壓力容器設計制造材料代用問題探討

【摘 要】在壓力容器設計制造過程中，經常會出現一些設計人員指定的材料在市場中難以采購到，或者制造廠對于某種材料有庫存，想以此代用指定材料的問題。本文將就較常出現的“以優代劣”和“以厚代薄”這兩種材料代用觀點加以闡述。

【關鍵詞】壓力容器;設計;以優代劣

0.概述

TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱《容規》）中第2.13條中關于材料代用有如下說明，“壓力容器制造或者現場組焊單位對主要受壓元件的材料代用，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。從新《容規》的修訂，可以認識到，在壓力容器的建造中，有必要詳細論證材料代用的可行性，慎重考慮代用材料對工作介質的相容性；考察待用材料在設計溫度下的許用應力能否達到原設計的要求，是否需要改變焊接材料及焊接工藝的要求，以及是否需要改變熱處理狀態、無損檢測及焊接試板等要求。

1.以優代劣

(1)壓力容器用金屬材料的主要性能包括力學性能、制造工藝性能、耐腐蝕及耐高溫性能等。一種材料在某一方面的性能“優”于另一種材料的同時，有可能在其他方面“劣”于另一種材料。這一類事例在壓力容器中很常見，例如壓力容器用低合金鋼和壓力容器用碳素鋼，在不同的性能下即各有“優劣”。

①壓力容器用低合金鋼，雖然其強度性能方面的指標要優于碳素鋼，但是其可焊性卻不如碳素鋼好。因此用低合金鋼替代碳素鋼時，應相應修改對其焊接材料的要求。

②壓力容器用低合金鋼，雖然其強度性能方面的指標要優于碳素鋼，并且在價各方面要高于碳素鋼，但是在其冷加工性能卻不如碳素鋼好。鋼的過量塑性變形會引起其晶格扭曲，降低鋼的塑性和韌性，產生冷作硬化。因此GB150-1998中10.4.2.1中提出，“碳素鋼、16MnR的厚度不小于圓筒內徑Di的3%；其他低合金鋼的厚度不小于圓筒內徑Di的2.5%”時，應于成形后進行恢復材料性能的熱處理。即，對壓力容器材料進行“以優代劣”可能會引發相應的熱處理要求變化。

③壓力容器用低合金鋼雖然在強度性能指標上要優于碳素鋼，在價格方面要高于碳素鋼，但是其抗應力腐蝕性能卻不如碳素鋼好。材料代用時如果考慮不周將會給壓力容器的使用帶來安全隱患。在有應力腐蝕開裂傾向和濕H2S環境中的設備，隨著壓力容器用鋼級別的提高，相應的對應力腐蝕開裂的敏感性加大，在這種情況下如國用16MnR等低合金鋼代替20R、20g及Q235系列鋼會更容易出現問題，原則上這類“以優代劣”是不允許的。

(2)材料性能對于某種材料而言，是確定不變的，是不以人們的意志為轉移的。但是，在不同的情況下，人們對材料性能的需求是千變萬化的，壓力容器設計過程中的“選材”及必要時的“代材”應圍繞著這些“需求”展開。在材料代用問題上“優”“劣”判斷，應具體問題具體分析。

①鎮靜鋼雖然在價格和強度指標上要優于沸騰鋼，但是，當用于制造搪玻璃容器時，沸騰鋼的涂搪效果反而比鎮靜鋼好。

②即使是所謂的“不銹鋼”也有其耐腐蝕性能不如碳素鋼和低合金鋼的場合，如含Cl?離子介質的工況。

③雖然16MnDR的低溫性能要優于16MnR，價格也要高一些，但是其耐高溫性能卻不如16MnR，例如在設計溫度300℃時，16MnDR的許用應力為131MPa而16MnR的許用應力為144MPa。所以在一些有高溫的容器上，16MnDR效果反而不如16MNR。

