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四氧化二氮贮罐设计要点

摘要:本文首先阐述了四氧化二氮的物化性能,并针对介质四氧化二氮贮罐进行了材料选择腐蚀裕量选择焊接接头系数选择产品焊接试件要求。

关键词:四氧化二氮、参数、材料选择、不锈钢

近年来,随着中国航天事业的发展,作为在火箭武器,航天运载工具和助推器方面应用广泛的燃料推进剂组合之一的四氧化二氮,其理化性能,安全防护,材料相容方面的特性已为使用者所熟知,但由于四氧化二氮具有强氧化性,沸点低,毒性大，腐蚀性强等特点,贮存使用过程中的安全问题一直备受关注。

这次某航天单位的招标项目贮罐参数为：介质：四氧化二氮；设计压力:1.0MPa；工作压力：0.9MPa；设计温度:70℃；工作温度：-5℃～+50℃；公称容器:2m3；公称直径；DN1200mm;填充系数0.9。管口设置如图1。容器按GB/T150-2011《压力容器》进行设计、试验和验收，并接受国家质量技术监督局颁发的《固定式压力容器安全技术监查规程》（TSG21-2016）的监督。

图1.储罐管口设置图

物料性质四氧化二氮的密度：1454kg/m3,熔点为–11.23℃,沸点为21.15℃,临界温度为158.2℃。四氧化二氮有剧毒,是强烈的氧化剂,含有70%活性氧,易爆，本身不自燃,只能助燃。它与脂肪胺、芳香胺、阱类、多元酚、糠醇等接触自燃甚至爆炸;与碳、硫、磷等物质接触容易着火;与很多有机物蒸气的混合物易发生爆炸。

按TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》1.7压力容器分类要求，四氧化二氮有剧毒、易爆，属于第一组介质，本贮罐PV乘积交点位于II类区间，属于II类压力容器。

在压力容器的设计中，合理选择材料是整个设备设计的核心环节之一。科学、合理的选材对保证设备的安全运行和经济、节能等都是至关重要的。

材料的选择必须考虑诸多的因素，除材料的力学性能（如；强度、刚度、韧性等）外，还需考虑对工艺介质的适宜性、机械制造工艺性能（如；冷热成型、焊接、机加工、热处理等）、原材料价格、供应状况等。

四氧化二氮对金属材质的腐蚀机理，主要是硝酸和亚硝酸的影响。无水的或含水量很少、合格的四氧化二氮对大多数金属的腐蚀性很小。四氧化二氮中的杂质如水份,是主要影响四氧化二氮质量的主要因素,若水份超过0.4%,会加速四氧化二氮的腐蚀作用。随其水份之增加，四氧化二氮对金属材质，特别是对铝合金和碳钢的相容性有极大影响。不锈钢耐一切浓度的硝酸，价格又不太高，是目前用途最广泛的材料。钛和钛合金对硝酸有优良的耐腐蚀性，但因为价格太贵，应用不多。

综上，不锈钢具有很好的耐蚀性能，且不锈钢本身无磁性，具有高韧性和塑性，又有很好的强度、耐压等优点，是二氧化氮贮罐的首选材质，但不锈钢种类较多，在使用要求很高的情况下，应进行有效分析选择。

奥氏体不锈钢化学成分对性能的影响:[3]

(l)C可增加硬度和强度,含量过高会降低其延展性和耐腐蚀性；

(2)加Mo增加强度,改善点蚀和耐缝隙腐蚀；

(3)降C或加Ti,减少晶间腐蚀倾向；

(4)Cr改善耐蚀性、抗氧化性，使晶粒细化，增加强度、硬度和耐磨性；

(5)Ni可改善高温抗氧化性和强度，改善抗应力腐蚀性能，降低冷加工硬化的速率。

表1.不锈钢化学成分[2]

元素

C%,≤

Si%,≤

Mn%≤

P%,≤

S%,≤

Cr%

Ni%

Mo

N%,≤

其他

S30408

0.08

0.75

2.00

0.035

0.015

18-20

8.0-10.5

-

0.10

-

S30403

0.03

0.75

2.00

0.035

0.015

18-20

8.0-12

-

0.10

-

S31608

0.08

0.75

2.00

0.035

0.015

16-18

10-14

2.0-3.0

0.10-

-

S31603

0.03

0.75

2.00

0.035

0.015

16-18

10-14

2.0-3.0

0.10

-

Mo是一种金属元素，通常用作合金及不锈钢的添加剂。它可增强合金的强度、硬度、可焊性及韧性,还可增强其耐高温强度及耐腐蚀性能。

在铬镍奥氏体不锈钢中添加Mo,使其在用于要求不锈性和耐氧化性介质的使用条件下，其使用范围进一步扩大，钼的作用主要是提高钢在还原性介质的耐蚀性，并提高钢的耐点蚀及缝隙腐蚀等性能。

四氧化二氮在贮存、运输过程中不可避免的会发生碰撞、触摸，以及在制作贮存容器过程中焊接及切削工艺的不确定性，容易产生应力腐蚀和产生点蚀、缝隙腐蚀。

通过比较,S30408不锈钢、S30403不锈钢对溶液中含有Cl离子的介质特别敏感，容易发生晶间腐蚀。而S31608,S31603添加了改善点蚀和耐缝隙腐蚀的Mo、提高了改善抗应力腐蚀性的Ni，同时有效减少了降低不