壓力容器設計中對材料代用的分析

周斌 代智文 張振慶

摘 要：材料的代用雖然方便了壓力容器的制造過程，但不利于其后續使用、檢驗和維修改造。在個別情況下，材料代用可以比較簡單地按照其強度性能及價格優劣來確定，但有些情況卻相反，將涉及一系列問題的變更，甚至關系到容器的安全使用，所以我們應該予以足夠的重視。

關鍵詞：壓力容器設計;材料代用;選材;安全

一、概述

在化工壓力容器設計中，材料及其影響因素是設計中的難點，要考慮使用工況、力學性能、耐腐蝕性能、材料的可加工性及其經濟性。任何情況下材料的代用，都是壓力容器設計的變更，都有可能重新強度計算、重新考慮設計方案。

二、“以優代劣”的問題

一種材料在某一方面的力學性能“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，壓力容器設計中的“材料代用”，要圍繞設計中具體的“需求”來展開，在材料代用問題上的“優”或 “劣”的判斷，要具體問題具體分析，不能一概而論。成分決定組織，組織決定性能，性能決定選用或代用，所以，要綜合理解并正確選用或代用鋼材技術條件。

1.低合金鋼代用碳素鋼的分析：壓力容器用鋼中的低合金鋼的強度性能方面要優于碳素鋼，價格相應也高于碳素鋼，但其冷加工性能可能不如碳素鋼好，鋼的過量塑性變形引起晶格扭曲，降低鋼的塑性和韌性，產生冷作硬化。這樣的“以優代劣”會引起熱處理要求的變化，需要引起注意;而且低合金鋼的應力腐蝕性能不如碳素鋼好，隨著壓力容器用鋼強度級別的提高，其相應地應力腐蝕開裂的敏感性也加大，材料代用的時候如果不考慮應力腐蝕開裂將會對壓力容器的安全使用留下隱患。有人可能提出為防止應力腐蝕開裂對材料進行焊后熱處理，但這個辦法增加了制造成本和難度，可以提前在介質、材料、結構設計和焊接工藝方面得到控制，而不是一味的進行焊后熱處理。

2.不銹鋼是很好的耐腐蝕性材料，但在含有CL-介質的場合，不銹鋼的耐腐蝕性能反倒不如碳素鋼和低合金鋼。

3.低溫用鋼鋼材用于高溫場合，耐熱性能差，而且價格還高，低溫性能好不代表高溫性能也好。

4.鍛件代用板材的分析：對于換熱器管板，鍛件的綜合性能優于板材，所以一般采用鍛件，但是在<60mm以下時也可選用板材，但要注意同一材質、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。

如：16Mn鍛件，橫截面尺寸≤100mm，t≤100℃，[σ] t為178MPa; Q345R板材，厚度為>36～60mm，t≤100℃，[σ] t為181MPa。所以，板材改為鍛件時，要重新校核管板的厚度。

5.換熱管殼體，換熱管的材料代用對其線膨脹系數的分析：

6.當管/殼程存在較大的溫差時，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;當殼程圓筒的溫升較大時，選材時應使殼程材料的線脹系數小于管子材料的線脹系數。

7.當管/殼程存在較小的溫差時，一般情況下管/殼程可選用相同的材料。

8.超低碳不銹鋼的價格和耐腐蝕性能雖然優于普通不銹鋼，但是耐熱性能卻不如普通不銹鋼。

9.同樣是不銹鋼，脆性轉變溫度不同，應用場合也不同。如：0Cr13Al的低溫界限是>-20℃，就是基于這一因素。

10.低溫不銹鋼的代用，注意設計溫度下的沖擊試驗，Ti元素的加入可能在低溫環境下產生少量鐵素體，C使材料強度提高。由于C的增加和Ti的加入可能使材料的低溫沖擊韌性降低。

三、“以厚代薄”的問題

同種材質間的“以厚代薄”的問題，這種實數不合理的情況，原因是由于板厚的增加，相應的許用應力會降低，之后的強度計算有可能會不合格，所以要重新計算強度。

1.加厚封頭，會形成殼體的不連續，造成局部應力，對于有應力腐蝕開裂傾向的容器和交變載荷的容器是很不利的，雖然有削薄厚板邊緣的要求，但只能降低局部應力，而不是完全消除。

2.JB/T4736-2002標準中，關于補強圈的最大厚度要求是30mm，而在設計中標出32mm或34mm，是錯誤的，材料代用過程中也往往出現類似問題。

3.壓力容器殼體整體加厚，會相應增加焊接要求、無損檢測要求，熱處理要求及相應焊接試件的要求;殼體增厚對換熱器殼體來說，降低其傳熱效果;增厚殼體，支座及基礎受力不佳。

4.換熱器管和殼體的厚度增加，相應增加了溫差應力，需要重新校核管板應力、殼體軸向應力、換熱管軸向應力、換熱管與管板間的拉脫力，一項不合格都要加膨脹節或采取其他措施。

5.不允許“以厚代薄”。當材料以厚代薄處理后，將會給設備帶來諸多意想不到的問題。比如材料的變化，應力的變化，強度結構的變化，焊接、熱處理、無損檢測的變化等。

四、結語

上述討論了壓力容器設計中的材料代用問題，我們可以看出，十分有必要強調壓力容器選材的原則，對材料性能的要求來說根據需要來要求，而不是單一的“優”或“劣”來評定材料的性能，所以無論何種材料的代用，本質上都是壓力容器設計方案的變更，都要重新計算，重新考慮設計方案。而不是為了圖方便而埋下了隱患。而且對于壓力容器設計采用這個環節的實施，必須要設計人員簽署同意才可以的。

上面的一些論述希望同仁在壓力容器設計制造中能對材料代用的問題上予以足夠的重視，保證人民的生命和財產安全。

參考文獻：

[1] 王非.化工壓力容器設計一方法、問題和要點.化工工業出版社，2008.12.

[2] 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程.全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會編.新華出版社，2005.10.

[3] GB150.1～150.4-2011《壓力容器》，中國標準出版社.

[4] JB/T4736-2002《補強圈》，中國標準出版社.