淺談壓力容器制造中材料代用的分析
論文關(guān)鍵詞：壓力容器 材料代用 以優(yōu)代劣 以厚代薄
論文摘要：壓力容器設(shè)計(jì)中最重要的部分之一便是材料的選擇，它直接關(guān)系到壓力容器的質(zhì)量和安全性，但由于設(shè)備制造過(guò)程中采購(gòu)困難等因素的影響，材料代用現(xiàn)象普遍發(fā)生，常見(jiàn)的代用問(wèn)題有：以優(yōu)代劣、以厚代薄及其他問(wèn)題，這些問(wèn)題直接關(guān)系到容器的質(zhì)量和安全以及投資建設(shè)方的經(jīng)濟(jì)和管理問(wèn)題，值得我們重視。
如何進(jìn)行正確的選材是壓力容器設(shè)計(jì)和創(chuàng)造中的第一步，也是直觀重要的一步。在壓力容器的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，一旦材料選取不合適，會(huì)對(duì)容器的安全使用留下重大隱患。所以，在壓力容器選材上，要根據(jù)容器的具體使用條件，如設(shè)計(jì)的壓力和溫度、操作特征、介質(zhì)特點(diǎn)等，來(lái)選取擁有合適力學(xué)、焊接和耐腐蝕性能等物理性能的材料。除此之外，選取材料時(shí)還要充分考慮其具體加工工藝和經(jīng)濟(jì)性等其他因素。
1 材料代用的具體規(guī)定
在設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)材料采購(gòu)困難或者出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，材料代用的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在壓力容器的設(shè)計(jì)過(guò)程中�！豆潭ㄊ綁毫θ萜靼踩夹g(shù)監(jiān)督規(guī)程（TSG R0004-2009）》以及《鋼制壓力容器（GB150-1998）》對(duì)材料代用做了相關(guān)規(guī)定。一般來(lái)講，主要要求如下：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)目和檢驗(yàn)率等。材料代用最基本的原則是：要絕對(duì)保證，在技術(shù)要求上，代用材料不得低于被代用材料，個(gè)別在檢測(cè)率或性能項(xiàng)目上要求不嚴(yán)格的代用材料，可以采取檢驗(yàn)、測(cè)試的方式來(lái)選擇合適的代用材料。材料代用的手續(xù)要求為：（1）容器承壓部件的代用要嚴(yán)格進(jìn)行，須經(jīng)由代用單位技術(shù)部門的批準(zhǔn)并上報(bào)代用材料的復(fù)檢報(bào)告或質(zhì)量證明，由主管負(fù)責(zé)人核準(zhǔn)批復(fù)；（2）必須在獲得原設(shè)計(jì)單位的允許并拿到證明文件后，才可以在壓力容器制造時(shí)進(jìn)行材料代用；（3）壓力容器的設(shè)計(jì)圖、施工圖以及出廠時(shí)的質(zhì)量證明書(shū)中要細(xì)致標(biāo)注代用材料的規(guī)格部位、材質(zhì)和規(guī)格。
2 以優(yōu)代劣
壓力容器所用的全部金屬材料要具有優(yōu)良的性能，包括材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性、耐高溫性和制作工藝等。每一種材料的性能都是固定不變的，從性能比較的角度出發(fā)，常常會(huì)出現(xiàn)材料間的“優(yōu)”和“劣”的問(wèn)題。但每種壓力容器對(duì)對(duì)材料性能的要求在不同情況下也是不一樣的，所以，材料代用中的“優(yōu)”與“劣”判斷從實(shí)際出發(fā)，具體問(wèn)題具體分析。下面，筆者基于自身工作經(jīng)驗(yàn)，主要探討了幾種典型的“以優(yōu)代劣”問(wèn)題。
2.1 壓力容器制作中，在強(qiáng)度、力學(xué)特征等機(jī)械性能方面，其常用到的低合金鋼盡管明顯優(yōu)于碳素鋼，但其冷加工性能與可焊性都比不過(guò)碳素鋼。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度級(jí)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(shí)，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整焊接工藝，在熱處理時(shí)也可能會(huì)有相應(yīng)變化，應(yīng)給予充分重視。