④同樣是不銹鋼，其性能也大相徑庭。如果對同一設備筒體不同部位選用不同材料的不銹鋼，由于兩種奧氏體不銹鋼存在電位差，將造成電偶腐蝕，使設備使用壽命大大縮短。

⑤對于換熱器管板來說，鍛件的綜合性能優于板材，所以一般采用鍛件，但在某一厚度內（一般在60mm以下時）也可選用板材。如要求鍛件代板材時，需要注意同一材質，同一厚度，同一設計溫度下板材與鍛件的許用應力是不同的。例如16Mn鍛件，截面尺寸≤300mm，t≤100℃時[δ]t為150MPa；而16MnR板材，厚度為＞36～60mm，t≤100℃時[δ]t為157MPa。因此必須考慮代用材料是否滿足原設計溫度下許用應力的要求。

(3)換熱器殼體、換熱管的材料代用涉及對其線脹系數的考慮。從降低溫差應力的角度來看，如有可能的話，可以這樣考慮換熱器殼體材料與換熱管材料的匹配關系：

①當管/殼程存在較大溫差時，一般情況下管/殼程可選用線脹系數相差較大的材料，其原則為：當管子溫升較大時，選材時應使管子材料的線脹系數小于殼程圓筒材料的線脹系數；當殼程圓筒溫升較大時，選材應使殼程圓筒材料的線脹系數小于管子材料的線脹系數。

②當管/殼程存在較小的溫差時，管/殼程可以選用相同的材料。

事實上線脹系數相差較大的材料往往是對鐵素體材料與奧氏體材料之間比較而言，鐵素體材料的線脹系數較低，奧氏體材料的線脹系數較高。

(4)超低碳不銹鋼的價格和耐腐蝕性雖然優于普通不銹鋼，但是其耐高溫性卻不如普通不銹鋼。奧氏體不銹鋼既是耐酸不銹鋼，又是耐熱不銹鋼，碳在奧氏體不銹鋼中具有兩重性。從耐腐蝕性來說，需要降低含碳量；而從耐高溫性能來說，則需要適當提高含碳量，后者往往容易被人忽視。

2.以厚代薄

“以厚代薄”使殼體的受力由平面應力狀態向平面應變狀態轉變，對容器的受力狀態有害而無利。厚壁容器更容易產生三向拉應力的平面應變脆性斷裂。

(1)當對壓力容器殼體中的個別部件“以厚代薄”（如加厚封頭），會形成殼體的幾何不連續，造成局部應力。這種不利影響對有應力腐蝕開裂傾向的容器和承受狡辯載荷的容器后果尤為嚴重。在JB/T4736-2002中所給出的補強圈最大厚度為30mm，此時，不允許以大于30mm的鋼板制作補強圈，即不得“以厚代薄”

(2)壓力容器殼體整體上的“以厚代薄”會發生新的問題：

①原設計中選用的焊接要求、無損檢測要求及熱處理要求都有可能相應發生變化。

②殼體增厚，使壓力容器的重量相應增加，可能使容器的制作和基礎受力狀況不佳。

③對于殼體兼做傳熱原件的壓力容器，增加殼體厚度會降低傳熱效果。

(3)換熱器主要元件的“以厚代薄”會造成原本平衡的力系不平衡，此時，必須重新進行設計計算。

換熱器管板強度計算是將管束當做彈性支撐，而管板則作為放置于這種彈性支撐基礎上的圓平板。然后，根據載荷大小、管束的剛度及周邊支撐情況來確定管板的彎曲應力。在管板計算中，按有溫差的各種工況計算出的管板應力、殼體軸向應力、換熱管軸向應力、換熱管與管板之間的拉脫力，只要有一個不能滿足強度要求，就需要設置膨脹節或采取其他相應措施。溫差應力與元件的金屬截面積成正比，換熱管和殼體的“以厚代薄”將相應的增大溫差應力，所以需要重新設計計算。

(4)對于膨脹節、波紋管、撓性薄管板和薄管板等元件，原則性不應“以厚代薄”，因為隨著元件厚度的增加，其剛性也相應增大，從而削弱了補償變形效果。 [科]

【參考文獻】

［１］TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術監測規程》.中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.

［２］TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術監測規程》釋義.新華出版社.

［３］GB150-1998鋼制壓力容器.

［４］GB151-1999管殼式換熱器.

［５］JB/T4736-2002補強圈.

［６］JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭.

［７］壓力容器設計和制造常見問題.中國五環化學工程公司，2001.