淺析壓力容器設計制造材料代用問題

田子元　韓東

[摘要]在壓力容器設計制造之初，由于設計人員根據設計需求，會需要一些特定的、特殊的材料。但是這些材料在市場上并不多見，或存量不足，或缺貨，給采購工作帶來較大難度。在這種情況下，材料代用就產生了。本文就材料代用中“以優代劣”、“以厚代薄”展開了分析，以期提供一定的參考。

[關鍵詞]壓力容器 設計制造 材料代用 問題

引言

在壓力容器的設計制造中，選擇代用材料時，要對被選用材料的材質、厚度等方面進行綜合考量。盡管在材料代用過程中，通常會采用好替差、厚替薄辦法，但是這并不能夠很好地解決存在的問題。只有在根本上探索最為合適的材料，其性能才符合壓力容器設計制造的需求，才不會影響整體設計方案的執行。

一、材料代用中的“以優代劣”問題

在材料代用中，代用材料的選擇非常關鍵。在壓力容器的設計制造中，金屬材料被用來做代用材料顯然有更好的優勢。這些被選中的材料具備耐高溫、耐腐蝕的作用，而且從力學和制造工藝方面考慮，也是較為理想的。但是，有些材料盡管在有些方面具備優勢，卻在其他方面可能存在缺陷。所以，在材料選用中，面對這些問題，要盡量揚長避短。比方說，對于強度很高的代用材料而言，它的可焊性怎么樣也是個問題。由于這種類型的材料，通常可焊性都比較差。所以，在這樣的條件下，假使以強度更高的材料來替代，這不僅會增加焊接難度，還會產生相應的問題來。有鑒于此，需要采取更改材料的措施，避免這方面因素帶來的不良影響。

在壓力容器設計制造中，使用低合金鋼的時候，盡管在價格與強度方面比碳素鋼更好，但是冷加工時的性能就要比碳素鋼更差。據我們所知，通過對鋼進行塑性和變形處理時，如果超過一定程度，可能產生晶格扭曲，冷作硬化現象。這樣的條件下，采取“以優代劣”的方式，就要求熱處理也相應地變化才行。

在“以優代劣”的材料代用中，不能單純地進行材料選擇。以為好的材料用來替代差的材料就一定行得通，卻不知材料性格各異，合適最好。所以，要根據具體的情況來選擇代用材料。比如鎮靜鋼的使用，它的強度和價格都要明顯比沸騰剛更好，如果比較二者在搪玻璃容器制造中的性能，就不是那么一回事了。又如，在耐腐蝕性方面比較優秀的不銹鋼，如果有氯離子的作用，這種性能就要比碳素鋼和低合金鋼還要差。同樣，一般的不銹鋼在耐腐蝕性與價格方面都比超低碳不銹鋼更差，但是他的高溫熱強行更優秀。

通常講來，只有降低鋼材料中碳的含量，才能夠使材料的耐腐蝕性得到增強。但是，材料中碳的含量高，卻能使其高溫性更好。所以，在壓力容器設計制造的實際情況中，采取“以優代劣”的方式時，應根據不同的情況來進行選擇。如果有需要，則要對其進行相關的計算才能決定。

二、材料代用中的“以厚代薄”問題

在壓力容器的制造過程中，由于制造方面的特殊原因，制造方可能會在盡可能遵守相關規范的條件下，選擇“以厚代薄”的材料代用方式。按照制造方面的理論，這種方式并非很合理，但卻在實際情況中屢有出現。采用這種代用方式，容器的殼體就會受力，并由平面應力變為平面應變的狀態。這樣的結果，無疑會對容器造成傷害，導致容器在相關方面的力的作用過程中，產生脆性斷裂的現象。所以，這種材料代用方式還是存在著不少問題，需要去分析和改善。

在材料代用選擇過程中，不少零件不能成為被選擇對象，特別是像爆破片、撓性管等零件。它們不能夠直接出現在“以優代劣”的方式中。如果真的要選用，也需要對其進行相關的生產處理后，才能應用。處理這些零件也要在材料代用的實際情形下進行，通過對其計算，削減其厚度，使厚度值在規定范圍內。這個環節相當重要，如果不予以重視，甚至直接跳過這個步驟，可能導致容器元件及鄰近的零部件失效。

當使用厚的取代薄的時候，會導致連接結構方面產生一定的改變。所以，將簡體同封頭連接，一定要計算檢測封頭的厚度，如果厚度超過需求范圍，就應當進行適當的削邊處理。厚度不僅同連接結構相關，還能對焊接結構產生影響。這可能導致接管、殼體焊縫、接焊縫等由單v型轉化為x型的破口，在很大程度上改變了焊接的結構。在使用開孔補強板的過程中，如果板身太厚的話，外周的應力集中就會偏高，導致焊接處開裂，影響容器質量。所以，要避免補強板太后帶來的連鎖影響。

然而，在材料代用過程中，盡管能采取一系列的措施應對“以厚代薄”帶來的問題，也會有一些新的狀況出現。比如在熱處理、焊接、無損檢測等方面，都可能發生一定變動。壓力容器的重量會隨材料的加厚而變重，對于壓力容器的支座來說，就又形成了一大考驗。此外，也會相應地影響容器傳熱的性能。

結束語

總體而言，只要在壓力容器的設計制造中出現材料代用的情形，就存在重新計算數據、調整方案的可能性。材料代用目前尚存在一些問題，這不僅對企業的生產技術形成考驗，也同容器質量安全和經濟效益相關聯。所以，容器設計人員要充分考慮各方面的因素，慎重對待材料代用的問題，在使用過程中不斷完善，使后續工作中的問題越來越少。