張興虎（山東百特機(jī)械設(shè)備有限公司，山東臨沂276600）

壓力容器材料代用問(wèn)題探討

張興虎（山東百特機(jī)械設(shè)備有限公司，山東臨沂276600）

本文以材料代用的一般原則、常見(jiàn)材料代用問(wèn)題以及代用程序這幾方面進(jìn)行闡述。

壓力容器；材料代用；制造；

壓力容器設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是材料的選擇，對(duì)于給定工況選擇合適的材料是設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任，材料選擇涉及方方面面，是一個(gè)很復(fù)雜的難題，不管是在容器設(shè)計(jì)中還是制造過(guò)程中材料選擇不正確，都會(huì)給容器的安全性能埋下隱患。所以壓力容器用鋼時(shí)應(yīng)充分考慮容器的使用條件、材料的性能、容器的制造工藝以及經(jīng)濟(jì)合理性。本文沒(méi)有特殊說(shuō)明時(shí)，材料都是指的鋼材。

一、材料代用規(guī)定及一般原則

在壓力容器設(shè)備制造過(guò)程中，由于設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的材料沒(méi)有、對(duì)某元件加工困難或者采購(gòu)困難等問(wèn)題而引起的對(duì)用現(xiàn)有的材料代用原設(shè)計(jì)規(guī)定的材料，在設(shè)備制造過(guò)程中材料經(jīng)常發(fā)生?！豆潭ㄊ綁毫θ萜靼踩夹g(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSGR0004-2009中第2.13條和壓力容器GB150.2-2011中第3.14條及GB150.4-2011中第4.3條都對(duì)材料代用提出了有關(guān)規(guī)定，區(qū)別是受壓元件材料代用GB150規(guī)定的范圍更大。

壓力容器材料代用應(yīng)遵循的一般原則有：受壓元件代用鋼材的技術(shù)要求或?qū)嵨镄阅芩剑òń回洜顟B(tài)、化學(xué)成分、檢驗(yàn)項(xiàng)目、性能指標(biāo)和檢驗(yàn)率以及外形質(zhì)量和尺寸公差）不低于被代用鋼材；個(gè)別材料性能或者檢測(cè)率略低的可以通過(guò)增加檢驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量或者提供檢測(cè)率來(lái)代用；升級(jí)代用，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)合理性。實(shí)際材料代用時(shí)應(yīng)從下面幾點(diǎn)考慮：

1.代用材料的力學(xué)性能、化學(xué)成分、耐腐蝕性能（如耐應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等）及物理性能對(duì)設(shè)計(jì)條件（溫度、壓力、介質(zhì)、結(jié)構(gòu)）的是否合適。

2.代用材料的制造加工工藝技術(shù)是否合適（尤其要注意焊接工藝、焊接材料、焊后熱處理等）。

3.代用材料與原圖紙中規(guī)定的鋼材在鋼材標(biāo)準(zhǔn)上差別性（如性能指標(biāo)、化學(xué)成分、檢驗(yàn)率、檢驗(yàn)項(xiàng)目等）。

4.不同類型的鋼材的代用，要考慮電負(fù)性差異較大時(shí)可能引起的電偶腐蝕、異種鋼焊接以及膨脹系數(shù)差異所引起的熱應(yīng)力等問(wèn)題。

5.代用材料的經(jīng)濟(jì)性。

二、材料代用出現(xiàn)的問(wèn)題

工作當(dāng)中常遇見(jiàn)的材料代用問(wèn)題大致有：以優(yōu)代劣和以高代低、以厚代薄和其他問(wèn)題。

現(xiàn)實(shí)工作中有的情況可以從材料的強(qiáng)度性能指標(biāo)、材料價(jià)格方面簡(jiǎn)單的確定好壞，但有的情況截然不同，會(huì)進(jìn)一步造成容器設(shè)計(jì)的改變，影響容器的安全，應(yīng)給予重視。筆者在工作中積累了一些經(jīng)驗(yàn)，對(duì)材料代用要注意的地方和出現(xiàn)的問(wèn)題做了一些總結(jié)。

