談壓力容器制造中材料代用
壓力容器所用的全部金屬材料要具有優(yōu)良的性能，怎樣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?xún)?yōu)代劣 以厚代薄
論文摘要：壓力容器設計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，但由于設備制造過(guò)程中采購困難等因素的影響，材料代用現象普遍發(fā)生，常見(jiàn)的代用問(wèn)題有：以?xún)?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方的經(jīng)濟和管理問(wèn)題，值得我們重視。
如何進(jìn)行正確的選材是壓力容器設計和創(chuàng )造中的第一步，也是直觀(guān)重要的一步。在壓力容器的設計和制造過(guò)程中，一旦材料選取不合適，會(huì )對容器的安全使用留下重大隱患。所以，在壓力容器選材上，要根據容器的具體使用條件，如設計的壓力和溫度、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)濟性等其他因素。
1 材料代用的具體規定
在設備的設計和制造過(guò)程中，常常會(huì )出現材料采購困難或者出于經(jīng)濟上的考慮，材料代用的現象經(jīng)常出現在壓力容器的設計過(guò)程中�！豆潭ㄊ綁毫θ萜靼踩夹g(shù)監督規程(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，應和被代用材料有著(zhù)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、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(gè)別在檢測率或性能項目上要求不嚴格的代用材料，可以采取檢驗、測試的方式來(lái)選擇合適的代用材料。材料代用的手續要求為：(1)容器承壓部件的代用要嚴格進(jìn)行，須經(jīng)由代用單位技術(shù)部門(mén)的批準并上報代用材料的復檢報告或質(zhì)量證明，由主管負責人核準批復;(2)必須在獲得原設計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)壓力容器的設計圖、施工圖以及出廠(chǎng)時(shí)的質(zhì)量證明書(shū)中要細致標注代用材料的規格部位、材質(zhì)和規格。
2 以?xún)?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 )出現材料間的“優(yōu)”和“劣”的問(wèn)題。但每種壓力容器對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(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，主要探討了幾種典型的“以?xún)?yōu)代劣”問(wèn)題。
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比不過(guò)碳素鋼。一般來(lái)說(shuō)，強度級別高的，其冷加工性能與可焊性就較差，二者負相關(guān)。所以在進(jìn)行這方面的代用時(shí)，應相應調整焊接工藝，在熱處理時(shí)也可能會(huì )有相應變化，應給予充分重視。
2.2 材料代用時(shí)進(jìn)行細致、周全的考慮，否則壓力容器實(shí)際使用中可能會(huì )出現各種安全隱患。比如處于濕硫化氫環(huán)境下及存在應力腐蝕開(kāi)裂風(fēng)險的設備中，容器對應力腐蝕開(kāi)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(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(lèi)“以?xún)?yōu)代劣”行徑在原則是行不通的，應當被禁止。鎮靜鋼在許多性能方面上，鎮靜鋼都比沸騰鋼要更占優(yōu)勢，但在搪玻璃容器制造時(shí)，鎮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)勢和良好的耐腐蝕性，但前者的高溫熱強性卻更為出色。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?xún)?yōu)代劣”，要尤其精確設計設備溫度，如有必要，應當重新計算。
2.5 原則上，膨脹節、爆破片、撓性管板及這類(lèi)零件不能進(jìn)行以?xún)?yōu)代劣，特殊情況下必須代用時(shí)應以代用的材料為重新進(jìn)行精密計算，根據結果，適當調整零件厚度，以防止這類(lèi)零件及其相鄰部位出現故障或者失效。
2.6 對熱換器管板而言，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)及設計溫度都相同，但兩者的許應用力卻不相同，前者的許應用力稍低于后者。故如需鍛件代用板材，應重新核準管板厚度。
對鋼材來(lái)說(shuō)，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(lèi)型壓力容器鋼材的“以?xún)?yōu)代劣”問(wèn)題都要予以充分重視，以免導致產(chǎn)品和原設計不符。
3 以厚代薄
“以厚代薄”常常使從平面應力狀殼體的受力態(tài)轉變?yōu)槠矫鎽儬顟B(tài)，這對容器受力狀態(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)生三向拉應力，進(jìn)而產(chǎn)生平面應變脆性斷裂。
3.1 對原設計中封頭和筒體間等厚焊接的容器，若對容器殼體的個(gè)別部件進(jìn)以厚代薄，很容易增加殼體的幾何不連續情況，從而使封頭和筒體間的連接部位受到的局部應力增加，此時(shí)，對于有應力腐蝕傾向的容器來(lái)說(shuō)，會(huì )造成很大的損害�？赡軙�(huì )導致疲勞裂紋，嚴重的可能造成疲勞斷裂。
3.2 在厚板替代薄板時(shí)，常常導致連接結構發(fā)生相應改變，例如，筒體與加厚的封頭連接時(shí)，通常需要對封頭進(jìn)行削邊處理。對以管道為主要筒體構成的設備，若增加筒壁厚度，在封頭與筒體的連接部位也須對筒體側實(shí)施內削邊處理。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力增加，但不了避免地，仍會(huì )導致一下不良影響。1)厚度增加后，原來(lái)的殼體設計中的探傷方式和焊接工藝也要進(jìn)行相應的改變，增加難度;2)殼體厚度的增加必然使容器的重量加大，當容器重量增加過(guò)大時(shí)，必然會(huì )對容器的基礎和支座產(chǎn)生不利影響;3)對殼體同時(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，鋼材的許應用力隨著(zhù)其板厚的增大而減小，二者負相關(guān)。例如20℃-150℃環(huán)境下，16mnr板厚由16mm變?yōu)?8mm時(shí)，其許應用力則從170mpa降為167mpa，150℃時(shí)，20r的板厚由16mm變?yōu)?8mm時(shí)，其許應用力則從135mpa降為125mpa。由此可知，以厚代薄很可能導致強度不夠，故而，對處于臨界狀態(tài)的以厚代薄，必須對驗算其強度。
3.5 因為原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、波紋管和膨脹節等元件實(shí)行以厚代薄，以防止減弱補償變形的效果。
3.6 由于換熱器的特殊性，對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)，需要重新設計計算。
綜上所述，以厚代薄的利弊問(wèn)題是很復雜的，在進(jìn)行代用時(shí)，要由相關(guān)設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(lèi)型的容器，應對其焊接工藝、支座和等進(jìn)行相應的調整，以盡可能的消除不利影響。
4 其他注意事項
進(jìn)行材料代用時(shí)，應根據實(shí)際用材情況對焊接工藝進(jìn)行適當的調整，一般調整原則為：用高級材料替代低級材料時(shí)，實(shí)驗和驗收仍可采用低級材料的標準，不用提高標準;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)驗時(shí)，其相應的溫度也可能發(fā)生改變，此時(shí)，要嚴格按gb150的相關(guān)規定執行;當板厚增加超過(guò)gb150所規定的冷卷厚度時(shí)，一定要對筒體進(jìn)行消除應力的熱處理;鋼板的厚度達到一定水平時(shí)，還需要進(jìn)行超聲探傷，必要時(shí)，提高水試驗的壓力。
結語(yǔ)
以鋼為材料主體進(jìn)行設計和制作的壓力容器，在材料的機械性能要求上，在考兩次材料強度的同時(shí)，也應考慮其韌性，在韌性滿(mǎn)足的條件下，則應盡可能提高其強度。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)濟效益、制造商的成本等經(jīng)濟和管理問(wèn)題在內的復雜問(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計方案，應給予相當的重視。
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