材料代用在化工設(shè)備及壓力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

范文巧，代永濤

（煙臺(tái)國邦化工機(jī)械科技有限公司，山東煙臺(tái) 264000）

化工設(shè)備以及壓力管道設(shè)計(jì)中，積極利用待料代用，節(jié)省化工設(shè)計(jì)及壓力管道材料的同時(shí)，保證化工設(shè)備及壓力管道設(shè)計(jì)質(zhì)量。材料代用的具體應(yīng)用，必須嚴(yán)格遵循以高代低、以厚代薄以及以優(yōu)代劣等方式，增加化工設(shè)備耐腐性性。但是在實(shí)際應(yīng)用中，材料代用還需要不斷探索完善，其影響因素眾多，為了保證化工設(shè)備及壓力管道運(yùn)行，必須進(jìn)行針對(duì)性的材料代用研究。

1 材料代用在化工設(shè)備及壓力管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用選擇

化工設(shè)備的設(shè)計(jì)以及壓力管道的設(shè)計(jì)環(huán)境特殊，影響因素眾多，不僅周圍溫度較高，并且還會(huì)伴有各種有毒介質(zhì)。化工設(shè)備以及壓力管道設(shè)計(jì)中，必須選擇科學(xué)、安全以及實(shí)用的經(jīng)濟(jì)材料，充分滿足化工設(shè)備、壓力管道設(shè)計(jì)的環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性發(fā)展要求。化工設(shè)備與壓力管道設(shè)計(jì)中涉及到的材料主要包括兩種，金屬與非金屬。

1.1 金屬材料

金屬材料中主要包括不銹鋼材料與碳鋼材料。不銹鋼材料在壓力管道設(shè)計(jì)中，主要幫助管道設(shè)計(jì)避免受到酸堿的腐蝕。壓力管道設(shè)計(jì)多處于酸堿較強(qiáng)的環(huán)境中，如果管道材料不具備抗腐蝕性，管道遭受侵蝕，質(zhì)量下降，使用壽命縮短，材料成本增加，化工設(shè)備正常運(yùn)行受到影響。利用抗腐蝕性材料是壓力管道及化工設(shè)備設(shè)計(jì)的重要選擇[1]。不銹鋼金屬材料具有非常好的抗腐蝕性，不僅能夠有效預(yù)防化工設(shè)備被腐蝕，還能夠阻隔鐵離子的污染。與此同時(shí)不銹鋼材料焊接更方便，常用的不銹鋼材料主要包括304、316L、321。碳鋼材料的選擇，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在力學(xué)性能方面，低濃度H2SO4或者NaOH 情況下的化工設(shè)備或者壓力管道，碳鋼金屬材料是理想的選擇。但是碳鋼材料在應(yīng)用中如果遇到濃度高的腐蝕環(huán)境，其抗腐蝕性稍差于不銹鋼材料。對(duì)于壓力高腐蝕性強(qiáng)的較苛刻工況，可選擇碳鋼低合金鋼本體，不銹鋼襯層或是復(fù)合層既可滿足強(qiáng)度的要求，又可滿足耐腐蝕性要求，同時(shí)還可以降低成本。

1.2 非金屬材料

非金屬材料主要包括玻璃鋼、石墨。玻璃鋼屬于纖維強(qiáng)化塑料，在玻璃纖維中加入環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂以及不飽和聚酯，形成玻璃鋼。玻璃鋼密度1.8g/cm3。玻璃鋼在化工設(shè)備中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在抗腐蝕性好，面對(duì)任何強(qiáng)度的酸堿液體都具有抵抗能力。當(dāng)然也存在一些弱點(diǎn)，對(duì)高溫的抵抗力弱。玻璃鋼材料的應(yīng)用溫度不能超過60℃。壓力管道中通風(fēng)管道以及塔器、鈦設(shè)備等外殼都可以選擇玻璃鋼材料。石墨材料的應(yīng)用主要體現(xiàn)在化工設(shè)備外殼方面。石墨材料的形成經(jīng)過高溫淬煉而成，其自身有無數(shù)微小細(xì)孔。將石墨浸泡在酚醛樹脂中加以處理，石墨的高孔隙率得到彌補(bǔ)，不透性增加。石墨的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)在于耐高溫，具有較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)性，但是石墨抗拉強(qiáng)度不夠理想，所以在實(shí)際應(yīng)用中還需要根據(jù)化工設(shè)備與壓力管道具體情況而選擇。

