張興虎（山東百特機械設(shè)備有限公司，山東臨沂276600）

壓力容器材料代用問題探討

張興虎（山東百特機械設(shè)備有限公司，山東臨沂276600）

本文以材料代用的一般原則、常見材料代用問題以及代用程序這幾方面進(jìn)行闡述。

壓力容器；材料代用；制造；

壓力容器設(shè)計的首要問題是材料的選擇，對于給定工況選擇合適的材料是設(shè)計工程師的責(zé)任，材料選擇涉及方方面面，是一個很復(fù)雜的難題，不管是在容器設(shè)計中還是制造過程中材料選擇不正確，都會給容器的安全性能埋下隱患。所以壓力容器用鋼時應(yīng)充分考慮容器的使用條件、材料的性能、容器的制造工藝以及經(jīng)濟(jì)合理性。本文沒有特殊說明時，材料都是指的鋼材。

一、材料代用規(guī)定及一般原則

在壓力容器設(shè)備制造過程中，由于設(shè)計圖紙規(guī)定的材料沒有、對某元件加工困難或者采購困難等問題而引起的對用現(xiàn)有的材料代用原設(shè)計規(guī)定的材料，在設(shè)備制造過程中材料經(jīng)常發(fā)生。《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSGR0004-2009中第2.13條和壓力容器GB150.2-2011中第3.14條及GB150.4-2011中第4.3條都對材料代用提出了有關(guān)規(guī)定，區(qū)別是受壓元件材料代用GB150規(guī)定的范圍更大。

壓力容器材料代用應(yīng)遵循的一般原則有：受壓元件代用鋼材的技術(shù)要求或?qū)嵨镄阅芩剑òń回洜顟B(tài)、化學(xué)成分、檢驗項目、性能指標(biāo)和檢驗率以及外形質(zhì)量和尺寸公差）不低于被代用鋼材；個別材料性能或者檢測率略低的可以通過增加檢驗項目和數(shù)量或者提供檢測率來代用；升級代用，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)合理性。實際材料代用時應(yīng)從下面幾點考慮：

1.代用材料的力學(xué)性能、化學(xué)成分、耐腐蝕性能（如耐應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等）及物理性能對設(shè)計條件（溫度、壓力、介質(zhì)、結(jié)構(gòu)）的是否合適。

2.代用材料的制造加工工藝技術(shù)是否合適（尤其要注意焊接工藝、焊接材料、焊后熱處理等）。

3.代用材料與原圖紙中規(guī)定的鋼材在鋼材標(biāo)準(zhǔn)上差別性（如性能指標(biāo)、化學(xué)成分、檢驗率、檢驗項目等）。

4.不同類型的鋼材的代用，要考慮電負(fù)性差異較大時可能引起的電偶腐蝕、異種鋼焊接以及膨脹系數(shù)差異所引起的熱應(yīng)力等問題。

5.代用材料的經(jīng)濟(jì)性。

二、材料代用出現(xiàn)的問題

工作當(dāng)中常遇見的材料代用問題大致有：以優(yōu)代劣和以高代低、以厚代薄和其他問題。

現(xiàn)實工作中有的情況可以從材料的強度性能指標(biāo)、材料價格方面簡單的確定好壞，但有的情況截然不同，會進(jìn)一步造成容器設(shè)計的改變，影響容器的安全，應(yīng)給予重視。筆者在工作中積累了一些經(jīng)驗，對材料代用要注意的地方和出現(xiàn)的問題做了一些總結(jié)。

1.以優(yōu)代劣和以高代低問題

一種材料的性能在某一方面優(yōu)于另一種材料，但某些方面可能劣于另一種材料，在壓力容器某種工況及環(huán)境下對材料性能的要求也不同，所以材料代用考慮材料性能“優(yōu)”和“劣”問題判斷要從實際情況著手。這方面的實例在壓力容器上是常見的。

