀土铝合金工艺技术进行加工炼制。板材可以经过热轧，也可经过冷轧而成。无缝管经过冷拔或热挤压进行制造。压力容器设备法兰和换热器管板经过锻造而成。用本技术方案制造的铝合金板材、管材和锻件主要用于制造压力容器、换热器、空冷器和压力管道等产品。

四.具体实施方式

实施例1：

制造压力等级较低的换热器和压力管道的稀土铝合金化学成分：(见表2)

表2(％)

铝为余量。以上为电解熔炼以后铝合金坯料或材料成品的实际含量，不含烧损部分。牌号简称AlMgTaRE-1铝合金，使用范围-270℃～260℃。

机械性能要求如下：(见表3)

表3

牌号	抗拉强度(MPa)	屈服强度≥(MPa)
			AlMgTaRE-1	280～450	140

由以上成分设计的铝合金材料适合于制造压力4.0MPa及以下的压力容器、换热器、空冷器和压力管道用管材、板材和锻件。

实施例2：

制造压力等级较高的换热器和压力管道的稀土铝合金化学成分：(见表4)

表4(％)

铝为余量。以上为熔炼以后铝合金的实际含量，不含烧损部分。

本设计要求有较高的强度，又具有较高的耐腐蚀性能，使用温度的上限为300℃。牌号简称AlMgTaRE-2铝合金。

机械性能要求如下：(见表5)

表5

牌号	抗拉强度(MPa)	屈服强度≥(MPa)
			AlMgTaRE-2	350～550	180

由以上成分设计的铝合金材料适合于制造压力等级4.0MP以上的压力容器、换热器、空冷器和压力管道用管材、板材和锻件。

当被用做管道附件时，管件可以用相同直径的管子进行弯制或挤压，法兰用该成分设计的铝合金坯料进行锻造。

铝合金与钢铁材料相比，具有耐腐蚀性能优越，密度小、导热性能高、低温性能好等特点。本发明适合于在300℃以下至低温-270℃的大多数环境中使用。

以下是本技术的常温机械性能与工业纯铝和10^#碳钢的比较：(表6)

表6

牌号	抗拉强度(MPa)	屈服强度≥(MPa)
			1060纯铝	55～95	15
10#碳钢	≥335	205
			AlMgTaRE-1	280～450	140
AlMgTaRE-2	350～550	180

本发明通过成分的优化设计，提高了铝合金的强度，比工业纯铝的强度高了很多。AlMgTaRE-1与10^#碳钢的抗拉强度基本相同，AlMgTaRE-2的抗拉强度高于10^#钢，完全满足在石油、化工、制药、电力等行业中换热器、空冷器、压力容器及压力管道的使用要求。

Claims (2)

1.一种压力容器和压力管道用稀土铝合金材料，其特征在于：其所述稀土铝合金的合金成分为Mg：3.0～6.0％；Ta+Nb：0～3.0％；RE/0.05～0.5％；Zr≤0.30％；Si≤0.40％；Zn≤0.40％；Cu≤0.40％；Cr≤0.40％；Mn≤0.80％；Fe≤0.80％；余量为Al。

2.如权利要求书1所述的压力容器和压力管道用稀土铝合金材料，其特征在于：用本技术方案制造的铝合金板材、管材和锻件主要用于制造压力容器、换热器、空冷器和压力管道产品。