2 材料代用在化工設(shè)備及壓力管道設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

由于我國壓力容器材料供應(yīng)方面的問題以及部分制造廠解決庫存材料的需要，制造過程中的“材料代用”是目前我國壓力容器建造中常見的現(xiàn)象，面對(duì)這種普遍現(xiàn)象，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》放寬了對(duì)材料代用的管理規(guī)定。材料選擇是設(shè)計(jì)過程中的重要技術(shù)內(nèi)容，應(yīng)作為設(shè)計(jì)質(zhì)量保證始終貫穿于壓力容器建造過程。盡管材料代用解決了一些壓力容器制造過程中的實(shí)際問題，但也引發(fā)了諸如職責(zé)不清、不當(dāng)代用等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在壓力容器的建造中，有必要詳細(xì)論證材料代用的可行性，慎重決定。在“以優(yōu)代劣”原則的情況下，還應(yīng)考慮如下因素：①代用材料的強(qiáng)度級(jí)別是否影響到容器類別的劃分。②材料對(duì)工作介質(zhì)的相容性。如應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等。③代用材料的設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力是否達(dá)到原設(shè)計(jì)的要求。④代用材料是否會(huì)產(chǎn)生如改變焊接材料、焊接工藝等。⑤代用材料是否會(huì)產(chǎn)生諸如改變熱處理狀態(tài)、無損檢測及焊接試板等要求。

1）壓力管道的材料代用中，同一材料厚代薄是基本原則。但是，對(duì)于高溫大口徑管道、設(shè)置有彈簧或者膨脹節(jié)管道、與敏感設(shè)備（壓縮機(jī)、泵、加熱爐）相連管道等，由于在其他設(shè)計(jì)條件不變的情況下，管道壁厚增加，會(huì)導(dǎo)致既有彈簧或膨脹節(jié)及敏感設(shè)備管口荷載超標(biāo)，對(duì)上述部件造成損壞。由于厚壁管道自重大，剛度大，還可能造成管架及生根的土建荷載超標(biāo)，管系柔性下降，不利于長期穩(wěn)定安全運(yùn)行。因此，在上述管道上進(jìn)行以厚代薄材料代用時(shí)，務(wù)必復(fù)核既有應(yīng)力計(jì)算，確保上述問題可控，否則不應(yīng)代用。

2）在壓力容器材料代用中，以厚代薄的應(yīng)用主要針對(duì)設(shè)備本體板，厚度與應(yīng)力成反比例關(guān)系，厚度增加的同時(shí)應(yīng)力隨之下降。結(jié)合這種現(xiàn)象，以厚代薄處理必須關(guān)注強(qiáng)度變化，確保厚度增加的同時(shí)，整體協(xié)調(diào)性不會(huì)出現(xiàn)變化。板厚的不同，會(huì)產(chǎn)生許用應(yīng)力的差異。在一定厚度期間范圍內(nèi)，許用應(yīng)力會(huì)隨著厚度的增加而降低。根據(jù)應(yīng)力下降差的對(duì)比，制定適當(dāng)?shù)牟牧洗梅桨浮＿€要注意，以厚代薄中必須確保強(qiáng)度核算準(zhǔn)確，否則材料代用會(huì)出現(xiàn)適得其反的現(xiàn)象。壓力容器中以厚代薄材料代用，剛性會(huì)明顯增加，這樣一來壓力容器的補(bǔ)償變形會(huì)受到影響，壓力容器出現(xiàn)焊縫開裂現(xiàn)象。以厚代薄的優(yōu)劣必須劃分清楚，以便落實(shí)材料采用方案。