2.2 材料代用時(shí)進(jìn)行細(xì)致、周全的考慮，否則壓力容器實(shí)際使用中可能會(huì)出現(xiàn)各種安全隱患。比如處于濕硫化氫環(huán)境下及存在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備中，容器對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂地敏感性隨容器使用的鋼材的強(qiáng)度級(jí)別的提高而增大，二者正相關(guān)。此時(shí)若將20R和Q235和20R系列的鋼材用16MnR等低合金鋼待用就極易產(chǎn)生問(wèn)題，因此，此類“以優(yōu)代劣”行徑在原則是行不通的，應(yīng)當(dāng)被禁止。鎮(zhèn)靜鋼在許多性能方面上，鎮(zhèn)靜鋼都比沸騰鋼要更占優(yōu)勢(shì)，但在搪玻璃容器制造時(shí)，鎮(zhèn)靜鋼的搪瓷效果反而不如沸騰鋼好。
2.3 一般來(lái)說(shuō)，不銹鋼的耐腐蝕性較出色，但在含有氯離子的環(huán)境下，其耐腐蝕性卻不如低合金鋼和碳素鋼。
2.4 和普通不銹鋼相比，超低碳不銹鋼雖然具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)和良好的耐腐蝕性，但前者的高溫?zé)釓?qiáng)性卻更為出色。一般情況下，為了提高耐腐蝕性，需降低含量，而為了提高高溫性，則要提高炭的含量。故而，此種情況下的 “以優(yōu)代劣”，要尤其精確設(shè)計(jì)設(shè)備溫度，如有必要，應(yīng)當(dāng)重新計(jì)算。
2.5 原則上，膨脹節(jié)、爆破片、撓性管板及這類零件不能進(jìn)行以優(yōu)代劣，特殊情況下必須代用時(shí)應(yīng)以代用的材料為重新進(jìn)行精密計(jì)算，根據(jù)結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整零件厚度，以防止這類零件及其相鄰部位出現(xiàn)故障或者失效。
2.6 對(duì)熱換器管板而言，鍛件的總體性能比板材要好，所以通常情況下采用鍛件，但當(dāng)管板厚度小于6cm時(shí)也可以用板材代替鍛件，但此時(shí)要注意，即使鍛件和板材的厚度、材質(zhì)及設(shè)計(jì)溫度都相同，但兩者的許應(yīng)用力卻不相同，前者的許應(yīng)用力稍低于后者。故如需鍛件代用板材，應(yīng)重新核準(zhǔn)管板厚度。
對(duì)鋼材來(lái)說(shuō)，其化學(xué)成份上的微小差異都可能對(duì)其性能造成重大影響，所以要對(duì)待任何類型壓力容器鋼材的“以優(yōu)代劣”問(wèn)題都要予以充分重視，以免導(dǎo)致產(chǎn)品和原設(shè)計(jì)不符。
3 以厚代薄
“以厚代薄”常常使從平面應(yīng)力狀殼體的受力態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)，這對(duì)容器受力狀態(tài)來(lái)說(shuō)，是有百害而無(wú)一利的，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。
3.1 對(duì)原設(shè)計(jì)中封頭和筒體間等厚焊接的容器，若對(duì)容器殼體的個(gè)
別部件進(jìn)以厚代薄，很容易增加殼體的幾何不連續(xù)情況，從而使封頭和筒體間的連接部位受到的局部應(yīng)力增加，此時(shí)，對(duì)于有應(yīng)力腐蝕傾向的容器來(lái)說(shuō)，會(huì)造成很大的損害�？赡軙�(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋，嚴(yán)重的可能造成疲勞斷裂。
3.2 在厚板替代薄板時(shí)，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(shí)，通常需要對(duì)封頭進(jìn)行削邊處理。對(duì)以管道為主要筒體構(gòu)成的設(shè)備，若增加筒壁厚度，在封頭與筒體的連接部位也須對(duì)筒體側(cè)實(shí)施內(nèi)削邊處理。在厚度增加較大時(shí)，往往也關(guān)系到焊接工藝的變化。
3.3 容器殼體整體層面上的“以厚代薄”，雖然并不會(huì)造成筒體連接處和封頭的局部應(yīng)力增加，但不了避免地，仍會(huì)導(dǎo)致一下不良影響。1）厚度增加后，原來(lái)的殼體設(shè)計(jì)中的探傷方式和焊接工藝也要進(jìn)行相應(yīng)的改變，增加難度；2）殼體厚度的增加必然使容器的重量加大，當(dāng)容器重量增加過(guò)大時(shí)，必然會(huì)對(duì)容器的基礎(chǔ)和支座產(chǎn)生不利影響；3）對(duì)殼體同時(shí)具有傳熱作用的容器，殼體厚度的增加肯定會(huì)影響其傳熱效果。
