【摘 要】在壓力容器設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些設(shè)計(jì)人員指定的材料在市場(chǎng)中難以采購(gòu)到，或者制造廠對(duì)于某種材料有庫(kù)存，想以此代用指定材料的問(wèn)題。本文將就較常出現(xiàn)的“以?xún)?yōu)代劣”和“以厚代薄”這兩種材料代用觀點(diǎn)加以闡述。

【關(guān)鍵詞】壓力容器;設(shè)計(jì);以?xún)?yōu)代劣

0.概述

TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《容規(guī)》）中第2.13條中關(guān)于材料代用有如下說(shuō)明，“壓力容器制造或者現(xiàn)場(chǎng)組焊單位對(duì)主要受壓元件的材料代用，應(yīng)當(dāng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書(shū)面批準(zhǔn)，并且在竣工圖上做詳細(xì)記錄。從新《容規(guī)》的修訂，可以認(rèn)識(shí)到，在壓力容器的建造中，有必要詳細(xì)論證材料代用的可行性，慎重考慮代用材料對(duì)工作介質(zhì)的相容性；考察待用材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力能否達(dá)到原設(shè)計(jì)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(tài)、無(wú)損檢測(cè)及焊接試板等要求。

1.以?xún)?yōu)代劣

(1)壓力容器用金屬材料的主要性能包括力學(xué)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(yōu)”于另一種材料的同時(shí)，有可能在其他方面“劣”于另一種材料。這一類(lèi)事例在壓力容器中很常見(jiàn)，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(yōu)劣”。

①壓力容器用低合金鋼，雖然其強(qiáng)度性能方面的指標(biāo)要優(yōu)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(shí)，應(yīng)相應(yīng)修改對(duì)其焊接材料的要求。

②壓力容器用低合金鋼，雖然其強(qiáng)度性能方面的指標(biāo)要優(yōu)于碳素鋼，并且在價(jià)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(guò)量塑性變形會(huì)引起其晶格扭曲，降低鋼的塑性和韌性，產(chǎn)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(nèi)徑Di的3%；其他低合金鋼的厚度不小于圓筒內(nèi)徑Di的2.5%”時(shí)，應(yīng)于成形后進(jìn)行恢復(fù)材料性能的熱處理。即，對(duì)壓力容器材料進(jìn)行“以?xún)?yōu)代劣”可能會(huì)引發(fā)相應(yīng)的熱處理要求變化。

③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，在價(jià)格方面要高于碳素鋼，但是其抗應(yīng)力腐蝕性能卻不如碳素鋼好。材料代用時(shí)如果考慮不周將會(huì)給壓力容器的使用帶來(lái)安全隱患。在有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向和濕H2S環(huán)境中的設(shè)備，隨著壓力容器用鋼級(jí)別的提高，相應(yīng)的對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性加大，在這種情況下如國(guó)用16MnR等低合金鋼代替20R、20g及Q235系列鋼會(huì)更容易出現(xiàn)問(wèn)題，原則上這類(lèi)“以?xún)?yōu)代劣”是不允許的。

(2)材料性能對(duì)于某種材料而言，是確定不變的，是不以人們的意志為轉(zhuǎn)移的。但是，在不同的情況下，人們對(duì)材料性能的需求是千變?nèi)f化的，壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中的“選材”及必要時(shí)的“代材”應(yīng)圍繞著這些“需求”展開(kāi)。在材料代用問(wèn)題上“優(yōu)”“劣”判斷，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。

①鎮(zhèn)靜鋼雖然在價(jià)格和強(qiáng)度指標(biāo)上要優(yōu)于沸騰鋼，但是，當(dāng)用于制造搪玻璃容器時(shí)，沸騰鋼的涂搪效果反而比鎮(zhèn)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(chǎng)合，如含Cl?離子介質(zhì)的工況。

③雖然16MnDR的低溫性能要優(yōu)于16MnR，價(jià)格也要高一些，但是其耐高溫性能卻不如16MnR，例如在設(shè)計(jì)溫度300℃時(shí)，16MnDR的許用應(yīng)力為131MPa而16MnR的許用應(yīng)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(duì)同一設(shè)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(shè)備使用壽命大大縮短。

