压力容器设计制造材料代用问题探讨

郭萌锋

(浙江蓝能燃气设备有限公司,浙江绍兴 312369)

压力容器设计制造材料代用问题探讨

郭萌锋

(浙江蓝能燃气设备有限公司,浙江绍兴 312369)

材料的选择是压力容器设计中最重要的部分之一,直接关系到压力容器的质量和安全性。在压力容器制造过程中,材料代用现象普遍发生,以优代劣、以厚代薄等材料代用会对壳体受力情况、设备强度、焊接、热处理、无损检测要求等产生影响,因此无论是何种类型的材料代用,本质上都是压力容器设计方案的变更,都要引起足够的重视。

压力容器 材料代用 以优代劣 以厚代薄

压力容器的材料选择是压力容器设计过程的重要组成部分，如果在设计中材料选择不当，则会给容器的安全性能带来隐患。一般来讲，压力容器的承压部件在代用材料的选择上，应和被代用材料有着相同或者相似的外形质量、化学成分、尺寸公差、性能指标、检验项目等。在压力容器的设计和制造过程中，一旦材料选取不合适，会对容器的安全使用留下重大隐患。因此无论是何种类型的材料代用，本质上都是压力容器设计方案的变更，都要引起足够的重视。

1 材料代用现状

在设备制造过程中，由于采购困难或为了对现有材料进行充分利用等原因，材料代用问题在目前的压力容器设计中时有发生。在《压力容器安全技术监察容规》中对材料代用问题有相应规定，归纳起来有如下要求：压力容器承压部件的代用材料，应与被代用的材料具有相同或相近的化学成分、交货状态、检验项目、性能指标、检验率、尺寸公差以及外形质量等。最基本的代用原则是代用钢材的技术要求不低于被代用的钢材，个别在性能项目或检验率方面要求略低的代用钢材，则通过增加检验来进行代用。同时材料代用要履行下述手续： ①凡压力容器承压部件的材料代用，必须经材料代用单位的技术部门同意，并将代用材料的质量证明书或复验报告报主管负责人审批;②压力容器的材料代用必须征得原设计单位的同意并取得证明文件;③压力容器出厂质量证明书和施工图上应注明代用材料的材质、规格和部位。

2 “以优代劣”问题

(1)所谓以优代劣，即用级别较高的材料或性能较好的材料代替级别较低或性能较差的材料。以优代劣对于一般情况而言总是有益的，它可以增加设备的强度储备和提高设备的安全可靠性，但对于某些特殊工艺环境则不然。例如：对于湿H2S环境的设备中，随着压力容器用钢强度级别的提高，相应地对应力腐蚀开裂的敏感性加大，所以像上述这些特殊环境用16MnR等含Mn、Mo的低合金钢代替20R、20g、Q235等钢，却更容易引发事故。原则上这类“以优代劣”是不允许的。对于用同类钢材，强度级别较高的代用，要注意可焊性，因为一般强度级别越高，其可焊性越差，且焊接材料的变化也将导致焊接工艺的变化。对于膨胀节，爆破片及挠性管板这类零件，原则上不允许以优代劣，否则应按代用后的材料重新计算并适当减薄厚度，否则很可能导致这些元件及相邻部位出现失效。

(2)压力容器用低合金钢虽然其强度等机械性能方面的指标要优于碳素钢，但是其可焊性、冷加工性能却不如碳素钢好，因为一般强度级别越高，其可焊性和冷加工性能就越差，如发生这方面的材料代用时，要相应修改焊接工艺，还可能引发热处理要求的变化。压力容器用低合金钢虽然在强度性能指标上要优于碳素钢，但是其抗应力腐蚀性能却不如碳素钢好。