3.4 鋼板的許應(yīng)用力和其厚度緊密相連，《鋼制壓力容器（GB150-1998）》指出，鋼材的許應(yīng)用力隨著其板厚的增大而減小，二者負(fù)相關(guān)。例如20℃-150℃環(huán)境下，16MnR板厚由16mm變?yōu)?8mm時(shí)，其許應(yīng)用力則從170MPa降為167MPa，150℃時(shí)，20R的板厚由16mm變?yōu)?8mm時(shí)，其許應(yīng)用力則從135MPa降為125MPa。由此可知，以厚代薄很可能導(dǎo)致強(qiáng)度不夠，故而，對(duì)處于臨界狀態(tài)的以厚代薄，必須對(duì)驗(yàn)算其強(qiáng)度。
3.5 因?yàn)樵穸扰c其剛性是成正比的，厚度越大，剛性越強(qiáng)，所以原則上不允許對(duì)撓性薄管板、波紋管和膨脹節(jié)等元件實(shí)行以厚代薄，以防止減弱補(bǔ)償變形的效果。
3.6 由于換熱器的特殊性，對(duì)熱換器的主要元件進(jìn)行以厚代薄很容易破壞原來(lái)的平衡力系，原則上不可以厚代薄，特殊情況下，必須代用時(shí)，需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算。
綜上所述，以厚代薄的利弊問(wèn)題是很復(fù)雜的，在進(jìn)行代用時(shí)，要由相關(guān)設(shè)計(jì)單位對(duì)代用的可行性和影響進(jìn)行綜合考慮后，方可決定其是否可行。對(duì)可采取以厚代薄類型的容器，應(yīng)對(duì)其焊接工藝、支座和等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以盡可能的消除不利影響。
4 其他注意事項(xiàng)
進(jìn)行材料代用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際用材情況對(duì)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(jí)材料替代低級(jí)材料時(shí)，實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)收仍可采用低級(jí)材料的標(biāo)準(zhǔn)，不用提高標(biāo)準(zhǔn)；不同材料的耐高溫性、韌度等性能不同時(shí)，進(jìn)行最低水壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，其相應(yīng)的溫度也可能發(fā)生改變，此時(shí)，要嚴(yán)格按GB150的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；當(dāng)板厚增加超過(guò)GB150所規(guī)定的冷卷厚度時(shí)，一定要對(duì)筒體進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理；鋼板的厚度達(dá)到一定水平時(shí)，還需要進(jìn)行超聲探傷，必要時(shí)，提高水試驗(yàn)的壓力。
結(jié)語(yǔ)
以鋼為材料主體進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作的壓力容器，在材料的機(jī)械性能要求上，在考兩次材料強(qiáng)度的同時(shí)，也應(yīng)考慮其韌性，在韌性滿足的條件下，則應(yīng)盡可能提高其強(qiáng)度。從這個(gè)角度上來(lái)說(shuō)，在壓力容器材料選擇上要正確界定“優(yōu)”和“劣”，不要單純的從材料的厚度和強(qiáng)度來(lái)考慮，而要進(jìn)行綜合辨析和考慮。所以，也可以說(shuō)，壓力容器制造中的材料待用并不單單是技術(shù)問(wèn)題，更包含容器的安全性、投資方的經(jīng)濟(jì)效益、制造商的成本等經(jīng)濟(jì)和管理問(wèn)題在內(nèi)的復(fù)雜問(wèn)題。所以，不論是哪種材料代用，其本質(zhì)上均是變更壓力容器的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)給予相當(dāng)?shù)闹匾暋?
參考文獻(xiàn)：
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