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

(3)換熱器殼體、換熱管的材料代用涉及對(duì)其線(xiàn)脹系數(shù)的考慮。從降低溫差應(yīng)力的角度來(lái)看，如有可能的話(huà)，可以這樣考慮換熱器殼體材料與換熱管材料的匹配關(guān)系：

①當(dāng)管/殼程存在較大溫差時(shí)，一般情況下管/殼程可選用線(xiàn)脹系數(shù)相差較大的材料，其原則為：當(dāng)管子溫升較大時(shí)，選材時(shí)應(yīng)使管子材料的線(xiàn)脹系數(shù)小于殼程圓筒材料的線(xiàn)脹系數(shù)；當(dāng)殼程圓筒溫升較大時(shí)，選材應(yīng)使殼程圓筒材料的線(xiàn)脹系數(shù)小于管子材料的線(xiàn)脹系數(shù)。

②當(dāng)管/殼程存在較小的溫差時(shí)，管/殼程可以選用相同的材料。

事實(shí)上線(xiàn)脹系數(shù)相差較大的材料往往是對(duì)鐵素體材料與奧氏體材料之間比較而言，鐵素體材料的線(xiàn)脹系數(shù)較低，奧氏體材料的線(xiàn)脹系數(shù)較高。

(4)超低碳不銹鋼的價(jià)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。從耐腐蝕性來(lái)說(shuō)，需要降低含碳量；而從耐高溫性能來(lái)說(shuō)，則需要適當(dāng)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(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變，對(duì)容器的受力狀態(tài)有害而無(wú)利。厚壁容器更容易產(chǎn)生三向拉應(yīng)力的平面應(yīng)變脆性斷裂。

(1)當(dāng)對(duì)壓力容器殼體中的個(gè)別部件“以厚代薄”（如加厚封頭），會(huì)形成殼體的幾何不連續(xù)，造成局部應(yīng)力。這種不利影響對(duì)有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向的容器和承受狡辯載荷的容器后果尤為嚴(yán)重。在JB/T4736-2002中所給出的補(bǔ)強(qiáng)圈最大厚度為30mm，此時(shí)，不允許以大于30mm的鋼板制作補(bǔ)強(qiáng)圈，即不得“以厚代薄”

(2)壓力容器殼體整體上的“以厚代薄”會(huì)發(fā)生新的問(wèn)題：

①原設(shè)計(jì)中選用的焊接要求、無(wú)損檢測(cè)要求及熱處理要求都有可能相應(yīng)發(fā)生變化。

②殼體增厚，使壓力容器的重量相應(yīng)增加，可能使容器的制作和基礎(chǔ)受力狀況不佳。

③對(duì)于殼體兼做傳熱原件的壓力容器，增加殼體厚度會(huì)降低傳熱效果。

(3)換熱器主要元件的“以厚代薄”會(huì)造成原本平衡的力系不平衡，此時(shí)，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

換熱器管板強(qiáng)度計(jì)算是將管束當(dāng)做彈性支撐，而管板則作為放置于這種彈性支撐基礎(chǔ)上的圓平板。然后，根據(jù)載荷大小、管束的剛度及周邊支撐情況來(lái)確定管板的彎曲應(yīng)力。在管板計(jì)算中，按有溫差的各種工況計(jì)算出的管板應(yīng)力、殼體軸向應(yīng)力、換熱管軸向應(yīng)力、換熱管與管板之間的拉脫力，只要有一個(gè)不能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，就需要設(shè)置膨脹節(jié)或采取其他相應(yīng)措施。溫差應(yīng)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(yīng)的增大溫差應(yīng)力，所以需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算。

(4)對(duì)于膨脹節(jié)、波紋管、撓性薄管板和薄管板等元件，原則性不應(yīng)“以厚代薄”，因?yàn)殡S著元件厚度的增加，其剛性也相應(yīng)增大，從而削弱了補(bǔ)償變形效果。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

［１］TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)程》.中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.

［２］TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)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(bǔ)強(qiáng)圈.

［６］JB/T4746-2002鋼制壓力容器用封頭.

［７］壓力容器設(shè)計(jì)和制造常見(jiàn)問(wèn)題.中國(guó)五環(huán)化學(xué)工程公司，2001.