3 材料代用的影响

(1)对受力情况、强度的影响：材料代用中的“以厚代薄”常使从平面应力状壳体的受力态转变为平面应变状态，这对容器受力状态有害无利。通常情况下，厚壁容器比薄壁容器更容易产生三向拉应力，进而产生平面应变脆性断裂。对原设计中封头和筒体间等厚焊接的容器，若对容器壳体的个别部件 “以厚代薄”，很容易增加壳体的几何不连续情况，从而局部应力增加，此时，对于有应力腐蚀倾向的容器和承受交变载荷的容器来说，会造成很大的损害，可能会导致疲劳裂纹，严重的可能造成疲劳断裂。

(2)考虑压力容器工作环境：《压力容器》(GB 150.1)中规定，对比经验设计的容器材料在力学性能以及腐蚀性能方面也做出了规定。在材料代用的时候需要考虑其强度性能、耐腐蚀性能、耐高温性能等。比如，压力容器用低合金钢虽然在强度性能指标上要优于碳素钢，但是其抗应力、腐蚀性能却不如碳素钢。超低碳不锈钢的价格和耐腐蚀性虽然优于普通不锈钢，但是其耐高温性却不如普通不锈钢。奥氏体不锈钢既是耐酸不锈钢，又是耐热不锈钢，碳在奥氏体不锈钢中具有两重性。

(3)对焊接的影响：进行材料代用时，原先的焊接工艺评定是否覆盖，焊接接头的坡口型式是否合理，是否需要进行预热和焊后热处理等需要注意。应根据实际用材情况对焊接工艺进行适当的调整，一般调整原则为：用高级材料替代低级材料时，实验和验收仍可采用低级材料的标准，不用提高标准;在厚板替代薄板时，常常导致连接结构发生相应改变，例如，筒体与加厚的封头连接时，通常需要对封头进行削边处理。在厚度增加较大时，往往也关系到焊接工艺的变化。一般来说，强度级别高的，其冷加工性能与可焊性就较差，二者负相关。所以在进行这方面的代用时，应相应调整焊接工艺，在热处理时也可能会有相应变化，应给予充分重视。

(4)对热处理要求的影响：钢的过量塑性变形会引起其晶格扭曲，降低钢的塑性和韧性，产生冷作硬化。比如，当板厚增加超过所规定的冷卷厚度时，一定要对筒体进行消除应力的热处理。GB 150.1～150.4—2011中8.1.1规定，对碳钢、低合金钢，成型前厚度大于16mm的应在成型后进行相应热处理恢复材料的性能。比如，还规定了壳体厚度大于60mm的碳素钢和低合金钢板应每张进行热处理。一般来说，强度级别高的钢材其冷加工性能与可焊性就较差，二者负相关。

4 材料代用应注意的其它问题

(1)代用钢板强度、塑性、韧性、化学成分和耐蚀性对设计条件(温度、压力、介质、结构)的适应性。

(2)代用钢材对制造加工工艺的适应性，由于材料的变化，焊接工艺和焊材就应作出相应的修改，以对代用后的材料作出指导，保证改代部位的焊材和焊接工艺的正确性。焊接工艺部门应根据实际用材选择焊材，以及是否需要焊后热处理，两种不同组织(铁素体、奥氏体)的钢材互相代用所引起的热应力、异种钢焊接问题都需注意。

(3)制造中经常遇到主体材料代用情况，当以优代劣或以厚代薄而引起材料在设计温度下的许用应力值下降时，试验压力应做相应调整。

5 结语

综上所述，本文就材料代用的常见问题进行了论述，目的在于使工程技术人员很好地处理材料代用方面的问题，对干设计者来说，当制造单位提出代用申请时，不可认为以优代劣、以厚代薄就可行，而忽略其中存在的问题，甚至成为安全隐患的问题。

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[2]冼建中.刍议压力容器检验中的常见问题及保养管理[J].机械工业标准化与质量,2011年07期.

[3]陈慧媛.压力容器发生膨胀气体爆炸破坏机制研究[J].青海大学学报(自然科学版),2011年04期.