3）再如煤化工的變換裝置或者煉油的加氫裝置，常存在濕H2S 應(yīng)力腐蝕環(huán)境。工程上目前常采用低碳鋼+抗氫處理（如20號(hào)鋼/Q235B）來解決此類問題，其主要抗腐蝕思路是降低鋼種硫、磷雜質(zhì)的含量，減少氫離子聚集空間進(jìn)而減輕應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，另外就是對(duì)焊縫進(jìn)行消應(yīng)力處理，降低拉應(yīng)力，進(jìn)而降低應(yīng)力腐蝕。但是，此類場合若采用16Mn（Q345R）代用，往往會(huì)加大應(yīng)力腐蝕傾向。因?yàn)镼235的屈服強(qiáng)度在235MPa，抗拉強(qiáng)度370～500MPa。而Q345的屈服強(qiáng)度在345MPa，抗拉強(qiáng)度490～675MPa。鋼材強(qiáng)度的升高，更容易導(dǎo)致加工過程中較大殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

4）再比如焊材代用，以某延遲焦化裝置為例，運(yùn)行時(shí)管線溫度在425℃以下，焊接材料為1Cr5Mo 同種鋼，管道焊材為熱507。由于現(xiàn)場環(huán)境對(duì)于焊后熱處理存在影響，因此在焊接時(shí)確定了焊接材料為奧氏焊接材料，并且焊接后不進(jìn)行熱處理。焊接1Cr5Mo 時(shí)應(yīng)用的奧氏焊接條，屬于低匹配焊接（母材強(qiáng)度高于焊縫）。

優(yōu)勢(shì)：

其一，奧氏體可與焊縫中存在的氫實(shí)現(xiàn)充分的溶解，進(jìn)而可有效降低近縫區(qū)氫的含量。

其二，焊縫金屬冷卻時(shí)具有極強(qiáng)的可塑性，同時(shí)強(qiáng)度也較小，這為焊縫拘束應(yīng)力的降低提供了條件。

其三，焊縫金屬缺少AF+P 類變相，當(dāng)焊接后冷卻至450℃左右時(shí)，拉應(yīng)力將不斷提升，進(jìn)而導(dǎo)致熱影響區(qū)域中的金屬出現(xiàn)奧氏體分解現(xiàn)象，同時(shí)氫散出強(qiáng)度將快速提升，這可有效避免冷裂縫的出現(xiàn)。

劣勢(shì)：

焊縫為完全混合位置中經(jīng)常出現(xiàn)大量Ni 層與C 層，均具有極高淬硬性，為各種形式脆斷與冷裂問題的出現(xiàn)埋下了隱患。這就需要對(duì)其使用范圍進(jìn)行極為嚴(yán)格的控制。高溫下長時(shí)間使用該種接頭，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)碳從母材轉(zhuǎn)移至焊縫現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)斷裂問題。對(duì)于這種情況，需要從焊接流程方面進(jìn)行完善，根據(jù)溫度變化情況，控制溫度壓力變化。

3 結(jié)束語

綜上所述，化工設(shè)備及壓力管道設(shè)計(jì)中，面對(duì)材料采購困難或者材料成本較高等情況，制定材料代用計(jì)劃，選擇更適當(dāng)?shù)牟牧洗嬖牧?。這其中涉及到材料成分、屬性、抗腐蝕性以及耐熱性等多方因素。制定材料代用的主要目的是減少材料成本的同時(shí)，保證化工設(shè)備及壓力管道的質(zhì)量。事實(shí)上，材料代用是壓力容器的一種設(shè)計(jì)變更，單純考慮“以優(yōu)代劣”的原則，仍然是產(chǎn)生安全隱患和管理混亂的主要因素，壓力容器的設(shè)計(jì)、制造單位必須充分協(xié)商，在考慮到各種可能影響壓力容器安全使用因素的情況下，慎重決定材料代用方案。