對壓力容器制造中材料代用的探討

劉佩銘(中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院, 吉林 吉林 132002)

對壓力容器制造中材料代用的探討

劉佩銘(中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院, 吉林 吉林 132002)

本文主要對壓力容器建造中材料代用問題進行探討。

壓力容器；材料代用

在壓力容器制造中，材料代用現象經常發生。原因可能是制造廠合理利用現有的庫存、為了加快制造的進度、減少材料采購訂貨的周期，也可能是設計所需的材料用量少，采購困難等原因。材料代用是工程建設中不可避免的正常現象。

面對這種現象，TSG21-2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱固容規)做出了明確的規定，“壓力容器制造、改造、修理單位對受壓原件的材料代用，應當事先取得原設計單位的書面批準，并且在竣工圖上做詳細記錄”。質量的保障是以材料的選擇為基礎的，也是設計過程中需要考慮的重要問題，從壓力容器的設計、生產、使用直到維護，都應遵循此規定。雖然在應對應對壓力容器在制造、改造過程中遇到的一些實際問題，可以通過材料代用解決，但也會有某些問題的存在，如因考慮不周全或考慮不當等因素引發的問題。所以，在壓力容器的制造過程中，建造單位必須要慎重提出材料代用申請，設計部門要綜合考慮各種因素再做決斷。

1 對壓力容器制造中材料代用的探討

當某種材料的某些性能優于另一種材料時，并不意味著這種材料的所有性能都優于另一種材料。判斷一種材料能否有效替代另外一種材料，應根據設備使用情況及載荷條件，對兩種材料的化學性能、力學性能、物理性能、可焊性及其他冷熱加工性能、與盛裝介質的相容性以及經濟合理性進行全面綜合的分析比較。

現就材料代用探討如下：①材料對工作介質的相容性。以Q345R與Q245R、Q235系列鋼板對比為例，前者的力學性能優于后者，但是Q245R、Q235系列鋼板抵抗應力腐蝕的能力優于Q345R。因此作為設計人員當收到Q345R代替Q245R、Q235系列鋼板的代用申請時，要進一步了解這臺設備是否存在應力腐蝕。②材料許用應力值的差異。代用材料在設計溫度下的許用應力是否能達到原設計的要求，尤其對不銹鋼間的代用更要慎重。

例如S30403比S30408有更低的含碳量，有更好的耐腐蝕性，在常規情況下，可以代替S30408使用，但由于許用應力值的差異，仍需考慮設計溫度下材料能否滿足設備的強度要求。通過表1的比較可以看出，相同溫度下，S30408的許用應力比S30403高，當溫度大于450℃時，S30403已經不建議使用。故當選用S30408設計時，如直接用S30403代用，很可能造成強度不夠，需通過強度計算來校核，確定可行性。

表1 兩種鋼材的許用應力表

通常情況下，板厚的增加，材料許用應力呈下降趨勢，如Q345R，由16 mm增加到18 mm，許用應力由170 MPa下降到163 MPa；Q245R在100 ℃下由16 mm增加到18 mm時，許用應力由132 MPa下降到126 MPa。這在封頭制造時尤應引起注意，因為在封頭下料時往往都要增加一定的毛坯厚度來保證沖壓后封頭的最小厚度，結果有可能導致沖壓后的封頭強度不足。因此，當處于這些臨界狀況下的厚代薄時，還必須對強度進行驗算。

③對特殊結構材料代用的考慮。如固定管板熱交換器管板的強度計算中，應考慮幾種工況及溫差組合來計算出的管板應力、殼體軸向應力、換熱管的軸向應力、管板和管束之間的拉脫力，只要有工況不符合強度要求，就需要考慮設置膨脹節或采取其他對應措施。因此設計人員在收到此類代用申請時，必須校核換熱管、殼程圓筒、管板等零件的材料是否符合強度要求，還須充分考慮到替代材料在設計工況下的許用應力以及彈性模量與原材料的差異對殼程圓筒、換熱管、管板之間是否有不利影響。

如代用申請涉及到膨脹節、波紋管、撓性薄管板和薄管板等元件，采用厚代薄并非合適，原因是隨著元件的壁厚增加，其剛度也隨著增大，因此削弱了變形形變的效果。

對于常見的開孔補強圈的代用申請，也需要注意不宜過度采用“以厚代薄”，因為補強圈厚度增加，會在補強圈與殼體連接的周邊將形成很高的應力集中，易產生焊趾部位的應力開裂。

2 代用材料對焊接工藝、焊接接頭，熱處理狀態的影響

材料代用可能使同種材料的焊接變為異種材料之間的焊接，焊接材料的選取也因此會產生變化，須考慮采取不同的焊接工藝，改變預熱溫度和層間溫度，以及是否需要增加熱處理要求或者需要焊后熱處理。

當代用材料的過度厚增時，需要考慮是否調整焊接接頭結構形式，如殼體之間的對接焊縫都有可能從原來的單向V型坡口改為雙面的X型坡口。

應對強度級別較高的材料代用申請時，需要格外注意材料的可焊性，往往焊接性能越差的，就是強度級別越高的，如果不想增加焊接的難度，則不應再用更高級別的材料代用。

除了考慮上述問題外，還應考慮成本增加及經濟性的問題，因為材料代用可能增加設備的成本，尤其是在設備主體材料使用材料代用時，更應慎重權衡。

3 結語

生產安全至關重要，雖然材料代用是壓力容器設計上的一種變更，但其只是材料的替換，遵循以優代劣的原則，在壓力容器設計上，制造單位必須充分考慮各種可能影響壓力容器使用安全的因素，慎重設計選擇材料代用方案。隨著材料的升級換代，壓力容器的設計建造過程中，材料代用的現象會越來越少。

[1]李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[2]TSG 21-2016固定式壓力容器安全技術監察規程[S].

[3]GB150.2-2011 壓力容器[S].