爆炸不銹鋼復合板相對純不銹鋼板的經(jīng)濟性分析

楊光，宋笛，高東平

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

不銹鋼復合板是以不銹鋼作為覆層，以普通低合金鋼（如碳鋼）等材料作為基層，通過爆炸、軋制等方法結(jié)合成為一體的一種復合板材。不銹鋼復合板兼具不銹鋼覆層的耐腐蝕、耐磨和抗磁等性能，又具有基層材料良好的力學性能和焊接性能。而且相比覆層不銹鋼材料，不銹鋼復合板大部分材料為價格更低的基層低合金鋼，當板材厚度超過某一定范圍時能節(jié)省不銹鋼材料，帶來經(jīng)濟效益。因此不銹鋼復合板在壓力容器制造領域得到了廣泛應用。

《HG/T 20581-2011 鋼制化工容器材料選用規(guī)定》第5.0.3條規(guī)定：“所需不銹鋼鋼板厚度大于12mm時，宜采用襯里、復合、堆焊等結(jié)構(gòu)形式”。本文針對壓力容器用不銹鋼復合板，探討相對同壓力、溫度參數(shù)下，當基層采用多少厚度的不銹鋼復合板，相比純不銹鋼板具有經(jīng)濟性。

1 鋼板及復合板費用說明

不同厚度的鋼板在軋制工藝、力學性能等方面均有不同，因此價格也會有差異。表1為某復合鋼板廠提供的幾種常用的不同規(guī)格的壓力容器鋼板價格。

當前我國90%不銹鋼復合鋼板采用爆炸復合方法制造，其生產(chǎn)工藝是將不銹鋼板重疊置于碳鋼基板上，不銹鋼板和碳鋼基板之間用墊子間隔出一定的距離，不銹鋼板上面平鋪炸藥，炸藥爆炸的能量，使不銹鋼板高速撞擊碳鋼基板，產(chǎn)生高溫高壓使兩種材料的界面實現(xiàn)固相焊接。爆炸復合工藝對環(huán)境會造成振動、噪聲和煙塵污染，但是設備投資少，國內(nèi)爆炸生產(chǎn)廠大小有上百家。在與復合鋼板生產(chǎn)廠家的交流中得知，復合板的費用主要由覆層鋼板費用+基層鋼板費用+復合費用組成。材料不同對爆炸復合費用的影響并不是很大，例如，Q235R/Q345R與S30408/S31603復合，每平米的價格都在2000元左右。

2 碳鋼與不銹鋼鋼板的許用應力對比

本文以《GB/T 150.2-2011 壓力容器 第2部分：材料》中給出的鋼板許用應力值為依據(jù)，對表1中列出的幾種壓力容器常用鋼板進行許用應力值的對比。由于鋼板的許用應力

表1 常用壓力容器碳鋼與不銹鋼板價格

隨著溫度的變化而變化，為了便于比較，選取150℃下鋼板的許用應力值進行對比，如表2所示。

表2 150℃下碳鋼與不銹鋼鋼板的許用應力值

下面以內(nèi)壓圓筒為例，根據(jù)中徑公式推導出其計算厚度與許用應力的關系。《GB/T 150.2-2011 壓力容器第3部分：設計》中規(guī)定內(nèi)壓圓筒的計算厚度按下式計算：

式中，pc為壓力容器的計算壓力，占分母的比重相對較小，為了便于比較可以將其忽略，則可得出，在設備尺寸、設計條件完全一致的情況下，兩種材料計算厚度的比值大致與許用應力成反比，即：

利用這個推論可以簡化計算公式，便于做出鋼板價格的對比。

3 復合鋼板與不銹鋼鋼板價格對比

下面以具體計算來說明基層采用何種厚度的復合鋼板，對純不銹鋼板才會形成較為明顯的價格優(yōu)勢。

3.1 對比條件

S30408+Q345R的復合鋼板在化工行業(yè)中應用得非常廣泛，對比S30408+Q345R復合鋼板與S30408鋼板的價格具有一定的代表性和實用性。具體條件如表3所示。

