壓力容器設(shè)計制造材料代用問題探討

郭萌鋒

(浙江藍(lán)能燃?xì)庠O(shè)備有限公司,浙江紹興 312369)

壓力容器設(shè)計制造材料代用問題探討

郭萌鋒

(浙江藍(lán)能燃?xì)庠O(shè)備有限公司,浙江紹興 312369)

材料的選擇是壓力容器設(shè)計中最重要的部分之一,直接關(guān)系到壓力容器的質(zhì)量和安全性。在壓力容器制造過程中,材料代用現(xiàn)象普遍發(fā)生,以優(yōu)代劣、以厚代薄等材料代用會對殼體受力情況、設(shè)備強(qiáng)度、焊接、熱處理、無損檢測要求等產(chǎn)生影響,因此無論是何種類型的材料代用,本質(zhì)上都是壓力容器設(shè)計方案的變更,都要引起足夠的重視。

壓力容器 材料代用 以優(yōu)代劣 以厚代薄

壓力容器的材料選擇是壓力容器設(shè)計過程的重要組成部分，如果在設(shè)計中材料選擇不當(dāng)，則會給容器的安全性能帶來隱患。一般來講，壓力容器的承壓部件在代用材料的選擇上，應(yīng)和被代用材料有著相同或者相似的外形質(zhì)量、化學(xué)成分、尺寸公差、性能指標(biāo)、檢驗(yàn)項(xiàng)目等。在壓力容器的設(shè)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。因此無論是何種類型的材料代用，本質(zhì)上都是壓力容器設(shè)計方案的變更，都要引起足夠的重視。

1 材料代用現(xiàn)狀

在設(shè)備制造過程中，由于采購困難或?yàn)榱藢ΜF(xiàn)有材料進(jìn)行充分利用等原因，材料代用問題在目前的壓力容器設(shè)計中時有發(fā)生。在《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察容規(guī)》中對材料代用問題有相應(yīng)規(guī)定，歸納起來有如下要求：壓力容器承壓部件的代用材料，應(yīng)與被代用的材料具有相同或相近的化學(xué)成分、交貨狀態(tài)、檢驗(yàn)項(xiàng)目、性能指標(biāo)、檢驗(yàn)率、尺寸公差以及外形質(zhì)量等。最基本的代用原則是代用鋼材的技術(shù)要求不低于被代用的鋼材，個別在性能項(xiàng)目或檢驗(yàn)率方面要求略低的代用鋼材，則通過增加檢驗(yàn)來進(jìn)行代用。同時材料代用要履行下述手續(xù)： ①凡壓力容器承壓部件的材料代用，必須經(jīng)材料代用單位的技術(shù)部門同意，并將代用材料的質(zhì)量證明書或復(fù)驗(yàn)報告報主管負(fù)責(zé)人審批;②壓力容器的材料代用必須征得原設(shè)計單位的同意并取得證明文件;③壓力容器出廠質(zhì)量證明書和施工圖上應(yīng)注明代用材料的材質(zhì)、規(guī)格和部位。

2 “以優(yōu)代劣”問題

(1)所謂以優(yōu)代劣，即用級別較高的材料或性能較好的材料代替級別較低或性能較差的材料。以優(yōu)代劣對于一般情況而言總是有益的，它可以增加設(shè)備的強(qiáng)度儲備和提高設(shè)備的安全可靠性，但對于某些特殊工藝環(huán)境則不然。例如：對于濕H2S環(huán)境的設(shè)備中，隨著壓力容器用鋼強(qiáng)度級別的提高，相應(yīng)地對應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性加大，所以像上述這些特殊環(huán)境用16MnR等含Mn、Mo的低合金鋼代替20R、20g、Q235等鋼，卻更容易引發(fā)事故。原則上這類“以優(yōu)代劣”是不允許的。對于用同類鋼材，強(qiáng)度級別較高的代用，要注意可焊性，因?yàn)橐话銖?qiáng)度級別越高，其可焊性越差，且焊接材料的變化也將導(dǎo)致焊接工藝的變化。對于膨脹節(jié)，爆破片及撓性管板這類零件，原則上不允許以優(yōu)代劣，否則應(yīng)按代用后的材料重新計算并適當(dāng)減薄厚度，否則很可能導(dǎo)致這些元件及相鄰部位出現(xiàn)失效。

(2)壓力容器用低合金鋼雖然其強(qiáng)度等機(jī)械性能方面的指標(biāo)要優(yōu)于碳素鋼，但是其可焊性、冷加工性能卻不如碳素鋼好，因?yàn)橐话銖?qiáng)度級別越高，其可焊性和冷加工性能就越差，如發(fā)生這方面的材料代用時，要相應(yīng)修改焊接工藝，還可能引發(fā)熱處理要求的變化。壓力容器用低合金鋼雖然在強(qiáng)度性能指標(biāo)上要優(yōu)于碳素鋼，但是其抗應(yīng)力腐蝕性能卻不如碳素鋼好。

