摘 要：壓力容器因工作環(huán)境及條件的不同，在容器的設(shè)計制造過程中正確的選擇材料是一件極為復(fù)雜而又特別重要的工作。壓力容器引發(fā)事故的原因中，最重要的一點(diǎn)就是選擇材料不當(dāng)。由于材料采購困難或為了對現(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。而常見的材料代用問題有：以優(yōu)代劣、以厚代薄及其他問題，這些問題直接關(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)和管理問題，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 材料代用的具體規(guī)定

在設(shè)備的設(shè)計和制造過程中，常常會出現(xiàn)材料采購困難或者出于經(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)計過程中。《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督規(guī)程（TSG R0004-2009）》以及《鋼制壓力容器（GB150-1998）》對材料代用做了相關(guān)規(guī)定。一般來講，主要要求如下：壓力容器的承壓部件的代用材料，應(yīng)與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)、檢驗項目和檢驗率等。材料代用最基本的原則是：代用鋼材的技術(shù)要求不低于被代用的鋼材，個別在檢測率或性能項目上要求略低的代用材料，可以采取檢驗、測試的方式來選擇合適的代用材料。

2“ 以優(yōu)代劣”問題

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、制作工藝性能、耐腐蝕性和耐高溫性等。材料性能對于某種材料而言是確定不變的，一種材料在某一方面的性能“優(yōu)”于另一材料的同時，有可能再其他方面“劣”于另一種材料。但每種壓力容器對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”判斷從實際出發(fā)，具體問題具體分析。下面，基于自身工作經(jīng)驗，主要探討了幾種典型的“以優(yōu)代劣”問題。

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碳素鋼。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。

2.2 和普通不銹鋼相比，超低碳不銹鋼雖然具有價格優(yōu)勢和良好的耐腐蝕性，但前者的高溫?zé)釓?qiáng)性卻更為出色。平時，為了提高耐腐蝕性，需降低含量，而為了提高高溫性，需提高炭的含量。故而，此時的 “以優(yōu)代劣”，要尤其精確設(shè)計設(shè)備溫度，如有必要，需重新計算。

2.3對于膨脹節(jié)、爆破片、撓性管板及這類零件，原則上不應(yīng)采用以厚代薄，因為隨著元件的加厚，其剛性相應(yīng)增大，從而削弱了補(bǔ)償變形效果。能進(jìn)行以優(yōu)代劣，特殊情況下必須代用時應(yīng)以代用的材料為重新進(jìn)行精密計算，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。

3“以厚代薄 ”問題

“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)，這對容器受力狀態(tài)來說，是有百害而無一利的，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進(jìn)以厚代薄，勢必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，對于有應(yīng)力腐蝕傾向的容器來說，會造成很大的損害。對于受交變載荷的容器，嚴(yán)重的可能造成疲勞斷裂。

3.2 由于原件厚度與其剛性是成正比的，厚度越大，剛性則越強(qiáng)，所以原則上不允許對撓性薄管板、波紋管和膨脹節(jié)等元件實行以厚代薄，便于防止減弱補(bǔ)償變形的效果。

3.3 容器殼體整體層面上的“以厚代薄”，雖然并不會造成筒體連接處和封頭的局部應(yīng)力增加，但避免不了地，仍會導(dǎo)致不良影響。1）厚度增加后，原來的殼體設(shè)計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)容器重量增加過大時，必然會對容器的基礎(chǔ)和支座產(chǎn)生不利影響；3）對殼體同時具有傳熱作用的容器，殼體厚度的增加肯定會影響其傳熱效果。

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)。如16MnR在20℃-150℃環(huán)境下板厚由16mm變?yōu)?8mm時，其許應(yīng)用力則從170MPa降為167MPa，20R在150℃下板厚由16mm變?yōu)?8mm時，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，對處于臨界狀態(tài)的以厚代薄，必須對驗算其強(qiáng)度。

3.5厚板替代薄板時，經(jīng)常導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)改變，比如，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。

綜上所述，以厚代薄的利弊問題是很復(fù)雜的，在進(jìn)行代用時，須由相關(guān)設(shè)計單位對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。對可采取以厚代薄類型的容器，應(yīng)對其焊接工藝、支座和等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以消除或減少種種不利影響。

4 其他注意事項

（1）進(jìn)行材料代用時，應(yīng)根據(jù)實際用材情況對焊接工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

（2）用高級材料替代低級材料時，實驗和驗收仍可采用低級材料的標(biāo)準(zhǔn)，不用提高標(biāo)準(zhǔn)。

（3）不同材料的耐高溫性、韌度等性能不同時，進(jìn)行最低水壓實驗時，其相應(yīng)的溫度也可能發(fā)生改變，此時，要嚴(yán)格按GB150的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

（4）當(dāng)板厚增加超過GB150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。

（5）鋼板的厚度達(dá)到一定水平時，還需要進(jìn)行超聲探傷，必要時，提高水試驗的壓力。

5結(jié)語

以鋼為材料主體進(jìn)行設(shè)計和制作的壓力容器，在材料的機(jī)械性能要求上，不僅要考慮其韌性，還要考慮其強(qiáng)度，尤其是重視鋼材的塑性儲備量，這是鋼制壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則（彈性失效準(zhǔn)則）決定的。從這個角度上來說，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)度來考慮，而要進(jìn)行綜合辨析和考慮。也可以說，壓力容器制造中的材料待用并不單單是技術(shù)問題，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)和管理問題在內(nèi)的復(fù)雜問題。因此，無論是何種類型的材料代用，其本質(zhì)上均是壓力容器設(shè)計方案的變更，都應(yīng)給予相當(dāng)?shù)闹匾暋?/p>

參考文獻(xiàn)：

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