淺析壓力容器制造過程中的材料代用

【摘要】文章闡述了材料代用的基本原則，材料代用的基本程序及材料代用過程中的一些注意事項，為壓力容器制造行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員處理材料代用問題提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】壓力容器制造；材料代用；安全性能

1、前言

材料選用是壓力容器設(shè)計制造過程中至關(guān)重要的步驟，如果材料選擇不當(dāng)或者錯誤，則有可能給壓力容器的后期使用帶來安全隱患。壓力容器制造過程中，為了對庫存材料進(jìn)行充分利用，或者由于采購周期長等情況，材料代用問題時有發(fā)生，一般來說，材料代用有利于設(shè)備的制造環(huán)節(jié)，但不利于設(shè)備的安裝、修理、改造、使用及檢驗等后續(xù)環(huán)節(jié)。在某些情況下，可以較為簡單地按其性能及價格來決定材料代用的優(yōu)劣，但有時可能會涉及到設(shè)計方案及設(shè)計參數(shù)，這是不容忽視的。

2、材料代用的原則

TSG R0004《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察容規(guī)》中規(guī)定“壓力容器制造或者現(xiàn)場組焊單位對主要受壓元件的材料代用，應(yīng)當(dāng)事先取得原設(shè)計單位的書面批準(zhǔn)，并且在竣工圖上做詳細(xì)記錄。”最基本的原則是代用材料必須是壓力容器制造規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)允許使用的材料，代用材料的各項性能必須不低于被代用材料，如果代用材料在某些性能項目或檢驗比例方面低于被代用材料，可通過增加檢驗的手段來進(jìn)行代用。一般情況下材料代用遵循以厚代薄及以高代低原則。

2.1以厚代薄

以厚代薄是指在材料性能相同或相似的情況下用相同鋼號較厚規(guī)格的材料代替較薄規(guī)格的材料。以厚代薄，有可能引起連接處的結(jié)構(gòu)變化，還有可能涉及到焊接結(jié)構(gòu)的變化，因此，材料代用不能簡單的以厚代薄。以厚代薄也必須事先取得原設(shè)計單位的書面證明，由設(shè)計單位來綜合考慮以厚代薄有可能造成的不利因素，決定能否代用并對可實施材料代用的容器的焊接方法、探傷方法、支座、基礎(chǔ)等作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以減少或消除各種不利影響。

2.2以高代低

以高代低是用較高級別或性能較好的材料代替較低級別或性能較差的材料。以高代低可以提高設(shè)備的強(qiáng)度儲備，增加設(shè)備的安全可靠性，但某些特殊工藝環(huán)境要求的情況除外。材料的優(yōu)劣是相對于介質(zhì)性質(zhì)而言的。應(yīng)當(dāng)根據(jù)容器的使用條件，對代用材料和被代用材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、可焊性、冷熱加工性能及耐腐蝕性等進(jìn)行全面分析才能確定所選的代用材料是否合理正確，必要時要進(jìn)行工藝試驗論證。例如用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼代替普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，用合金鋼代替碳素鋼都是可行的。因此材料以高代低也必須取得原設(shè)計部門書面批準(zhǔn)。

3、材料代用基本程序

1、由代用單位采購部門提供材料的牌號、規(guī)格、技術(shù)條件、代用數(shù)量、代用原因及材料來源等有關(guān)資料并填寫材料代用申請單，送至工藝責(zé)任師處會簽，工藝責(zé)任師根據(jù)代用單上提供的技術(shù)條件、理化試驗、復(fù)驗數(shù)據(jù)簽署對使用材料的意見，最后由代用單位技術(shù)部門的批準(zhǔn)并上報代用材料的質(zhì)量證明或復(fù)檢報告，由主管負(fù)責(zé)人核準(zhǔn)批復(fù)；

2、將材料代用申請單報送至原設(shè)計單位，在獲得原設(shè)計單位的允許并拿到書面證明文件后，方可以在壓力容器制造時進(jìn)行材料代用，如果原設(shè)計單位有不同意見，則不允許進(jìn)行代用；

3、容器的竣工圖以及出廠的質(zhì)量證明書中要詳細(xì)記錄代用材料的材質(zhì)、規(guī)格和部位，便于壓力容器后期的使用、維修、改造及檢驗等工作的進(jìn)行，材料代用申請單原件應(yīng)在壓力容器原始資料中妥善保管。