3 材料代用的影響

(1)對受力情況、強(qiáng)度的影響：材料代用中的“以厚代薄”常使從平面應(yīng)力狀殼體的受力態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，這對容器受力狀態(tài)有害無利。通常情況下，厚壁容器比薄壁容器更容易產(chǎn)生三向拉應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生平面應(yīng)變脆性斷裂。對原設(shè)計中封頭和筒體間等厚焊接的容器，若對容器殼體的個別部件 “以厚代薄”，很容易增加殼體的幾何不連續(xù)情況，從而局部應(yīng)力增加，此時，對于有應(yīng)力腐蝕傾向的容器和承受交變載荷的容器來說，會造成很大的損害，可能會導(dǎo)致疲勞裂紋，嚴(yán)重的可能造成疲勞斷裂。

(2)考慮壓力容器工作環(huán)境：《壓力容器》(GB 150.1)中規(guī)定，對比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的容器材料在力學(xué)性能以及腐蝕性能方面也做出了規(guī)定。在材料代用的時候需要考慮其強(qiáng)度性能、耐腐蝕性能、耐高溫性能等。比如，壓力容器用低合金鋼雖然在強(qiáng)度性能指標(biāo)上要優(yōu)于碳素鋼，但是其抗應(yīng)力、腐蝕性能卻不如碳素鋼。超低碳不銹鋼的價格和耐腐蝕性雖然優(yōu)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。

(3)對焊接的影響：進(jìn)行材料代用時，原先的焊接工藝評定是否覆蓋，焊接接頭的坡口型式是否合理，是否需要進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理等需要注意。應(yīng)根據(jù)實(shí)際用材情況對焊接工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，一般調(diào)整原則為：用高級材料替代低級材料時，實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)收仍可采用低級材料的標(biāo)準(zhǔn)，不用提高標(biāo)準(zhǔn);在厚板替代薄板時，常常導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)改變，例如，筒體與加厚的封頭連接時，通常需要對封頭進(jìn)行削邊處理。在厚度增加較大時，往往也關(guān)系到焊接工藝的變化。一般來說，強(qiáng)度級別高的，其冷加工性能與可焊性就較差，二者負(fù)相關(guān)。所以在進(jìn)行這方面的代用時，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整焊接工藝，在熱處理時也可能會有相應(yīng)變化，應(yīng)給予充分重視。

(4)對熱處理要求的影響：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(chǎn)生冷作硬化。比如，當(dāng)板厚增加超過所規(guī)定的冷卷厚度時，一定要對筒體進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。GB 150.1～150.4—2011中8.1.1規(guī)定，對碳鋼、低合金鋼，成型前厚度大于16mm的應(yīng)在成型后進(jìn)行相應(yīng)熱處理恢復(fù)材料的性能。比如，還規(guī)定了殼體厚度大于60mm的碳素鋼和低合金鋼板應(yīng)每張進(jìn)行熱處理。一般來說，強(qiáng)度級別高的鋼材其冷加工性能與可焊性就較差，二者負(fù)相關(guān)。

4 材料代用應(yīng)注意的其它問題

(1)代用鋼板強(qiáng)度、塑性、韌性、化學(xué)成分和耐蝕性對設(shè)計條件(溫度、壓力、介質(zhì)、結(jié)構(gòu))的適應(yīng)性。

(2)代用鋼材對制造加工工藝的適應(yīng)性，由于材料的變化，焊接工藝和焊材就應(yīng)作出相應(yīng)的修改，以對代用后的材料作出指導(dǎo)，保證改代部位的焊材和焊接工藝的正確性。焊接工藝部門應(yīng)根據(jù)實(shí)際用材選擇焊材，以及是否需要焊后熱處理，兩種不同組織(鐵素體、奧氏體)的鋼材互相代用所引起的熱應(yīng)力、異種鋼焊接問題都需注意。

(3)制造中經(jīng)常遇到主體材料代用情況，當(dāng)以優(yōu)代劣或以厚代薄而引起材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力值下降時，試驗(yàn)壓力應(yīng)做相應(yīng)調(diào)整。

5 結(jié)語

綜上所述，本文就材料代用的常見問題進(jìn)行了論述，目的在于使工程技術(shù)人員很好地處理材料代用方面的問題，對干設(shè)計者來說，當(dāng)制造單位提出代用申請時，不可認(rèn)為以優(yōu)代劣、以厚代薄就可行，而忽略其中存在的問題，甚至成為安全隱患的問題。

[1]俞金芳.淺析降低壓力容器焊接應(yīng)力的方法[J].機(jī)電信息,2011年18期.

[2]冼建中.芻議壓力容器檢驗(yàn)中的常見問題及保養(yǎng)管理[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2011年07期.

[3]陳慧媛.壓力容器發(fā)生膨脹氣體爆炸破壞機(jī)制研究[J].青海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011年04期.