淺析石油行業(yè)壓力容器設(shè)計制造中的材料代用

呂明璐

摘要：本文針對石油行業(yè)壓力容器設(shè)計及制造過程中發(fā)生的材料代用問題進(jìn)行分析，主要從材料代用的規(guī)范要求、操作程序，材料代用常見問題等方面進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：壓力容器 材料代用 許用應(yīng)力

在石油行業(yè)壓力容器的設(shè)計及生產(chǎn)制造過程中，材料代用是一個非常常見的現(xiàn)象。最常見的原因是由于制造商在采購過程中無法采購到設(shè)計規(guī)定的材料，或是制造商的現(xiàn)有庫存與所需材料的不符合，出于經(jīng)濟(jì)考慮為快速消除庫存，減少采購流程而選用的一種手段。石油行業(yè)壓力容器的設(shè)計階段，選材是非常關(guān)鍵的一步，設(shè)計者在設(shè)計階段，選材是非常慎重的，一旦選用的代用材料不合適，會對壓力容器的質(zhì)量和安全使用產(chǎn)生非常大的隱患。

一、石油行業(yè)壓力容器制造過程規(guī)范要求及程序

《固容規(guī)》中規(guī)定：壓力容器制造過程中對主要受壓元件的材料代用，應(yīng)當(dāng)取得原設(shè)計單位的書面批準(zhǔn)，且要在壓力容器的竣工圖紙上做出詳細(xì)的記錄。

在選擇代用材料時要按照一定的程序來進(jìn)行。一，應(yīng)由制造單位填寫相應(yīng)的材料代用申請單，在申請單中，應(yīng)該要明確標(biāo)注材料的代用原因、代用規(guī)格型號、代用數(shù)量、代用品牌等等。材料代用單要經(jīng)壓力容器制造商的技術(shù)責(zé)任師簽字生效。二，要將材料代用單報送至原壓力容器的設(shè)計單位，經(jīng)過原設(shè)計單位書面批準(zhǔn)執(zhí)行。若原壓力容器的設(shè)計單位不同意這一材料的代用，則不可選取代用。三，在壓力容器制造完成后，壓力容器制造企業(yè)制作出廠質(zhì)量證明文件和竣工圖紙中必須要詳細(xì)的說明材料代用的情況，將代用材料的規(guī)格型號、代用位置、代用材質(zhì)都要詳細(xì)注明。材料代用申請單必須隨其他的資料一起歸檔，按照相關(guān)的規(guī)定存放在相應(yīng)的設(shè)備檔案中。

二、石油行業(yè)壓力容器制造過程中材料代用常見情況

（一）以厚帶薄

以厚帶薄指的是在材料的性能相近或相同的情況之下，選用相同鋼號規(guī)格較厚的材料來代替規(guī)格較薄的材料。然而在實(shí)際的操作中，以厚帶薄并不是單純的指厚度越厚的材料強(qiáng)度就越高，表1中列出了在不同溫度下Q345R鋼板的許用應(yīng)力。

從表1中可看出，隨著Q345R鋼板的厚度增加，許用應(yīng)力呈現(xiàn)下降的狀態(tài)。例如在當(dāng)設(shè)計溫度在200℃時，16mm厚度的Q345R鋼板的許用應(yīng)力為183MPa，而18mm厚度的Q345R鋼板的許用應(yīng)力則下降為170MPa。很顯然，Q345R鋼板厚度的增加并不能帶來強(qiáng)度的增加，反而會因厚度的增加導(dǎo)致強(qiáng)度不夠。

以較厚的材料代替較薄的材料時，有可能會引起連接處結(jié)構(gòu)的變化，還可能導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的變化。因此，在選擇材料代用時，不能簡單的只考慮以厚帶薄就可，而應(yīng)取得原設(shè)計單位的書面批注，由原設(shè)計單位根據(jù)實(shí)際情況綜合的考慮代用是否可行，并對焊接的方式、探傷的方式等做出相應(yīng)的調(diào)整，才可以執(zhí)行材料代用。

