爆炸不锈钢复合板相对纯不锈钢板的经济性分析

杨光，宋笛，高东平

（中国昆仑工程有限公司，北京 100037）

不锈钢复合板是以不锈钢作为覆层，以普通低合金钢（如碳钢）等材料作为基层，通过爆炸、轧制等方法结合成为一体的一种复合板材。不锈钢复合板兼具不锈钢覆层的耐腐蚀、耐磨和抗磁等性能，又具有基层材料良好的力学性能和焊接性能。而且相比覆层不锈钢材料，不锈钢复合板大部分材料为价格更低的基层低合金钢，当板材厚度超过某一定范围时能节省不锈钢材料，带来经济效益。因此不锈钢复合板在压力容器制造领域得到了广泛应用。

《HG/T 20581-2011 钢制化工容器材料选用规定》第5.0.3条规定：“所需不锈钢钢板厚度大于12mm时，宜采用衬里、复合、堆焊等结构形式”。本文针对压力容器用不锈钢复合板，探讨相对同压力、温度参数下，当基层采用多少厚度的不锈钢复合板，相比纯不锈钢板具有经济性。

1 钢板及复合板费用说明

不同厚度的钢板在轧制工艺、力学性能等方面均有不同，因此价格也会有差异。表1为某复合钢板厂提供的几种常用的不同规格的压力容器钢板价格。

当前我国90%不锈钢复合钢板采用爆炸复合方法制造，其生产工艺是将不锈钢板重叠置于碳钢基板上，不锈钢板和碳钢基板之间用垫子间隔出一定的距离，不锈钢板上面平铺炸药，炸药爆炸的能量，使不锈钢板高速撞击碳钢基板，产生高温高压使两种材料的界面实现固相焊接。爆炸复合工艺对环境会造成振动、噪声和烟尘污染，但是设备投资少，国内爆炸生产厂大小有上百家。在与复合钢板生产厂家的交流中得知，复合板的费用主要由覆层钢板费用+基层钢板费用+复合费用组成。材料不同对爆炸复合费用的影响并不是很大，例如，Q235R/Q345R与S30408/S31603复合，每平米的价格都在2000元左右。

2 碳钢与不锈钢钢板的许用应力对比

本文以《GB/T 150.2-2011 压力容器 第2部分：材料》中给出的钢板许用应力值为依据，对表1中列出的几种压力容器常用钢板进行许用应力值的对比。由于钢板的许用应力

表1 常用压力容器碳钢与不锈钢板价格

随着温度的变化而变化，为了便于比较，选取150℃下钢板的许用应力值进行对比，如表2所示。

表2 150℃下碳钢与不锈钢钢板的许用应力值

下面以内压圆筒为例，根据中径公式推导出其计算厚度与许用应力的关系。《GB/T 150.2-2011 压力容器第3部分：设计》中规定内压圆筒的计算厚度按下式计算：

式中，pc为压力容器的计算压力，占分母的比重相对较小，为了便于比较可以将其忽略，则可得出，在设备尺寸、设计条件完全一致的情况下，两种材料计算厚度的比值大致与许用应力成反比，即：

利用这个推论可以简化计算公式，便于做出钢板价格的对比。

3 复合钢板与不锈钢钢板价格对比

下面以具体计算来说明基层采用何种厚度的复合钢板，对纯不锈钢板才会形成较为明显的价格优势。

3.1 对比条件

S30408+Q345R的复合钢板在化工行业中应用得非常广泛，对比S30408+Q345R复合钢板与S30408钢板的价格具有一定的代表性和实用性。具体条件如表3所示。

表3 S30408不锈钢板与S30408+Q345R复合板条件

（1）根据《NB/T 47002.1-2019 压力容器用复合板第1部分：不锈钢-钢复合板》的规定，覆材厚度宜为2～16mm，以下计算取常用规格3mm。

（2）为便于对比价格，不计入覆层材料的强度。

（3）S30408、Q345R及两者的复合板密度差别不大，统一设为7900kg/m3。

3.2 对比计算

根据表3进行价格计算，S30408不锈钢板的价格t1为：

S30408+Q345R复合板钢板的价格t2为：

如果令复合板价格具有优势，则，t2

简化后可得到下式：

假设此时复合板碳钢基层厚度δ2位于3～16mm区间，根据式（1）可以得出：

将式（5）代入式（4）可以计算得出：δ1>20.5，即20.5mm为纯S30408钢板经济性厚度临界点，该点对应复合板基层厚度δ2=0.725，δ1=14.9厚度处于3～16mm区间，则无需修正；若得到δ2超过该区间，则应根据表2中相应许用应力值修正式（5）中[σ]t2。

通过以上计算可以说明，设计温度150℃、不锈钢覆层取3mm时，当选用的纯S30408钢板的厚度超过20.5mm左右时，价格会高于选用复合钢板。如果换成对比S31603+Q345R复合钢板与S31603钢板，按照同样的计算方法，可以得出设计温度150℃、不锈钢覆层取3mm时，当纯S31603钢板的厚度δ1>13.4的时候，已不宜选用不锈钢板。

应用相同方法可进行同样设计条件下采用纯不锈钢材料，与基层为Q345R、覆层为不同的不锈钢复合板的经济性对比。将采用该方法得到的一系列数值绘制成纯不锈钢材料经济厚度临界曲线。将所得结果绘制成曲线，如图1（覆层厚度3mm）和图2（覆层厚度5mm）所示，若设计条件下压力容器纯不锈钢材料计算厚度值位于曲线上方时，此时，不锈钢复合板具有经济性，反之，厚度值位于曲线下方，此时，采用纯不锈钢钢板具有经济优势。

图1 对于覆层3mm不锈钢复合板，纯不锈钢材料经济性厚度临界曲线

图2 对于覆层5mm不锈钢复合板，纯不锈钢材料经济性厚度临界曲线

4 结语

通过曲线分析可知：

（1）设计温度小于400℃时，纯不锈钢厚度临界点相差不大，当温度超过400℃时，厚度临界点会有较大提升。原因在于碳钢材料由400～450℃时，许用应力下降近一半，而此时不锈钢材料许用应力下降不明显，因此δ2与δ1比值变大，临界点升高。

（2）不锈钢材料价格高（如S31603）时，比不锈钢材料价格低（如S30408）时的厚度临界点低。原因是爆炸费用占不锈钢材料费用的比重下降，因而厚度临界点低。

（3）不同覆层厚度对曲线也有影响，当覆层厚度增大时，同样条件下纯不锈钢厚度临界点整体均提升。原因是覆层材料费用的增加，使复合板整体材料费用提高，降低了复合板的经济性。

通过简化计算，本文提供了对比化工设备中选用纯不锈钢板和复合钢板经济性的分析方法，可以帮助设计人员正确选材，节约项目成本，具有实际的工程意义。但文中并未考虑供货周期、焊接、无损检测等其他因素的影响，设计人员应全面分析，结合更多的实际情况综合考虑选材的合理性。