1.以優(yōu)代劣和以高代低問(wèn)題

一種材料的性能在某一方面優(yōu)于另一種材料，但某些方面可能劣于另一種材料，在壓力容器某種工況及環(huán)境下對(duì)材料性能的要求也不同，所以材料代用考慮材料性能“優(yōu)”和“劣”問(wèn)題判斷要從實(shí)際情況著手。這方面的實(shí)例在壓力容器上是常見(jiàn)的。

（1）材料以優(yōu)代劣時(shí)，要注意工作介質(zhì)對(duì)材料的相容性：如化工設(shè)備用碳素鋼雖然在強(qiáng)度性能方面沒(méi)有低合金鋼優(yōu)良，但其抗SCC（應(yīng)力腐蝕）強(qiáng)于低合金鋼，且價(jià)格還低于低合金鋼，對(duì)（SCC）抗腐蝕能力一般隨材料的強(qiáng)度級(jí)別的提高而降低，比如對(duì)于液氨、硫化氫腐蝕環(huán)境，如果此情況用Q345R等低合金鋼代替Q245R和Q235系列的鋼材就更容易問(wèn)題；

如在某些工況環(huán)境下奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能還不如碳鋼，如含有氯離子的介質(zhì)的工況。

（2）超低碳不銹鋼（如S30403）耐高溫性能不如普通的奧氏體不銹鋼（如S30408），雖然前者價(jià)格和耐腐蝕性后者。GB150.2中第3.3.3條規(guī)定奧氏體不銹鋼的使用溫度高于525℃時(shí)，鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%。

（3）碳素鋼的強(qiáng)度等機(jī)械性能指標(biāo)雖然低于低合金鋼的，但其冷加工性能與可焊性好。所以此材料代用要考慮其焊接工藝、熱處理的變更。

（4）當(dāng)用強(qiáng)度值高的螺栓材料代用強(qiáng)度值低的螺栓材料時(shí)，法蘭厚度由預(yù)緊力決定的，所以可能法蘭厚度就可能不夠，得重新計(jì)算。

（5）同種材質(zhì)鍛件和板，鍛件的總體性能比板材要好，但在相同條件下，鍛件的許應(yīng)用力略低于板材，若鍛件代用板材，應(yīng)考慮強(qiáng)度是否滿足，重新計(jì)算。

（6）代用材料為高強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)圖紙中結(jié)構(gòu)考慮是否影響設(shè)備結(jié)構(gòu)、制造要求等技術(shù)條件。

2.以厚代薄問(wèn)題

從殼體受的應(yīng)力分析上來(lái)看，以厚代薄對(duì)容器受力有害無(wú)益的，但現(xiàn)實(shí)壓力容器制造過(guò)程中確實(shí)存在的。我們應(yīng)該注意一下問(wèn)題（以相同標(biāo)準(zhǔn)、相同牌號(hào)的材質(zhì)以厚代薄為背景）：

（1）對(duì)設(shè)備殼體同一厚度時(shí)，假如只對(duì)封頭材料加厚，一定加大了厚薄連接處的不連續(xù)應(yīng)力，這種情況對(duì)于有應(yīng)力腐蝕、疲勞載荷的設(shè)備危害很大。

（2）在厚板替代薄板時(shí)，常常導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)改變，比如連接處厚板削邊處理、焊接坡口型式改變、焊接工藝改變等。

（3）設(shè)備殼體整體加厚，會(huì)帶來(lái)某些不好的影響：如原圖紙中對(duì)殼體的無(wú)損檢測(cè)方法及比例、焊接工藝是否適應(yīng)；設(shè)備重量一定增加，對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)和支座受力有一定的影響；對(duì)夾套這類設(shè)備殼體兼做傳熱元件，其殼體加厚度會(huì)一定程度的影響傳熱效果。

（4）設(shè)備受壓元件用材料以厚代薄，可能產(chǎn)生諸如材料供貨狀態(tài)、鋼板超聲、制造過(guò)程中熱處理（包括恢復(fù)材料性能熱處理）及焊接試板等要求。

（5）材料加厚有可能引起設(shè)備強(qiáng)度不夠。例如100℃時(shí)，Q245R板材厚度16mm時(shí)的許應(yīng)用力為147MPa，而Q245R板材厚度18mm時(shí)許應(yīng)用力降為140MPa，由于許用應(yīng)力的降低，厚度增加反而可能引起強(qiáng)度不夠。