表3 S30408不銹鋼板與S30408+Q345R復合板條件

（1）根據(jù)《NB/T 47002.1-2019 壓力容器用復合板第1部分：不銹鋼-鋼復合板》的規(guī)定，覆材厚度宜為2～16mm，以下計算取常用規(guī)格3mm。

（2）為便于對比價格，不計入覆層材料的強度。

（3）S30408、Q345R及兩者的復合板密度差別不大，統(tǒng)一設為7900kg/m3。

3.2 對比計算

根據(jù)表3進行價格計算，S30408不銹鋼板的價格t1為：

S30408+Q345R復合板鋼板的價格t2為：

如果令復合板價格具有優(yōu)勢，則，t2

簡化后可得到下式：

假設此時復合板碳鋼基層厚度δ2位于3～16mm區(qū)間，根據(jù)式（1）可以得出：

將式（5）代入式（4）可以計算得出：δ1>20.5，即20.5mm為純S30408鋼板經(jīng)濟性厚度臨界點，該點對應復合板基層厚度δ2=0.725，δ1=14.9厚度處于3～16mm區(qū)間，則無需修正；若得到δ2超過該區(qū)間，則應根據(jù)表2中相應許用應力值修正式（5）中[σ]t2。

通過以上計算可以說明，設計溫度150℃、不銹鋼覆層取3mm時，當選用的純S30408鋼板的厚度超過20.5mm左右時，價格會高于選用復合鋼板。如果換成對比S31603+Q345R復合鋼板與S31603鋼板，按照同樣的計算方法，可以得出設計溫度150℃、不銹鋼覆層取3mm時，當純S31603鋼板的厚度δ1>13.4的時候，已不宜選用不銹鋼板。

應用相同方法可進行同樣設計條件下采用純不銹鋼材料，與基層為Q345R、覆層為不同的不銹鋼復合板的經(jīng)濟性對比。將采用該方法得到的一系列數(shù)值繪制成純不銹鋼材料經(jīng)濟厚度臨界曲線。將所得結(jié)果繪制成曲線，如圖1（覆層厚度3mm）和圖2（覆層厚度5mm）所示，若設計條件下壓力容器純不銹鋼材料計算厚度值位于曲線上方時，此時，不銹鋼復合板具有經(jīng)濟性，反之，厚度值位于曲線下方，此時，采用純不銹鋼鋼板具有經(jīng)濟優(yōu)勢。

圖1 對于覆層3mm不銹鋼復合板，純不銹鋼材料經(jīng)濟性厚度臨界曲線

圖2 對于覆層5mm不銹鋼復合板，純不銹鋼材料經(jīng)濟性厚度臨界曲線

4 結(jié)語

通過曲線分析可知：

（1）設計溫度小于400℃時，純不銹鋼厚度臨界點相差不大，當溫度超過400℃時，厚度臨界點會有較大提升。原因在于碳鋼材料由400～450℃時，許用應力下降近一半，而此時不銹鋼材料許用應力下降不明顯，因此δ2與δ1比值變大，臨界點升高。

（2）不銹鋼材料價格高（如S31603）時，比不銹鋼材料價格低（如S30408）時的厚度臨界點低。原因是爆炸費用占不銹鋼材料費用的比重下降，因而厚度臨界點低。

（3）不同覆層厚度對曲線也有影響，當覆層厚度增大時，同樣條件下純不銹鋼厚度臨界點整體均提升。原因是覆層材料費用的增加，使復合板整體材料費用提高，降低了復合板的經(jīng)濟性。

通過簡化計算，本文提供了對比化工設備中選用純不銹鋼板和復合鋼板經(jīng)濟性的分析方法，可以幫助設計人員正確選材，節(jié)約項目成本，具有實際的工程意義。但文中并未考慮供貨周期、焊接、無損檢測等其他因素的影響，設計人員應全面分析，結(jié)合更多的實際情況綜合考慮選材的合理性。