工作温度和压力直接决定了压力容器的壁厚、重量和材料成本。 较高的内部压力会增加所需的壁厚，而较高的设计温度通常会降低材料的许用应力，从而需要额外的厚度。对于非腐蚀性工况，碳钢通常提供最低的材料成本，而不锈钢往往能提供更好的耐腐蚀性，但每公斤成本要高得多；其较高的许用应力并不一定能抵消成本劣势。
其核心关系很简单： 所需厚度随压力增加而增加，随材料许用应力增加而减少。由于许用应力随温度升高而下降，高温工况可能使碳钢和不锈钢容器变得更重、更昂贵，最终的选择取决于强度、腐蚀、制造和生命周期要求。
压力如何决定壁厚
压力决定了所需的密封强度
对于承受内压的圆柱形容器，简化的薄壁关系式为：
[ t \propto \frac{P D}{S E} ]
其中 t 为壁厚，P 为设计压力，D 为容器直径，S 为许用应力，E 代表焊接效率或接头质量。
这意味着，在其他条件相同的情况下，增加压力会使所需的壁厚大致按比例增加。
直径也会影响结果
在相同压力下，较大的容器直径会承受更大的环向应力。因此，即使压力适中，大型低压容器也可能需要相当大的壁厚。
因此，必须将压力、直径、封头几何形状、焊接效率和规范要求综合评估，而不是将其视为独立的材料选择因素。
压力增加重量和材料使用量
较厚的壳体需要更多的钢材，从而增加了容器的空重。增加的重量还会影响支撑件、起重设备、基础、运输和安装。
压力导致的增加适用于碳钢和不锈钢。在设计温度下具有较高许用应力的材料可能需要较小的厚度，但这并不一定使其成本更低。
温度如何改变设计
高温降低许用应力
压力容器规范使用与温度相关的许用应力，而不是材料的室温强度。随着温度升高，材料通常会失去强度，因此允许的应力 S 会降低。
其结果是直接的设计影响：在相同的压力和直径下，较低的许用应力需要更厚的壁。
设计温度比正常运行温度更重要
工程师通常使用容器的设计温度，该温度考虑了金属可能达到的最高温度，而不仅仅是平均工作温度。启动、停机、异常工况、加热系统故障和放热反应可能会控制此数值。
如果容器可能经历更热的工况，仅使用正常工作温度可能会导致设计不足。
中等温度下的碳钢
碳钢（如 ASME SA515 Grade 55）在中等温度下可以保持相对较高的许用应力。对于在其合格温度范围内的非腐蚀性工况，它通常仍然是最经济的选择。
随着温度升高至该范围的上限，其许用应力降低，所需的壁厚变厚。该材料可能在经济上仍然具有优势，但如果温度、腐蚀裕量或制造要求变得苛刻，这种优势就会缩小。
高温下的不锈钢
奥氏体不锈钢（如 304 和 316）具有很强的耐腐蚀性，并且可以保持适用于高温工况。然而，它们的许用应力也会随温度大幅下降。
例如，补充参考资料给出的许用应力在 100°F 时约为 20 ksi，而在 900°F 时，根据所述规范基础，304 降至约 10.8 ksi，316 降至约 11.5 ksi。在这些温度下，不锈钢设计的容器可能需要比其室温强度所暗示的厚度大得多。
碳钢与不锈钢的比较
厚度取决于温度下的许用应力
相关的比较不是材料的标称抗拉强度或室温屈服强度，而是规范允许的设计温度下的应力。
如果碳钢和不锈钢在特定温度下具有相似的许用应力，则它们所需的压力壁厚可能相似。如果其中一种具有更高的许用应力，则在适用规范规则的前提下，它可能允许更薄的压力边界。
重量取决于厚度和密度
容器重量主要由以下因素决定：
- 所需的壳体和封头厚度
- 容器直径和长度
- 接管、法兰、管板和支撑件
- 腐蚀裕量
- 材料密度
- 制造细节
不锈钢的密度通常比碳钢大，尽管与材料价格的可能差异相比，密度差异相对较小。较薄的不锈钢壁可以减轻一些重量，但这并不能保证成品容器更轻。
材料成本不仅仅取决于重量
一个有用的初步近似公式是：
[ \text{材料成本} \approx \text{质量} \times \text{每公斤价格} ]