（1）材料以優(yōu)代劣時，要注意工作介質(zhì)對材料的相容性：如化工設(shè)備用碳素鋼雖然在強度性能方面沒有低合金鋼優(yōu)良，但其抗SCC（應(yīng)力腐蝕）強于低合金鋼，且價格還低于低合金鋼，對（SCC）抗腐蝕能力一般隨材料的強度級別的提高而降低，比如對于液氨、硫化氫腐蝕環(huán)境，如果此情況用Q345R等低合金鋼代替Q245R和Q235系列的鋼材就更容易問題；

如在某些工況環(huán)境下奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能還不如碳鋼，如含有氯離子的介質(zhì)的工況。

（2）超低碳不銹鋼（如S30403）耐高溫性能不如普通的奧氏體不銹鋼（如S30408），雖然前者價格和耐腐蝕性后者。GB150.2中第3.3.3條規(guī)定奧氏體不銹鋼的使用溫度高于525℃時，鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%。

（3）碳素鋼的強度等機械性能指標(biāo)雖然低于低合金鋼的，但其冷加工性能與可焊性好。所以此材料代用要考慮其焊接工藝、熱處理的變更。

（4）當(dāng)用強度值高的螺栓材料代用強度值低的螺栓材料時，法蘭厚度由預(yù)緊力決定的，所以可能法蘭厚度就可能不夠，得重新計算。

（5）同種材質(zhì)鍛件和板，鍛件的總體性能比板材要好，但在相同條件下，鍛件的許應(yīng)用力略低于板材，若鍛件代用板材，應(yīng)考慮強度是否滿足，重新計算。

（6）代用材料為高強度時，應(yīng)根據(jù)圖紙中結(jié)構(gòu)考慮是否影響設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造要求等技術(shù)條件。

2.以厚代薄問題

從殼體受的應(yīng)力分析上來看，以厚代薄對容器受力有害無益的，但現(xiàn)實壓力容器制造過程中確實存在的。我們應(yīng)該注意一下問題（以相同標(biāo)準(zhǔn)、相同牌號的材質(zhì)以厚代薄為背景）：

（1）對設(shè)備殼體同一厚度時，假如只對封頭材料加厚，一定加大了厚薄連接處的不連續(xù)應(yīng)力，這種情況對于有應(yīng)力腐蝕、疲勞載荷的設(shè)備危害很大。

（2）在厚板替代薄板時，常常導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)改變，比如連接處厚板削邊處理、焊接坡口型式改變、焊接工藝改變等。

（3）設(shè)備殼體整體加厚，會帶來某些不好的影響：如原圖紙中對殼體的無損檢測方法及比例、焊接工藝是否適應(yīng)；設(shè)備重量一定增加，對設(shè)備基礎(chǔ)和支座受力有一定的影響；對夾套這類設(shè)備殼體兼做傳熱元件，其殼體加厚度會一定程度的影響傳熱效果。

（4）設(shè)備受壓元件用材料以厚代薄，可能產(chǎn)生諸如材料供貨狀態(tài)、鋼板超聲、制造過程中熱處理（包括恢復(fù)材料性能熱處理）及焊接試板等要求。

（5）材料加厚有可能引起設(shè)備強度不夠。例如100℃時，Q245R板材厚度16mm時的許應(yīng)用力為147MPa，而Q245R板材厚度18mm時許應(yīng)用力降為140MPa，由于許用應(yīng)力的降低，厚度增加反而可能引起強度不夠。

圖一：服務(wù)器利用率圖例

圖二：服務(wù)器安裝、維護(hù)用時對比

圖三：服務(wù)器節(jié)能降耗對比

計算公式：（8KW/H*24小時*365天）-（3KW/H*24小時*365天）=43800KW

按照工業(yè)用電0.95元/度計算，全年可節(jié)約4.1萬元電費。同時還可節(jié)約機房空間，并且提高管理水平降低維護(hù)成本。

五、結(jié)語

vmware虛擬化技術(shù)給油田信息化建設(shè)帶來的不僅是技術(shù)的提升，同時也是效益的體現(xiàn)。釋放了管理員大量的勞作時間，并且在不降低軟件使用性能的前提下降低了軟件部署成本，提升物理服務(wù)器的資源利用率，增強軟件運行的連續(xù)性，最大程度的降低管理員的運行維護(hù)壓力，從而提升管理。