4、材料代用中的注意事項

1、當(dāng)厚板代替薄板時，有可能引起連接處的結(jié)構(gòu)變化，如簡體與加厚封頭的連接，通常需要對封頭進(jìn)行外削邊處理。當(dāng)厚度增加較多的時候，還有可能涉及到焊接結(jié)構(gòu)的變化；

2、整體以厚代薄，即使不會增加封頭與筒體連接部位的局部應(yīng)力，也會造成一些不利影響：（1）增大板厚，原設(shè)計選用的焊接方式、探傷方法及熱處理要求等可能發(fā)生相應(yīng)的變化；（2）板厚增大必然增加容器的重量，對容器的支座和基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響；

3、隨板厚增加材料許用應(yīng)力呈下降趨勢，以厚代薄有可能導(dǎo)致強(qiáng)度不足，必要時須進(jìn)行強(qiáng)度驗算；

4、換熱器主要受壓元件以厚代薄會增大溫差應(yīng)力，造成力系不平衡，必須重新進(jìn)行設(shè)計計算；

5、采用無縫管做筒體的小直徑換熱器，以厚代薄應(yīng)當(dāng)適量減小折流板外徑，并核對折流板外徑的減小量是否在允許范圍之內(nèi)；

6、不宜過分增厚開孔補(bǔ)強(qiáng)板，過厚的補(bǔ)強(qiáng)板容易引起補(bǔ)強(qiáng)板與簡體連接的外周較高的應(yīng)力集中，嚴(yán)重時可導(dǎo)致起焊角部位開裂；

7、以厚代薄可能導(dǎo)致受壓部件過大的厚度差，有可能影響射線探傷質(zhì)量，甚至使探傷失效，即使可以采取相應(yīng)的措施避免漏檢，制造成本會相應(yīng)的有所增加；

8、由于低合金鋼的高強(qiáng)度以及較差的可焊性及冷加工性能，采用低合金鋼代碳素鋼時，應(yīng)當(dāng)修改相應(yīng)的焊接工藝及參數(shù)，必要時修改相應(yīng)的熱處理要求；濕H2S環(huán)境和有應(yīng)力腐蝕開裂傾向的設(shè)備中，應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性隨著壓力容器用鋼強(qiáng)度級別的提高相應(yīng)增大，由于低合金鋼強(qiáng)度高于碳素鋼，但是抗應(yīng)力腐蝕性能不如碳素鋼，原則上不允許這類以高代低；

9、以高代低有可能產(chǎn)生改變對焊接工藝、焊接材料及焊工資格的要求，對于本身強(qiáng)度高可焊性差的材料，如果再用更高級別的材料代用，可焊性更差，焊接工作的難度將更大；

10、代用材料是否會產(chǎn)生改變熱處理狀態(tài)、無損檢測比例以及焊接試板等要求；

11、以高代低代用材料的強(qiáng)度級別是否影響到產(chǎn)品類別的劃分，如抗拉強(qiáng)度下限值是否超過540Mpa；

12、由于鍛件的綜合性能優(yōu)于板材.換熱器管板一般采用鍛件，如果用鍛件代板材，需要注意同材質(zhì)、同厚度、同設(shè)計溫度下鍛件與板材的許用應(yīng)力不同，必須考慮代用材料是否滿足原設(shè)計溫度下許用應(yīng)力的要求。

5、結(jié)語

本文闡述了材料代用的原則、程序及注意事項，為壓力容器制造行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員處理材料代用問題提供一些參考。由于目前條件局限，材料代用在壓力容器制造過程中不可避免，它直接關(guān)系到壓力容器的安全性能，因此遇到材料代用時必須取得原設(shè)計單位的書面批準(zhǔn)，方可實施代用。同時壓力容器設(shè)計、制造單位在慎重考慮各種可能影響壓力容器安全使用的情況后，方可決定是否進(jìn)行材料代用。

參考文獻(xiàn)

[1]TSG R0004《 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察容規(guī)》.中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布，2009.

[2]GB150-2011《壓力容器》中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗檢疫總局 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布，2011.

[3]GB151-1999《管殼式換熱器》.國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1999.

[4]JB 4736-2002《補(bǔ)強(qiáng)圈》.國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會發(fā)布，2002.

作者簡介

張紅軍（1974-）男，籍貫新疆，工程師，多年從事壓力容器設(shè)計、工藝檢驗工作.