如何進(jìn)行正確的選材是壓力容器設(shè)計和制造中的首先要解決的議題，也是相當(dāng)重要的一個方面。一旦材料選取不當(dāng)，會對容器的安全運行留下較大隱患。所以，在壓力容器選材上，應(yīng)根據(jù)容器的運行參數(shù)，如壓力和溫度、操作要求、介質(zhì)特性等，來選取具有合適的力學(xué)、焊接和耐蝕等性能的材料。除此之外，選取材料時還要充分考慮其具體加工工藝和技術(shù)經(jīng)濟性能等其他相關(guān)因素。材料的選擇和改動應(yīng)加以足夠的重視。

　　一、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)濟上的考慮，材料變更、代用的現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)督規(guī)程（TSG R0004-2009）》以及《固定式壓力容器（GB150-2011）》對材料代用都作了相關(guān)規(guī)定。主要有：“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)、檢驗項目和檢驗率等。”材料代用最基本的原則是：要絕對保證，在技術(shù)要求上，代用材料不得低于被代用材料。個別在檢測率或性能項目上要求不嚴(yán)格的代用材料，可以采取檢驗、測試的方式來選擇合適的代用材料。

　　二、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，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。基于自身工作經(jīng)驗，對以下幾種典型的“以優(yōu)代劣”問題發(fā)表些許淺見。

　　2.1 壓力容器制作中，在強度、力學(xué)特征等機械性能方面，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較碳素鋼為差。一般來說，強度級別高的，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)給以充分重視，在技術(shù)要求上予以明示。

　　2.2 材料代用時應(yīng)進(jìn)行細(xì)致、周全的考慮，以避免壓力容器實際使用中可能會出現(xiàn)各種安全隱患。比如處于濕硫化氫環(huán)境下及存在應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險的設(shè)備中，容器對應(yīng)力腐蝕開裂地敏感性隨容器使用的鋼材的強度級別的提高而增大，二者正相關(guān)。此時若將Q235和Q245R系列的鋼材用Q345R等低合金鋼代用就極易產(chǎn)生問題，因此，此類的“以優(yōu)代劣”，原則是不提倡的，應(yīng)當(dāng)避免。

　　2.3 和普通不銹鋼相比，超低碳不銹鋼雖然價格高并具有良好的耐腐蝕性，但前者的高溫?zé)釓娦詤s較后者出色。一般情況下，為了提高耐腐蝕性，需降低碳含量，而為了提高高溫性，則要提高碳的含量。故而，此種情況下的 “以優(yōu)代劣”，要尤其精細(xì)計及設(shè)備的設(shè)計溫度，如有必要，應(yīng)當(dāng)重新計算。

　　2.4 原則上，膨脹節(jié)、爆破片、撓性管板及這類零件的選材不能簡單地進(jìn)行以優(yōu)代劣，特殊情況下必須代用時應(yīng)對代用的材料重新進(jìn)行精確計算，根據(jù)其結(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間出現(xiàn)問題或者失效。

　　對鋼材來說，其化學(xué)成份上的微小差異都可能對其性能造成重大影響，所以要對待任何類型壓力容器鋼材的“以優(yōu)代劣”問題都要予以充分重視，要慎重，以免導(dǎo)致產(chǎn)品和原設(shè)計不符，從而產(chǎn)生重大的不良后果。

　　三、以厚代薄

　　“以厚代薄”常常使容器殼體從平面應(yīng)力狀態(tài)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，很容易造成或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的局部應(yīng)力增加，此時，對于有應(yīng)力腐蝕傾向的容器來說，會造成很大的損害。可能會導(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，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，通常需要對封頭進(jìn)行削邊處理。對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筒體側(cè)實施內(nèi)削邊處理。在厚度增加較大時，往往也要考慮到焊接工藝的變化。

　　3.3 容器殼體整體層面上的“以厚代薄”，雖然并不會造成筒體連接處和封頭的局部應(yīng)力增加，但不可避免地，仍會導(dǎo)致一些不良影響。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，增加了制造難度；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，也必然會對容器的基礎(chǔ)和支座產(chǎn)生不利影響；3）對殼體同時兼具傳熱作用的容器，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，《固定式壓力容器（GB150-2011）》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，Q345R板厚由16mm變?yōu)?/span>18mm時，其許應(yīng)用力則從170MPa降為167MPa，150℃時，Q245R的板厚由16mm變?yōu)?/span>18mm時，其許應(yīng)用力則從135MPa降為125MPa。由此可知，以厚代薄在極端狀態(tài)下反而可能導(dǎo)致材料的強度下降，故而，對處于臨界狀態(tài)的以厚代薄，必須驗算其強度。

　　3.5 因為元件厚度與其剛性是成正比的，厚度越大，剛性越強，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，以防止減弱補償變形的能力。

　　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，應(yīng)對其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。

　　四、結(jié)語

　　壓力容器制造中的材料代用并不單單是技術(shù)問題，更包含容器的安全性、投資的經(jīng)濟效益、制造的成本等經(jīng)濟和管理問題在內(nèi)的綜合的技術(shù)經(jīng)濟問題。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)計方案，應(yīng)給予足夠的重視，并作出相應(yīng)的設(shè)計制作的變更。

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