（6）對于補強圈一般不建議厚代薄，如果加厚造成補強圈與殼體焊接處的不連續(xù)應(yīng)力增大應(yīng)力集中更高。

3.其他問題

（1）代用鋼材力學(xué)性能優(yōu)于原鋼材時不得減薄代用鋼材厚度；代用鋼材力學(xué)性能略差與原鋼材時也不得增加代用鋼材的厚度，并應(yīng)重算。

（2）材料代用時必須考慮其材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力是否能滿足強度要求。比如在250℃時，用S30403代替S30408就得考慮強度是否滿足，因前者在250℃時的許用應(yīng)力為103MPa，后者相應(yīng)溫度的許用應(yīng)力為122MPa。

（3）關(guān)于撓性管板、爆破片和膨脹節(jié)等這類零件原則上不允許“以厚代薄”、“以優(yōu)代劣”，尤其不允許“以厚代薄”發(fā)生，防止此類元件性能降低甚至破壞。

（4）對外壓容器材料代用時應(yīng)注意：在彈性失穩(wěn)范圍內(nèi)，臨界壓力和材料的屈服極限無關(guān)，僅材料的與彈性模量、泊松比和設(shè)備的幾何參數(shù)有關(guān)，此時高強度材料代低強度的無用；在非彈性失穩(wěn)范圍內(nèi)，臨界壓力與材料的屈服極限相關(guān)，此時高強度材料代低強度的有用。

（5）中外牌號材料代用，兩者牌號的對照關(guān)系、相近關(guān)系、不同類型關(guān)系應(yīng)不同對待。

（6）材料代用后，可能引起設(shè)備整體的耐壓試驗壓力大小變化，必須嚴(yán)格按《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定實施。

（7）不同類型的材料代用帶來的問題比較復(fù)雜，實際工作中盡量少用。

三、材料代用一般程序

受壓元件的材料代用手續(xù)有：①代用的材料必須符合壓力容器用材的相關(guān)要求，由采供部（供應(yīng)部）填寫材料代用申請單；②材料代用申請單送往設(shè)計部門由設(shè)計人、各責(zé)任人會簽，簽寫意見，并和材料復(fù)驗報告或質(zhì)量證明書一起由主管負(fù)責(zé)人審核批準(zhǔn)；③材料被代用前一定要獲得圖紙設(shè)計單位的紙面同意；④在容器的竣工圖和出廠合格證上做詳細(xì)記錄。

非受壓元件（支座墊板、吊耳墊板和裙座等相識的焊接件材料代用手續(xù)按受壓元件材料代用的規(guī)定）也應(yīng)填寫材料代用申請單由有設(shè)計資格的制造單位自己審批，制造單位及審批人應(yīng)對其代料后的容器質(zhì)量負(fù)責(zé)。

材料代用單及申請單必須隨其他資料一起歸檔，按規(guī)定的方法放入相應(yīng)產(chǎn)品檔案內(nèi)。

四、結(jié)語

我國鋼制壓力容器規(guī)則設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB150）主要采用彈性失效準(zhǔn)，它其實重視的是材料塑性和韌性，所以對材料力學(xué)性能的要求，我們直觀上考只慮強度是錯誤的。塑性和韌性一般隨強度或厚度的提高而降低，所以一味的提高強度或厚度可能造成由“優(yōu)”變“劣”。壓力容器的材料代用牽連著各方面，比如：技術(shù)問題，安全問題、經(jīng)濟(jì)效益、成本問題等。我們應(yīng)該認(rèn)識到，在不違反規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及材料代用程序下，我們要綜合考慮各方面來選用代用材料。其實不管材料代用是哪種類型的，實質(zhì)上是對原來設(shè)備設(shè)計的變更，我們必須給予足夠的重視。

［1］王非，化工壓力容器設(shè)計：方法、問題和要點（第二版），北京：化學(xué)工業(yè)出版社2009.

［2］戴季煌，陳澤溥，朱秋爾等，承壓設(shè)備設(shè)計典型問題精解，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

張興虎（1983—），男，山東省濟(jì)寧市人，工作單位：山東百特機械設(shè)備有限公司，職務(wù)：壓力容器設(shè)計員。