淺談壓力容器制造中材料代用的分析

徐玉威　李輝　李梅

摘要：壓力容器設計中最重要的部分之一便是材料的選擇，它直接關系到壓力容器的質量和安全性，但由于設備制造過程中采購困難等因素的影響，材料代用現象普遍發生，常見的代用問題有：以優代劣、以厚代薄及其他問題，這些問題直接關系到容器的質量和安全以及投資建設方的經濟和管理問題，值得我們重視。

關鍵詞：壓力容器；材料代用；以優代劣；以厚代薄

如何進行正確的選材是壓力容器設計和創造中的第一步，也是直觀重要的一步。在壓力容器的設計和制造過程中，一旦材料選取不合適，會對容器的安全使用留下重大隱患。所以，在壓力容器選材上，要根據容器的具體使用條件，如設計的壓力和溫度、操作特征、介質特點等，來選取擁有合適力學、焊接和耐腐蝕性能等物理性能的材料。除此之外，選取材料時還要充分考慮其具體加工工藝和經濟性等其他因素。

1.材料代用的具體規定

在設備的設計和制造過程中，常常會出現材料采購困難或者出于經濟上的考慮，材料代用的現象經常出現在壓力容器的設計過程中。《固定式壓力容器安全技術監督規程（TSGR0004-2009）》以及《鋼制壓力容器（GB150-1998）》對材料代用做了相關規定。一般來講，主要要求如下：壓力容器的承壓部件在代用材料的選擇上，應和被代用材料有著相同或者相似的外形質量、化學成分、尺寸公差、性能指標、檢驗項目和檢驗率等。材料代用最基本的原則是：要絕對保證，在技術要求上，代用材料不得低于被代用材料，個別在檢測率或性能項目上要求不嚴格的代用材料，可以采取檢驗、測試的方式來選擇合適的代用材料。

2.以優代劣

壓力容器所用的全部金屬材料要具有優良的性能，包括材料的力學性能、耐腐蝕性、耐高溫性和制作工藝等。每一種材料的性能都是固定不變的，從性能比較的角度出發，常常會出現材料間的“優”和“劣”的問題。但每種壓力容器對對材料性能的要求在不同情況下也是不一樣的，所以，材料代用中的“優”與“劣”判斷從實際出發，具體問題具體分析。下面，筆者基于自身工作經驗，主要探討了幾種典型的“以優代劣”問題。

2.1壓力容器制作中，在強度、力學特征等機械性能方面，其常用到的低合金鋼盡管明顯優于碳素鋼，但其冷加工性能與可焊性都比不過碳素鋼。一般來說，強度級別高的，其冷加工性能與可焊性就較差，二者負相關。所以在進行這方面的代用時，應相應調整焊接工藝，在熱處理時也可能會有相應變化，應給予充分重視。

2.2材料代用時進行細致、周全的考慮，否則壓力容器實際使用中可能會出現各種安全隱患。比如處于濕硫化氫環境下及存在應力腐蝕開裂風險的設備中，容器對應力腐蝕開裂地敏感性隨容器使用的鋼材的強度級別的提高而增大，二者正相關。

2.3一般來說，不銹鋼的耐腐蝕性較出色，但在含有氯離子的環境下，其耐腐蝕性卻不如低合金鋼和碳素鋼。

2.4和普通不銹鋼相比，超低碳不銹鋼雖然具有價格優勢和良好的耐腐蝕性，但前者的高溫熱強性卻更為出色。一般情況下，為了提高耐腐蝕性，需降低含量，而為了提高高溫性，則要提高炭的含量。故而，此種情況下的“以優代劣”，要尤其精確設計設備溫度，如有必要，應當重新計算。

對鋼材來說，其化學成份上的微小差異都可能對其性能造成重大影響，所以要對待任何類型壓力容器鋼材的“以優代劣”問題都要予以充分重視，以免導致產品和原設計不符。

3.以厚代薄

“以厚代薄”常常使從平面應力狀殼體的受力態轉變為平面應變狀態，這對容器受力狀態來說，是有百害而無一利的，通常情況下，厚壁容器比薄壁容器更容易產生三向拉應力，進而產生平面應變脆性斷裂。

3.1對原設計中封頭和簡體間等厚焊接的容器，若對容器殼體的個別部件進以厚代薄，很容易增加殼體的幾何不連續情況，從而使封頭和簡體間的連接部位受到的局部應力增加，此時，對于有應力腐蝕傾向的容器來說，會造成很大的損害。可能會導致疲勞裂紋，嚴重的可能造成疲勞斷裂。

3.2在厚板替代薄板時，常常導致連接結構發生相應改變，例如，簡體與加厚的封頭連接時，通常需要對封頭進行削邊處理。對以管道為主要簡體構成的設備，若增加筒壁厚度，在封頭與簡體的連接部位也須對簡體側實施內削邊處理。在厚度增加較大時，往往也關系到焊接工藝的變化。

3.3容器殼體整體層面上的“以厚代薄”，雖然并不會造成簡體連接處和封頭的局部應力增加，但不了避免地，仍會導致一下不良影響。（1）厚度增加后，原來的殼體設計中的探傷方式和焊接工藝也要進行相應的改變，增加難度；（2）殼體厚度的增加必然使容器的重量加大，當容器重量增加過大時，必然會對容器的基礎和支座產生不利影響；（3）對殼體同時具有傳熱作用的容器，殼體厚度的增加肯定會影響其傳熱效果。

3.4鋼板的許應用力和其厚度緊密相連，《鋼制壓力容器（GBl50-1998）》指出，鋼材的許應用力隨著其板厚的增大而減小，二者負相關。例如20℃-150℃環境下，16MnR板厚由16ram變為18ram時，其許應用力則從170MPa降為167MPa，150℃時，20R的板厚由16mm變為18mm時，其許應用力則從135MPa降為125MPa。由此可知，以厚代薄很可能導致強度不夠，故而，對處于臨界狀態的以厚代薄，必須對驗算其強度。

3.5因為原件厚度與其剛性是成正比的，厚度越大，剛性越強，所以原則上不允許對撓性薄管板、波紋管和膨脹節等元件實行以厚代薄，以防止減弱補償變形的效果。

4.其他注意事項

進行材料代用時，應根據實際用材情況對焊接工藝進行適當的調整，一般調整原則為：用高級材料替代低級材料時，實驗和驗收仍可采用低級材料的標準，不用提高標準；不同材料的耐高溫性、韌度等性能不同時，進行最低水壓實驗時，其相應的溫度也可能發生改變，此時，要嚴格按GB150的相關規定執行；當板厚增加超過GB150所規定的冷卷厚度時，一定要對簡體進行消除應力的熱處理；鋼板的厚度達到一定水平時，還需要進行超聲探傷，必要時，提高水試驗的壓力。