压力容器制造中的材料替代分析

？论文关键词:压力容器材料代用以优代劣以厚代薄

？摘要:压力容器设计中最重要的部分之一是材料的选择，它直接关系到压力容器的质量和安全。但由于设备制造过程中采购困难等因素，材料代用现象普遍存在。常见的替代问题有:以次充好、以厚代薄等问题，这些问题直接关系到船舶的质量安全和投资建设方的经济管理问题，值得我们重视。

如何选择合适的材料是压力容器设计和制造的第一步，也是直观而重要的一步。在压力容器的设计和制造过程中，一旦材料选择不当，就会给容器的安全使用留下极大的隐患。因此，在选择压力容器的材料时，应根据容器的具体使用条件，如设计压力和温度、操作特性、介质特性等，选择具有合适的机械性能、焊接性能和耐腐蚀性能的材料。此外，在选材时还要充分考虑具体加工工艺、经济性等其他因素。

1材料替代的具体规定

在设备设计和制造过程中，由于材料采购困难或经济原因，压力容器设计过程中经常出现材料代用现象。《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG R0004-2009)和《钢制压力容器》(GB150-1998)对材料代用做出了相关规定。一般来说，主要要求是:在代用材料的选择上，压力容器的承压部件应具有与代用材料相同或相似的外观质量、化学成分、尺寸公差、性能指标、检验项目和检验率。材料代用最基本的原则是绝对保证代用材料在技术要求上不低于被代用材料。对于一些检测率或性能项目要求不严格的替代材料，可以通过检验和测试来选择合适的替代材料。材料代用的程序要求如下:(1)容器承压部件的代用应严格执行，必须经代用单位技术部门认可，提交代用材料的复验报告或质量证明书，并经负责人批准；(2)在取得原设计单位许可并取得证明文件后，方可在压力容器制造中进行材料代用；(3)压力容器的设计图纸、施工图纸和质量证明书应仔细标明规格、零件、材料和代用材料的规格。

2用优等代替劣等

所有用于压力容器的金属材料都应具有优良的性能，包括机械性能、耐腐蚀性能、耐高温性能和制造工艺。每种材料的性能都是固定的，从性能对比的角度来看，材料之间往往存在“优”与“劣”的问题。但不同情况下每个压力容器对材料性能的要求是不一样的，所以在材料代用上“优”与“差”的判断是以实际为依据，具体问题具体分析。下面，笔者结合自己的工作经验，主要探讨“以次充好”的几个典型问题。

2.1压力容器制造中，常用的低合金钢在强度、机械特性等力学性能上明显优于碳钢，但其冷加工性能和可焊性不是碳钢可比的。一般来说，高强度等级的冷加工性能和可焊性较差，两者呈负相关。所以在这方面进行替代时，焊接工艺也要做相应的调整，热处理过程中也可能有相应的变化，要给予充分的重视。

2.2材料代用应慎重全面考虑，否则压力容器在实际使用中可能出现各种安全隐患。例如，在潮湿的硫化氢环境和有应力腐蚀开裂风险的设备中，容器对应力腐蚀开裂的敏感性随着容器所用钢材强度等级的提高而提高，两者呈正相关。此时，如果20R和Q235、20R系列钢采用16MnR等低合金钢，就容易出现问题。所以这种“以次充好”的行为原则上是不可行的，应该禁止。镇静钢在很多方面比沸腾钢更占优势，但在搪玻璃容器的制造上，镇静钢的搪瓷效果不如沸腾钢。

2.3一般来说，不锈钢的耐腐蚀性能优异，但在含有氯离子的环境中，其耐腐蚀性能不如低合金钢和碳钢。

2.4与普通不锈钢相比，超低碳不锈钢具有价格优势和良好的耐腐蚀性，但其高温热强度更好。一般来说，为了提高耐腐蚀性，必须降低含量，而为了提高耐高温性，必须增加碳的含量。所以在这种情况下，需要准确设计设备温度，必要时重新计算。

2.5原则上，膨胀节、爆破片、挠性管板等零件不得用优等品代替。在特殊情况下，如果必须更换，应使用替代材料重新计算，并根据结果适当调整零件的厚度，以防止此类零件及其相邻零件失效或失效。

2.6对于换热器的管板，锻件的整体性能优于板材，所以通常采用锻件，但当管板厚度小于6cm时，也可用板材代替锻件。但需要注意的是，即使锻件和板材的厚度、材质和设计温度相同，它们的许用作用力也是不同的，前者的许用作用力略低于后者。因此，如果需要用锻件代替板材，管板的厚度应重新核定。

对于钢材来说，化学成分的细微差别都可能对其性能产生很大的影响，所以要充分重视任何类型压力容器用钢的“以次充好”问题，以免造成产品与原设计不符。

3厚而不是薄

“以厚代厚”往往将平面应力状壳体的应力状态变为平面应变状态，这对容器的应力状态是有害的。一般情况下，厚壁容器比薄壁容器更容易产生三维拉应力，进而发生平面应变脆性断裂。

3.1用于原设计中容器盖和圆筒之间的等厚焊接，如果容器外壳

用厚构件代替其他构件容易增加壳体的几何不连续性，会增加封头与筒体连接处的局部应力。此时会对有应力腐蚀倾向的容器造成很大的破坏。可能导致疲劳裂纹，严重的疲劳断裂。

3.2厚板代替薄板时，连接结构往往会发生相应的变化。例如，当圆柱体与加厚的头部连接时，通常需要修整头部。对于以管道为主缸组成的设备，如果增加缸壁厚度，在封头与缸的连接处也必须对缸侧进行倒角。当厚度大幅度增加时，往往与焊接工艺的改变有关。

3.3容器壳体整体水平上的“以厚代厚”不会增加筒体与封头连接处的局部应力，但必然导致以下不利影响。1)厚度增加后，原壳体设计中的探伤方法和焊接工艺也会相应改变，增加了难度；2)壳体厚度的增加必然增加容器的重量，当容器重量增加过多时，必然对容器的基础和支撑产生不利影响；3)对于壳体同时具有传热功能的容器，壳体厚度的增加肯定会影响其传热效果。

3.4钢板的许用作用力与其厚度密切相关。《钢制压力容器》(GB150-1998)指出，钢材的许用作用力随着其厚度的增加而减小，两者呈负相关。例如，在20℃-150℃时，16MnR的厚度由16mm变为18mm时，其许用作用力由170MPa降为167MPa，在150℃时，厚度为20R。可见以厚代薄很可能导致强度不足，所以需要在临界状态下校核以厚代薄的强度。