壓力容器材料代用問題探討

張興虎（山東百特機械設備有限公司，山東臨沂276600）

壓力容器材料代用問題探討

張興虎（山東百特機械設備有限公司，山東臨沂276600）

本文以材料代用的一般原則、常見材料代用問題以及代用程序這幾方面進行闡述。

壓力容器；材料代用；制造；

壓力容器設計的首要問題是材料的選擇，對于給定工況選擇合適的材料是設計工程師的責任，材料選擇涉及方方面面，是一個很復雜的難題，不管是在容器設計中還是制造過程中材料選擇不正確，都會給容器的安全性能埋下隱患。所以壓力容器用鋼時應充分考慮容器的使用條件、材料的性能、容器的制造工藝以及經濟合理性。本文沒有特殊說明時，材料都是指的鋼材。

一、材料代用規定及一般原則

在壓力容器設備制造過程中，由于設計圖紙規定的材料沒有、對某元件加工困難或者采購困難等問題而引起的對用現有的材料代用原設計規定的材料，在設備制造過程中材料經常發生。《固定式壓力容器安全技術監察規程》TSGR0004-2009中第2.13條和壓力容器GB150.2-2011中第3.14條及GB150.4-2011中第4.3條都對材料代用提出了有關規定，區別是受壓元件材料代用GB150規定的范圍更大。

壓力容器材料代用應遵循的一般原則有：受壓元件代用鋼材的技術要求或實物性能水平（包括交貨狀態、化學成分、檢驗項目、性能指標和檢驗率以及外形質量和尺寸公差）不低于被代用鋼材；個別材料性能或者檢測率略低的可以通過增加檢驗項目和數量或者提供檢測率來代用；升級代用，應考慮經濟合理性。實際材料代用時應從下面幾點考慮：

1.代用材料的力學性能、化學成分、耐腐蝕性能（如耐應力腐蝕、晶間腐蝕等）及物理性能對設計條件（溫度、壓力、介質、結構）的是否合適。

2.代用材料的制造加工工藝技術是否合適（尤其要注意焊接工藝、焊接材料、焊后熱處理等）。

3.代用材料與原圖紙中規定的鋼材在鋼材標準上差別性（如性能指標、化學成分、檢驗率、檢驗項目等）。

4.不同類型的鋼材的代用，要考慮電負性差異較大時可能引起的電偶腐蝕、異種鋼焊接以及膨脹系數差異所引起的熱應力等問題。

5.代用材料的經濟性。

二、材料代用出現的問題

工作當中常遇見的材料代用問題大致有：以優代劣和以高代低、以厚代薄和其他問題。

現實工作中有的情況可以從材料的強度性能指標、材料價格方面簡單的確定好壞，但有的情況截然不同，會進一步造成容器設計的改變，影響容器的安全，應給予重視。筆者在工作中積累了一些經驗，對材料代用要注意的地方和出現的問題做了一些總結。

1.以優代劣和以高代低問題

一種材料的性能在某一方面優于另一種材料，但某些方面可能劣于另一種材料，在壓力容器某種工況及環境下對材料性能的要求也不同，所以材料代用考慮材料性能“優”和“劣”問題判斷要從實際情況著手。這方面的實例在壓力容器上是常見的。

（1）材料以優代劣時，要注意工作介質對材料的相容性：如化工設備用碳素鋼雖然在強度性能方面沒有低合金鋼優良，但其抗SCC（應力腐蝕）強于低合金鋼，且價格還低于低合金鋼，對（SCC）抗腐蝕能力一般隨材料的強度級別的提高而降低，比如對于液氨、硫化氫腐蝕環境，如果此情況用Q345R等低合金鋼代替Q245R和Q235系列的鋼材就更容易問題；

如在某些工況環境下奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能還不如碳鋼，如含有氯離子的介質的工況。

（2）超低碳不銹鋼（如S30403）耐高溫性能不如普通的奧氏體不銹鋼（如S30408），雖然前者價格和耐腐蝕性后者。GB150.2中第3.3.3條規定奧氏體不銹鋼的使用溫度高于525℃時，鋼中含碳量應不小于0.04%。

