淺析石油行業壓力容器設計制造中的材料代用

呂明璐

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

關鍵詞：壓力容器 材料代用 許用應力

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

一、石油行業壓力容器制造過程規范要求及程序

《固容規》中規定：壓力容器制造過程中對主要受壓元件的材料代用，應當取得原設計單位的書面批準，且要在壓力容器的竣工圖紙上做出詳細的記錄。

在選擇代用材料時要按照一定的程序來進行。一，應由制造單位填寫相應的材料代用申請單，在申請單中，應該要明確標注材料的代用原因、代用規格型號、代用數量、代用品牌等等。材料代用單要經壓力容器制造商的技術責任師簽字生效。二，要將材料代用單報送至原壓力容器的設計單位，經過原設計單位書面批準執行。若原壓力容器的設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，壓力容器制造企業制作出廠質量證明文件和竣工圖紙中必須要詳細的說明材料代用的情況，將代用材料的規格型號、代用位置、代用材質都要詳細注明。材料代用申請單必須隨其他的資料一起歸檔，按照相關的規定存放在相應的設備檔案中。

二、石油行業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，選用相同鋼號規格較厚的材料來代替規格較薄的材料。然而在實際的操作中，以厚帶薄并不是單純的指厚度越厚的材料強度就越高，表1中列出了在不同溫度下Q345R鋼板的許用應力。

從表1中可看出，隨著Q345R鋼板的厚度增加，許用應力呈現下降的狀態。例如在當設計溫度在200℃時，16mm厚度的Q345R鋼板的許用應力為183MPa，而18mm厚度的Q345R鋼板的許用應力則下降為170MPa。很顯然，Q345R鋼板厚度的增加并不能帶來強度的增加，反而會因厚度的增加導致強度不夠。

以較厚的材料代替較薄的材料時，有可能會引起連接處結構的變化，還可能導致焊接結構的變化。因此，在選擇材料代用時，不能簡單的只考慮以厚帶薄就可，而應取得原設計單位的書面批注，由原設計單位根據實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的調整，才可以執行材料代用。

（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，在實際使用中，能保證壓力容器性能的穩定性。然而在實際操作中，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鋼板的許用應力。

Q345R和16MnDR的化學成分極其類似，而且16MnDR的市場價格要高于Q345R，但是從表中可以看出，當溫度高于150℃的情況之下，16MnDR的許用應力迅速下降，當溫度達到200℃時，Q345R的許用應力已經高于16MnDR的許用應力了。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計單位進行重新核算，根據原設計單位的書面批復決定是否接受材料代用，只有經過原設計單位的審批通過，才可以按照代用材料進行生產。

三、石油行業壓力容器制造過程中材料代用的注意事項

在材料代用的實際操作中，首先要根據材料的實際情況，對后續的焊接工藝及焊接用材料進行相應的調整，以保證后續選擇焊接材料和焊接工藝的準確性。在材料以厚帶薄時，對壓力容器的結構形式會產生一定的影響，例如，當封頭材料以厚帶薄時，制造過程中就要對封頭進行外削邊處理，以避免連接處的結果產生很大的變化。當代用材料厚度過度增加的時候，就需要考慮是否要調整焊接接頭的結構形式，例如，殼體之間的焊縫從原來的單向V型坡口變為雙面X型坡口。材料代用過程中，要對設備強度進行重新計算和驗算，避免因許用應力的變化而導致設備強度不能滿足要求。

除了以上注意事項外，還應該充分考慮經濟性的問題，因為材料代用影響設備的成本，尤其是當設備的主體材料發生代用時，應該慎重考慮代用的可行性。

四、總結

石油行業壓力容器是屬于特種設備，其設計和制造的質量直接關系到國家和人民的生命財產安全，所以材料的選擇是否合適是重中之重。材料代用的相關審核人員在收到材料代用申請時，不能單純的認為以高帶低，以厚帶薄就是可行的，要充分考慮各種可能產生的問題，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險性，石油行業壓力容器的設計單位和制造單位應該逐漸完善壓力容器的設計制造管理體系，增加生產專業化，加強管理設備材料的供應鏈，盡量減少材料代用的發生，確保壓力容器制造的安全性能。

參考文獻：

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