压力容器的材料代用

压力容器的材料代用

杨黎民

北京承天倍达过滤技术有限责任公司北京101312

摘要：压力容器广泛应用于国民经济的各个领域，其在设计和制造过程中经常涉及到材料代用问题，本文就压力容器材料代用中应注意的一些问题进行了讨论。

关键词：压力容器材料代用

压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。压力容器广泛地应用于国民经济的各个领域，其所盛装的介质可以是各种不同的物态、物性或是具有特殊的腐蚀性、易爆或毒性危害。

选择压力容器材料时应考虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）、材料的性能（力学性能、工艺性能、化学性能和物理性能）、容器的制造工艺以及经济合理性。由于压力容器在化工领域的广泛性、重要性及危险性，而材料代用在目前的压力容器设计中时有发生，现就以下内容简单讨论压力容器设计中材料代用的一些问题。

1“以优代劣”问题

压力容器用金属材料的主要性能包括力学性能、制造工艺性能、耐腐蚀及耐高温性能等。一种材料在某方面的性能“优”于另一种材料，有可能在其他方面“劣”于另一种材料。这就需要在压力容器设计和制造过程中引起注意。

（1）压力容器用低合金钢，虽然其强度等力学性能方面的指标优于碳素钢，但其可焊性却不如碳素钢。发生这方面的材料代用时，应相应修改焊接材料的要求。

（2）压力容器用钢，虽然某种材料常温时的强度等力学性能方面的指标“优”于另一种材料，但在高温时，其性能不一定优于另一种材料，甚至在温度超过一定值时不可用。如：Q370R材料在350℃以下时，其许用应力高于Q345R材料，但温度超过350℃时，Q370R材料就不能使用。

（3）压力容器用钢，虽然某种材料的强度等力学性能方面的指标“优”于另一种材料，但其抗应力腐蚀的性能却不如另一种材料好。发生此类材料代用时，如果考虑不周将会给压力容器的安全使用留下隐患。因为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，这是在设计过程中无法回避的问题。

（4）GB/T150.1～150.4-2011《压力容器》标准（以下简称：标准）中对焊缝表面不得有咬边的容器有明确规定，如：不锈钢材料制造的容器。发生这方面的“以优代劣”时，一定要严格遵守标准中的要求。且应注意，发生类似不锈钢材料代替碳钢或低合金钢材料时，相应的无损检测方法也需要相应调整。

（5）对于压力容器的平盖或换热器管板来说，锻件的综合性能优于板材，所以一般采用锻件，但在一定厚度范围内也可以选用板材。如果用板材代用锻件时，一定要注意板材的适用厚度范围。一般情况下，厚度相同的板材其许用应力略高于锻件，当发生锻件代用板材时，一定要重新进行计算，校核平盖或管板的厚度。另外，换热器管板的材料代用除与强度有关外，还涉及到应力平衡计算问题，所以在发生这方面的材料代用时，一定要慎重处理。

2“以厚代薄”问题

前面讨论的“以优代劣”涉及的是不同材质之间的材料代用，下面重点讨论同种材质间的“以厚代薄”问题，这种情况在压力容器的制造过程中也时有发生，下面就“以厚代薄”过程中应注意的问题进行讨论。

（1）压力容器用钢在厚度超过一定值时，标准对材料的热处理状态有明确的要求，如：用于压力容器壳体的Q345R材料，当其厚度大于36mm时，应在正火状态下使用。发生这方面的材料代用时，一定要注意标准对材料热处理状态的要求。

（2）压力容器用钢其许用应力和厚度密切相关，发生“以厚代薄”情况时，有可能造成压力容器用钢的许用应力下降，即“以厚代薄”之后强度计算反而不合格。发生此类材料代用时，需要重新进行计算。