（3）碳素鋼的強度等機械性能指標雖然低于低合金鋼的，但其冷加工性能與可焊性好。所以此材料代用要考慮其焊接工藝、熱處理的變更。

（4）當用強度值高的螺栓材料代用強度值低的螺栓材料時，法蘭厚度由預緊力決定的，所以可能法蘭厚度就可能不夠，得重新計算。

（5）同種材質鍛件和板，鍛件的總體性能比板材要好，但在相同條件下，鍛件的許應用力略低于板材，若鍛件代用板材，應考慮強度是否滿足，重新計算。

（6）代用材料為高強度時，應根據圖紙中結構考慮是否影響設備結構、制造要求等技術條件。

2.以厚代薄問題

從殼體受的應力分析上來看，以厚代薄對容器受力有害無益的，但現實壓力容器制造過程中確實存在的。我們應該注意一下問題（以相同標準、相同牌號的材質以厚代薄為背景）：

（1）對設備殼體同一厚度時，假如只對封頭材料加厚，一定加大了厚薄連接處的不連續應力，這種情況對于有應力腐蝕、疲勞載荷的設備危害很大。

（2）在厚板替代薄板時，常常導致連接結構發生相應改變，比如連接處厚板削邊處理、焊接坡口型式改變、焊接工藝改變等。

（3）設備殼體整體加厚，會帶來某些不好的影響：如原圖紙中對殼體的無損檢測方法及比例、焊接工藝是否適應；設備重量一定增加，對設備基礎和支座受力有一定的影響；對夾套這類設備殼體兼做傳熱元件，其殼體加厚度會一定程度的影響傳熱效果。

（4）設備受壓元件用材料以厚代薄，可能產生諸如材料供貨狀態、鋼板超聲、制造過程中熱處理（包括恢復材料性能熱處理）及焊接試板等要求。

（5）材料加厚有可能引起設備強度不夠。例如100℃時，Q245R板材厚度16mm時的許應用力為147MPa，而Q245R板材厚度18mm時許應用力降為140MPa，由于許用應力的降低，厚度增加反而可能引起強度不夠。

圖一：服務器利用率圖例

圖二：服務器安裝、維護用時對比

圖三：服務器節能降耗對比

計算公式：（8KW/H*24小時*365天）-（3KW/H*24小時*365天）=43800KW

按照工業用電0.95元/度計算，全年可節約4.1萬元電費。同時還可節約機房空間，并且提高管理水平降低維護成本。

五、結語

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（6）對于補強圈一般不建議厚代薄，如果加厚造成補強圈與殼體焊接處的不連續應力增大應力集中更高。

3.其他問題

（1）代用鋼材力學性能優于原鋼材時不得減薄代用鋼材厚度；代用鋼材力學性能略差與原鋼材時也不得增加代用鋼材的厚度，并應重算。

（2）材料代用時必須考慮其材料在設計溫度下的許用應力是否能滿足強度要求。比如在250℃時，用S30403代替S30408就得考慮強度是否滿足，因前者在250℃時的許用應力為103MPa，后者相應溫度的許用應力為122MPa。

（3）關于撓性管板、爆破片和膨脹節等這類零件原則上不允許“以厚代薄”、“以優代劣”，尤其不允許“以厚代薄”發生，防止此類元件性能降低甚至破壞。

（4）對外壓容器材料代用時應注意：在彈性失穩范圍內，臨界壓力和材料的屈服極限無關，僅材料的與彈性模量、泊松比和設備的幾何參數有關，此時高強度材料代低強度的無用；在非彈性失穩范圍內，臨界壓力與材料的屈服極限相關，此時高強度材料代低強度的有用。

（5）中外牌號材料代用，兩者牌號的對照關系、相近關系、不同類型關系應不同對待。

（6）材料代用后，可能引起設備整體的耐壓試驗壓力大小變化，必須嚴格按《壓力容器》標準有關規定實施。

（7）不同類型的材料代用帶來的問題比較復雜，實際工作中盡量少用。

三、材料代用一般程序

受壓元件的材料代用手續有：①代用的材料必須符合壓力容器用材的相關要求，由采供部（供應部）填寫材料代用申請單；②材料代用申請單送往設計部門由設計人、各責任人會簽，簽寫意見，并和材料復驗報告或質量證明書一起由主管負責人審核批準；③材料被代用前一定要獲得圖紙設計單位的紙面同意；④在容器的竣工圖和出廠合格證上做詳細記錄。

非受壓元件（支座墊板、吊耳墊板和裙座等相識的焊接件材料代用手續按受壓元件材料代用的規定）也應填寫材料代用申請單由有設計資格的制造單位自己審批，制造單位及審批人應對其代料后的容器質量負責。

材料代用單及申請單必須隨其他資料一起歸檔，按規定的方法放入相應產品檔案內。

四、結語

我國鋼制壓力容器規則設計標準（GB150）主要采用彈性失效準，它其實重視的是材料塑性和韌性，所以對材料力學性能的要求，我們直觀上考只慮強度是錯誤的。塑性和韌性一般隨強度或厚度的提高而降低，所以一味的提高強度或厚度可能造成由“優”變“劣”。壓力容器的材料代用牽連著各方面，比如：技術問題，安全問題、經濟效益、成本問題等。我們應該認識到，在不違反規范、標準規定及材料代用程序下，我們要綜合考慮各方面來選用代用材料。其實不管材料代用是哪種類型的，實質上是對原來設備設計的變更，我們必須給予足夠的重視。

［1］王非，化工壓力容器設計：方法、問題和要點（第二版），北京：化學工業出版社2009.

［2］戴季煌，陳澤溥，朱秋爾等，承壓設備設計典型問題精解，北京：化學工業出版社，2010.

張興虎（1983—），男，山東省濟寧市人，工作單位：山東百特機械設備有限公司，職務：壓力容器設計員。