壓力容器設計制造材料代用問題探討

【摘要】壓力容器在制造的時候，或者是在進行設計的過程中，設計人員經常會指定一些材料，而這些材料在市場中很少見，所以部分材料在采購時出現困難，購買不到，部分制造廠庫存材料中有某種材料，就會用此種材料代替指定的材料。在遇到這種問題時就會出現“以優(yōu)代劣”或者“以厚代薄”的現象，應當用明確的觀點對待制造材料代用中的這種問題。

【關鍵詞】壓力容器設計；以優(yōu)代劣；以厚代??；材料代用；設計；制造

在材料的選用過程中，對材料的厚度，材料的材質，焊接材料的選用都有很明確的要求。許多制造單位最終都會選用代用材料，引發(fā)這一問題的原因，主要是因為本單位已有的工藝和材料不能滿足設計人員要求使用的材料。雖然是用質量較好的材料代替質量較差的材料，用較厚的材料代替較薄的材料，但是仍然應當注意不能完全以材料的性能強度和材料的價格高低來判斷材料的好壞。要從根本上去尋找更適合設備運轉的材料，因為材料的選用將影響整臺設備的整體設計方案，對材料的代替和選用必須重視。

一﹑關于“以優(yōu)代劣”分析

耐腐蝕高溫性能﹑力學性能及制造工藝性能，都決定了壓力容器用金屬材料的選擇。部分材料雖然在某方面的性能較好，但在另一方面的性能可能不及其他材料，這種例子在壓力容器材料代用問題上比比皆是。

例如：在運用高強度的材料時，應當關注它的可焊性，因為強度較高的材料在焊接時會出現可焊性較差的現象，出現這種情況時就應當考慮到如果選用更高強度的材料代替原材料，就會造成焊接困難，一旦在焊接時出現問題還應該及時更改焊接材料，減少材料代用造成的不良影響。

在低合金鋼的運用中，在強度性能指標和價格方面，雖然低合金鋼都要優(yōu)于碳素鋼，但是在需要冷加工的時候，低合金鋼就明顯的表現出不如碳素鋼好。鋼一旦塑性變形過量就會發(fā)生晶格扭曲的現象，鋼的塑性和韌性都會變低，發(fā)生冷作硬化的現象，在這種情況下“以優(yōu)代劣”就會造成熱處理要求發(fā)生變化。

同樣低合金鋼在腐蝕性方面也不如碳素鋼，抗應力相對于碳素鋼也比較弱，這就說明了在材料代用時，制造方如果欠缺考慮壓力容器的安全將會出現問題。表面上容器的總體應力水平并沒有大的變化，但是發(fā)生變化的是材料對應力腐蝕開裂的敏感性。由于永鋼強度的級別提高了，所以壓力容器對應力腐蝕開裂的敏感性也就增大了。

要根據具體的問題，具體的實例來判斷材料選擇的“優(yōu)”或“劣”。在價格和強度指標上都優(yōu)于沸騰鋼的鎮(zhèn)靜鋼，如果用于制造搪玻璃容器，涂搪的效果卻大大弱于鎮(zhèn)靜鋼。除此以外，在部分場合的耐蝕性能方面不銹鋼也弱于碳素鋼和低合金鋼。舉個例子：設計溫度為300℃，名義厚度14mm的設備，16MnDR在這種溫度下的許用應力是130MPa 。在同等溫度的情況下Q345R的許用力就達到143MPa。雖然比起16MnDR的低溫性和價格都高于Q345R但其耐高溫的性能卻遠遠不如Q345R ，如果在這種情況下仍然選擇代用，設備必將出現問題。

不銹鋼的耐腐蝕性較出色，但在含有氯離子的環(huán)境下，其耐腐蝕性卻不如低合金鋼和碳素鋼。同時，和普通不銹鋼相比，超低碳不銹鋼雖然具有價格優(yōu)勢和良好的耐腐蝕性，但前者的高溫熱強性卻更為出色。一般情況下，為了提高耐腐蝕性，需降低碳含量，而為了提高高溫性，則要提高碳的量。故而，此種情況下的“以優(yōu)代劣”，要尤其精確的考慮設備的設計溫度，如有必要，應當重新計算。材料“以優(yōu)代劣”后，壓力容器會出現與原設計不符的情況，一定要針對具體情況，重新評估設計方案，對方案數據重新核算，以保證壓力容器的安全。

二﹑關于“以厚代薄”的分析

在壓力容器制造時由于制造原因產生的需求，在沒有違背大體原則的前提下，我們選擇了“以優(yōu)代劣”。而比起“以優(yōu)代劣”的情況，“以厚代薄”顯得更加的不合理?！耙院翊　钡氖褂每赡軙箽んw的受力從原本的平面應力狀態(tài)轉變成了平面應變狀態(tài)。容器的受力狀態(tài)發(fā)生轉變后對容器只會有害。許多厚壁的容器在三項拉應力的作用下，發(fā)生了平面應變脆性斷裂。雖然“以厚代薄”的現象會造成諸多問題，但是制造過程中“以厚代薄”仍然時有發(fā)生，只有進一步了解并且明確認識才能的到改善。

許多零件在原則上是不能進行“以優(yōu)代劣”處理的，比如撓性管，膨脹節(jié)，爆破片。這些零件如果一旦進行“以優(yōu)代劣”處理，就需要按照代用材料的情況重新進行計算，并且適當的減薄它的厚度，如果不進行這些處理就會造成元件和相鄰部件失去效果。元件的加厚，使其鋼性也逐漸增大，這大大的削弱了補償變形的效果。用厚板代替薄板的時候，連接結構會發(fā)生相應的變化，在加厚的封頭與筒體連接的時候必須對封頭外削邊。當筒體設備用管道來做的時候，筒體壁變厚，這時候也要對筒體與封頭連接處做相應的削邊處理。由于厚度增加較多，還會改變焊接的結構，殼體焊縫和接管包括對接焊縫都會由過去的單V型變成X型坡口。開孔補強板應該盡量減少過多加厚，過厚的補強板將會造成補強板與筒體連接外周應力集中過高，最終造成焊接部分開裂。壓力容器殼體如果整體“以厚代薄”雖避免了上述問題，但會造成許多新的問題：如需要無損檢測要求，焊接要求，熱處理要求都相應的改變。隨著殼體厚度增加，壓力容器存在的重量也在不斷增加，這將可能造成容器基礎受力和支座變得不穩(wěn)定；殼體厚度的增加還會造成殼體兼作傳熱元件的壓力容器傳熱效果變差。

三﹑結束語

材料的代用從本質上說，就是在不斷變更壓力容器的設計方案，只要代用材料，都有可能對數據進行新的計算，對設計方案重新規(guī)劃。代用問題的出現對于壓力容器的制造不僅僅是技術的挑戰(zhàn)，還與容器的安全﹑投建方投資的效益以及制造廠成本的核算息息相關。因此材料的代用在壓力容器的制造中成為一個相當重要的環(huán)節(jié)，設計人員必須做到考慮好各方面情況后再簽署同意可實施意見?？茖W技術日益提高的今天，社會各方面水平都隨著改革的發(fā)展不斷向前，壓力容器的制造體制與設計也應當日益完善，特別是在材料方面，應當有大的提升。只有在壓力容器設計制造過程中不斷完善，逐步通行國際軌道，才能使材料代用更加合理，后續(xù)問題不斷減少。參考文獻

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