（3）压力容器壳体用碳素钢和低合金钢钢板当其厚度超过一定值时，标准要求对钢板逐张进行超声检测，厚度达到一定值时，需要对每张热处理钢板进行拉伸和V型缺口冲击试验。发生这方面的材料代用时，一定要严格按照标准的要求执行。

（4）标准中外压圆筒的计算中，是以DO/δe=20为界来进行设计，当DO/δe≥20时，仅考虑筒体的稳定性失效，当DO/δe＜20时，需要同时考虑筒体的强度失效和稳定性失效。如果原设计时仅考虑筒体的稳定性失效（即DO/δe≥20），当发生“以厚代薄”时，δe值增大，DO/δe减小，如果发生DO/δe＜20的情况，此时需要重新进行设计。虽然这种情况一般不会发生，但在实际设计和制造过程中也应注意避免此类情况的发生。

（5）压力容器设计中，当采用补强圈补强时，标准及其引用标准中对补强圈的厚度有明确的规定，发生此类材料代用时，设计单位和制造单位都应严格按照标准及其引用标准的规定执行，当补强圈厚度超界时，严禁“以厚代薄”。

（6）压力容器的B类焊接接头以及圆筒与球形封头相连的A类焊接接头，当两侧钢材厚度不等时，标准中给出了明确规定，这种情况下的“以厚代薄”，应严格按照标准进行削薄或堆焊处理。而且在某些情况下，比如有应力腐蚀的环境，尽量避免“以厚代薄”。

3材料代用中应注意的其他问题

上面讨论了材料代用中经常发生的情况及注意事项，实际制造过程中发生的材料代用绝不仅限于上面讨论的范围，还可能出现以下问题：

（1）压力容器壳体用钢整体的“以厚代薄”，可能会出现如下问题：

①原设计中选用的焊接接头系数、耐压试验压力值、焊接接头结构、材质状态、许用应力、拉伸试验、冲击试验、板材超声检测、热处理及无损检测要求都有可能发生相应变化；

②壳体增厚，使压力容器的重量相应增加，可能使容器的支座受力状况不佳，可能需要重新进行应力校核。

（2）压力容器人孔筒节的“以厚代薄”，可能会出现如下问题：

①筒节增厚，按标准要求可能需要进行成形后恢复性能热处理；

②筒节用板材增厚，可能造成利用现有设备无法卷制成形。

（3）对于某种材料而言，其材料性能是确定不变的，是不以人的意志为转移的。但在不同的情况下，人们对材料性能的需求是千变万化的，压力容器设计和制造过程中的材料代用应围绕着这些“需求”展开，应具体问题具体分析，下面列举几种情况：

①即使是不锈钢也有其耐腐蚀性能不如碳钢和低合金钢的场合，如含Cl-介质的工况；

②即使同样是不锈钢，其性能和使用条件也大相径庭。如铁素体型（S1××××）钢板以退火状态供货，奥氏体型（S3××××）钢板以固溶热处理状态供货。奥氏体型不锈钢基本上没有脆性转变温度，而铁素体型不锈钢有脆性转变温度，标准中规定铁素体型钢板使用温度下限为0℃，就是基于这一因素。

4结束语

以上讨论了压力容器材料代用的一系列问题，压力容器的材料代用问题，不仅是技术问题，材料代用单的数量和能否正确处理材料代用的问题都反映了设计人员的设计水平，而且关系到压力容器的安全、经济效益和生产管理等方面的问题。

鉴于压力容器在国民经济的各个领域的重要性及广泛性，而无论是何种类型的材料代用，本质上都是对压力容器设计方案的变更，都可能需要重新计算，甚至重新考虑设计方案。如果材料代用问题处理不当，可能会引发安全问题，威胁到人民生命和财产安全，因此，在压力容器的设计、制造过程中，应当减少或消除压力容器制造过程中的材料代用现象。

参考文献：

1GB/T150.1～150.4-2011压力容器[S]

2王非编.化工压力容器设计―方法、问题和要点[M].北京：化学工业出版社，2008