碳钢的原材料每公斤价格通常要低得多。因此，即使不锈钢需要较薄的壁厚，其成本仍然可能更高。
完整的成本比较还应包括腐蚀裕量、包覆或衬里、焊接工艺、污染控制、检验、表面处理和预期维护。
腐蚀和腐蚀裕量的作用
碳钢可能需要额外的厚度
对于腐蚀性介质，碳钢可能需要腐蚀裕量，或者完全不适用。裕量会增加到压力计算的厚度中，从而增加初始材料用量和重量。
不锈钢可以减少与腐蚀相关的惩罚
在化学工况中，不锈钢通常可以避免或减少对大腐蚀裕量的需求。这可以产生比具有大量腐蚀裕量的碳钢设计更薄的实际壁厚。
这种优势是针对特定应用的。不锈钢并非对所有化学品、温度、氯化物浓度或工艺条件都具有普遍的耐受性，因此必须验证其兼容性，而不能想当然。
理解权衡
较薄的壁厚并不意味着总成本较低
在某些条件下，不锈钢可能允许更薄的压力边界，但其较高的每公斤价格可能主导材料成本。相反，碳钢可能需要更厚的壁，但由于原材料更便宜，成本可能仍然更低。
正确的比较是完整的容器制造成本，而不仅仅是厚度。
高温会降低两种材料的优势
在高温下，两种材料的许用应力都会下降。这增加了厚度，并可能引入额外的设计问题，如热膨胀、蠕变、疲劳、焊接性能和垫片限制。
对于极高温工况，材料选择不能仅基于单一的压力-厚度计算。
不锈钢在高温下并非自动更强
不锈钢常被描述为在高温下保持强度，但其规范许用应力仍随温度降低。引用的 304 和 316 在 900°F 下的数值证明了为什么设计人员必须使用特定等级和温度的规范表。
耐腐蚀性和高温适用性是与许用压力应力不同的属性。
最小厚度和制造可能起主导作用
计算出的压力厚度可能低于规范最小值或低于实际制造厚度。外压、真空工况、成型极限、焊接变形、运输载荷和接管补强可能会控制最终设计。
因此，最终的壁厚可能大于仅通过内压方程预测的数值。
工作压力并不总是设计压力
容器必须按照规定的设计压力进行设计，该压力可能超过正常工作压力，以考虑可能的偏差和泄压系统设置。同样的原则也适用于设计温度。
在不检查规范定义的设计条件的情况下仅使用正常工艺条件，可能会低估所需的厚度、重量和成本。
为您的目标做出正确的选择
选择应从规范设计压力和温度开始，然后纳入腐蚀、制造和生命周期要求。
- 如果您的主要重点是最大限度地降低初始材料成本： 在非腐蚀性工况下，当碳钢的温度相关许用应力和规范温度范围适用时，请使用碳钢。
- 如果您的主要重点是耐腐蚀性： 当工艺化学性质需要过多的碳钢腐蚀裕量、衬里、维护或更换时，请考虑不锈钢。
- 如果您的主要重点是最大限度地减轻容器重量： 在实际设计温度下比较完整的规范计算设计，包括密度、腐蚀裕量、封头、接管和支撑件。
- 如果您的主要重点是高温压力工况： 使用材料在设计温度下的许用应力进行选择，同时检查热膨胀、蠕变、焊接性和规范限制。
- 如果您的主要重点是总生命周期成本： 比较购买、制造、检验、维护、腐蚀风险、停机和更换成本，而不是仅仅比较原材料价格。
可靠的设计应平衡压力密封、温度相关强度、腐蚀性能、容器重量和总生命周期成本，而不是优化单一因素。
总结表：
| 因素 | 碳钢 | 不锈钢 |
|---|---|---|
| 初始材料成本 | 非腐蚀性工况下通常较低 | 每公斤通常较高 |
| 温度影响 | 许用应力随温度升高而降低 | 许用应力在高温下也会降低 |
| 壁厚 | 可能需要增加腐蚀裕量 | 可能减少腐蚀裕量要求 |
| 容器重量 | 取决于厚度、腐蚀裕量和组件 | 可能较薄，但密度和制造细节仍会影响重量 |
| 腐蚀性能 | 适用于兼容的非腐蚀性介质 | 通常更适合苛刻的化学工况 |
| 最佳选择依据 | 低初始成本和适用的服务条件 | 耐腐蚀性和生命周期价值 |
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