壓力容器設(shè)計中對材料代用的分析

周斌 代智文 張振慶

摘 要：材料的代用雖然方便了壓力容器的制造過程，但不利于其后續(xù)使用、檢驗和維修改造。在個別情況下，材料代用可以比較簡單地按照其強(qiáng)度性能及價格優(yōu)劣來確定，但有些情況卻相反，將涉及一系列問題的變更，甚至關(guān)系到容器的安全使用，所以我們應(yīng)該予以足夠的重視。

關(guān)鍵詞：壓力容器設(shè)計;材料代用;選材;安全

一、概述

在化工壓力容器設(shè)計中，材料及其影響因素是設(shè)計中的難點，要考慮使用工況、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、材料的可加工性及其經(jīng)濟(jì)性。任何情況下材料的代用，都是壓力容器設(shè)計的變更，都有可能重新強(qiáng)度計算、重新考慮設(shè)計方案。

二、“以優(yōu)代劣”的問題

一種材料在某一方面的力學(xué)性能“優(yōu)”于另一種材料的同時，有可能在其他方面“劣”于另一種材料，壓力容器設(shè)計中的“材料代用”，要圍繞設(shè)計中具體的“需求”來展開，在材料代用問題上的“優(yōu)”或 “劣”的判斷，要具體問題具體分析，不能一概而論。成分決定組織，組織決定性能，性能決定選用或代用，所以，要綜合理解并正確選用或代用鋼材技術(shù)條件。

1.低合金鋼代用碳素鋼的分析：壓力容器用鋼中的低合金鋼的強(qiáng)度性能方面要優(yōu)于碳素鋼，價格相應(yīng)也高于碳素鋼，但其冷加工性能可能不如碳素鋼好，鋼的過量塑性變形引起晶格扭曲，降低鋼的塑性和韌性，產(chǎn)生冷作硬化。這樣的“以優(yōu)代劣”會引起熱處理要求的變化，需要引起注意;而且低合金鋼的應(yīng)力腐蝕性能不如碳素鋼好，隨著壓力容器用鋼強(qiáng)度級別的提高，其相應(yīng)地應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性也加大，材料代用的時候如果不考慮應(yīng)力腐蝕開裂將會對壓力容器的安全使用留下隱患。有人可能提出為防止應(yīng)力腐蝕開裂對材料進(jìn)行焊后熱處理，但這個辦法增加了制造成本和難度，可以提前在介質(zhì)、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和焊接工藝方面得到控制，而不是一味的進(jìn)行焊后熱處理。

2.不銹鋼是很好的耐腐蝕性材料，但在含有CL-介質(zhì)的場合，不銹鋼的耐腐蝕性能反倒不如碳素鋼和低合金鋼。

3.低溫用鋼鋼材用于高溫場合，耐熱性能差，而且價格還高，低溫性能好不代表高溫性能也好。

4.鍛件代用板材的分析：對于換熱器管板，鍛件的綜合性能優(yōu)于板材，所以一般采用鍛件，但是在<60mm以下時也可選用板材，但要注意同一材質(zhì)、同一厚度、同一設(shè)計溫度下板材與鍛件的許用應(yīng)力是不同的。

如：16Mn鍛件，橫截面尺寸≤100mm，t≤100℃，[σ] t為178MPa; Q345R板材，厚度為>36～60mm，t≤100℃，[σ] t為181MPa。所以，板材改為鍛件時，要重新校核管板的厚度。

5.換熱管殼體，換熱管的材料代用對其線膨脹系數(shù)的分析：

6.當(dāng)管/殼程存在較大的溫差時，一般情況下管/殼程可選用線脹系數(shù)相差較大的材料，其原則為：當(dāng)管子溫升較大時，選材時應(yīng)使管子材料的線脹系數(shù)小于殼程圓筒材料的線脹系數(shù);當(dāng)殼程圓筒的溫升較大時，選材時應(yīng)使殼程材料的線脹系數(shù)小于管子材料的線脹系數(shù)。

7.當(dāng)管/殼程存在較小的溫差時，一般情況下管/殼程可選用相同的材料。

8.超低碳不銹鋼的價格和耐腐蝕性能雖然優(yōu)于普通不銹鋼，但是耐熱性能卻不如普通不銹鋼。

9.同樣是不銹鋼，脆性轉(zhuǎn)變溫度不同，應(yīng)用場合也不同。如：0Cr13Al的低溫界限是>-20℃，就是基于這一因素。

10.低溫不銹鋼的代用，注意設(shè)計溫度下的沖擊試驗，Ti元素的加入可能在低溫環(huán)境下產(chǎn)生少量鐵素體，C使材料強(qiáng)度提高。由于C的增加和Ti的加入可能使材料的低溫沖擊韌性降低。

三、“以厚代薄”的問題

同種材質(zhì)間的“以厚代薄”的問題，這種實數(shù)不合理的情況，原因是由于板厚的增加，相應(yīng)的許用應(yīng)力會降低，之后的強(qiáng)度計算有可能會不合格，所以要重新計算強(qiáng)度。

1.加厚封頭，會形成殼體的不連續(xù)，造成局部應(yīng)力，對于有應(yīng)力腐蝕開裂傾向的容器和交變載荷的容器是很不利的，雖然有削薄厚板邊緣的要求，但只能降低局部應(yīng)力，而不是完全消除。

2.JB/T4736-2002標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于補(bǔ)強(qiáng)圈的最大厚度要求是30mm，而在設(shè)計中標(biāo)出32mm或34mm，是錯誤的，材料代用過程中也往往出現(xiàn)類似問題。

3.壓力容器殼體整體加厚，會相應(yīng)增加焊接要求、無損檢測要求，熱處理要求及相應(yīng)焊接試件的要求;殼體增厚對換熱器殼體來說，降低其傳熱效果;增厚殼體，支座及基礎(chǔ)受力不佳。

4.換熱器管和殼體的厚度增加，相應(yīng)增加了溫差應(yīng)力，需要重新校核管板應(yīng)力、殼體軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管與管板間的拉脫力，一項不合格都要加膨脹節(jié)或采取其他措施。

5.不允許“以厚代薄”。當(dāng)材料以厚代薄處理后，將會給設(shè)備帶來諸多意想不到的問題。比如材料的變化，應(yīng)力的變化，強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的變化，焊接、熱處理、無損檢測的變化等。

四、結(jié)語

上述討論了壓力容器設(shè)計中的材料代用問題，我們可以看出，十分有必要強(qiáng)調(diào)壓力容器選材的原則，對材料性能的要求來說根據(jù)需要來要求，而不是單一的“優(yōu)”或“劣”來評定材料的性能，所以無論何種材料的代用，本質(zhì)上都是壓力容器設(shè)計方案的變更，都要重新計算，重新考慮設(shè)計方案。而不是為了圖方便而埋下了隱患。而且對于壓力容器設(shè)計采用這個環(huán)節(jié)的實施，必須要設(shè)計人員簽署同意才可以的。

上面的一些論述希望同仁在壓力容器設(shè)計制造中能對材料代用的問題上予以足夠的重視，保證人民的生命和財產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

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[4] JB/T4736-2002《補(bǔ)強(qiáng)圈》，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.