（二）以高帶低

以高帶低指的是選用級別或者性能相對好的材料來代替級別較低或性能相對較差的材料。這種材料代用的選取，可能提升壓力容器的整體性能，在實(shí)際使用中，能保證壓力容器性能的穩(wěn)定性。然而在實(shí)際操作中，材料的好與壞、高與低是相對的，不能單純的從化學(xué)成分或是價格的高低來決定某種材料的好與壞的。例如表2中列出了在不同溫度下Q345R和16MnDR鋼板的許用應(yīng)力。

Q345R和16MnDR的化學(xué)成分極其類似，而且16MnDR的市場價格要高于Q345R，但是從表中可以看出，當(dāng)溫度高于150℃的情況之下，16MnDR的許用應(yīng)力迅速下降，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時，Q345R的許用應(yīng)力已經(jīng)高于16MnDR的許用應(yīng)力了。很顯然，如果在200℃以上時，用16MnDR直接代替Q345R就無法保證硬度的要求了。此時材料代用就需要上報給原設(shè)計單位進(jìn)行重新核算，根據(jù)原設(shè)計單位的書面批復(fù)決定是否接受材料代用，只有經(jīng)過原設(shè)計單位的審批通過，才可以按照代用材料進(jìn)行生產(chǎn)。

三、石油行業(yè)壓力容器制造過程中材料代用的注意事項(xiàng)

在材料代用的實(shí)際操作中，首先要根據(jù)材料的實(shí)際情況，對后續(xù)的焊接工藝及焊接用材料進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保證后續(xù)選擇焊接材料和焊接工藝的準(zhǔn)確性。在材料以厚帶薄時，對壓力容器的結(jié)構(gòu)形式會產(chǎn)生一定的影響，例如，當(dāng)封頭材料以厚帶薄時，制造過程中就要對封頭進(jìn)行外削邊處理，以避免連接處的結(jié)果產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)代用材料厚度過度增加的時候，就需要考慮是否要調(diào)整焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式，例如，殼體之間的焊縫從原來的單向V型坡口變?yōu)殡p面X型坡口。材料代用過程中，要對設(shè)備強(qiáng)度進(jìn)行重新計算和驗(yàn)算，避免因許用應(yīng)力的變化而導(dǎo)致設(shè)備強(qiáng)度不能滿足要求。

除了以上注意事項(xiàng)外，還應(yīng)該充分考慮經(jīng)濟(jì)性的問題，因?yàn)椴牧洗糜绊懺O(shè)備的成本，尤其是當(dāng)設(shè)備的主體材料發(fā)生代用時，應(yīng)該慎重考慮代用的可行性。

四、總結(jié)

石油行業(yè)壓力容器是屬于特種設(shè)備，其設(shè)計和制造的質(zhì)量直接關(guān)系到國家和人民的生命財產(chǎn)安全，所以材料的選擇是否合適是重中之重。材料代用的相關(guān)審核人員在收到材料代用申請時，不能單純的認(rèn)為以高帶低，以厚帶薄就是可行的，要充分考慮各種可能產(chǎn)生的問題，避免造成安全隱患。由此可見，材料代用操作的重要性和存在的風(fēng)險性，石油行業(yè)壓力容器的設(shè)計單位和制造單位應(yīng)該逐漸完善壓力容器的設(shè)計制造管理體系，增加生產(chǎn)專業(yè)化，加強(qiáng)管理設(shè)備材料的供應(yīng)鏈，盡量減少材料代用的發(fā)生，確保壓力容器制造的安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王娜.壓力容器設(shè)計制造中的典型問題及對策[J].化工管理.2020，（02）.

[2]劉亞楠.壓力容器設(shè)計制造中的熱處理問題分析[J].鹽科學(xué)與化工.2021（03）.