圖一：服務(wù)器利用率圖例

圖二：服務(wù)器安裝、維護(hù)用時(shí)對(duì)比

圖三：服務(wù)器節(jié)能降耗對(duì)比

計(jì)算公式：（8KW/H*24小時(shí)*365天）-（3KW/H*24小時(shí)*365天）=43800KW

按照工業(yè)用電0.95元/度計(jì)算，全年可節(jié)約4.1萬(wàn)元電費(fèi)。同時(shí)還可節(jié)約機(jī)房空間，并且提高管理水平降低維護(hù)成本。

五、結(jié)語(yǔ)

vmware虛擬化技術(shù)給油田信息化建設(shè)帶來(lái)的不僅是技術(shù)的提升，同時(shí)也是效益的體現(xiàn)。釋放了管理員大量的勞作時(shí)間，并且在不降低軟件使用性能的前提下降低了軟件部署成本，提升物理服務(wù)器的資源利用率，增強(qiáng)軟件運(yùn)行的連續(xù)性，最大程度的降低管理員的運(yùn)行維護(hù)壓力，從而提升管理。

（6）對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)圈一般不建議厚代薄，如果加厚造成補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體焊接處的不連續(xù)應(yīng)力增大應(yīng)力集中更高。

3.其他問(wèn)題

（1）代用鋼材力學(xué)性能優(yōu)于原鋼材時(shí)不得減薄代用鋼材厚度；代用鋼材力學(xué)性能略差與原鋼材時(shí)也不得增加代用鋼材的厚度，并應(yīng)重算。

（2）材料代用時(shí)必須考慮其材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力是否能滿足強(qiáng)度要求。比如在250℃時(shí)，用S30403代替S30408就得考慮強(qiáng)度是否滿足，因前者在250℃時(shí)的許用應(yīng)力為103MPa，后者相應(yīng)溫度的許用應(yīng)力為122MPa。

（3）關(guān)于撓性管板、爆破片和膨脹節(jié)等這類零件原則上不允許“以厚代薄”、“以優(yōu)代劣”，尤其不允許“以厚代薄”發(fā)生，防止此類元件性能降低甚至破壞。

（4）對(duì)外壓容器材料代用時(shí)應(yīng)注意：在彈性失穩(wěn)范圍內(nèi)，臨界壓力和材料的屈服極限無(wú)關(guān)，僅材料的與彈性模量、泊松比和設(shè)備的幾何參數(shù)有關(guān)，此時(shí)高強(qiáng)度材料代低強(qiáng)度的無(wú)用；在非彈性失穩(wěn)范圍內(nèi)，臨界壓力與材料的屈服極限相關(guān)，此時(shí)高強(qiáng)度材料代低強(qiáng)度的有用。

（5）中外牌號(hào)材料代用，兩者牌號(hào)的對(duì)照關(guān)系、相近關(guān)系、不同類型關(guān)系應(yīng)不同對(duì)待。

（6）材料代用后，可能引起設(shè)備整體的耐壓試驗(yàn)壓力大小變化，必須嚴(yán)格按《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定實(shí)施。

（7）不同類型的材料代用帶來(lái)的問(wèn)題比較復(fù)雜，實(shí)際工作中盡量少用。

三、材料代用一般程序

受壓元件的材料代用手續(xù)有：①代用的材料必須符合壓力容器用材的相關(guān)要求，由采供部（供應(yīng)部）填寫(xiě)材料代用申請(qǐng)單；②材料代用申請(qǐng)單送往設(shè)計(jì)部門(mén)由設(shè)計(jì)人、各責(zé)任人會(huì)簽，簽寫(xiě)意見(jiàn)，并和材料復(fù)驗(yàn)報(bào)告或質(zhì)量證明書(shū)一起由主管負(fù)責(zé)人審核批準(zhǔn)；③材料被代用前一定要獲得圖紙?jiān)O(shè)計(jì)單位的紙面同意；④在容器的竣工圖和出廠合格證上做詳細(xì)記錄。

非受壓元件（支座墊板、吊耳墊板和裙座等相識(shí)的焊接件材料代用手續(xù)按受壓元件材料代用的規(guī)定）也應(yīng)填寫(xiě)材料代用申請(qǐng)單由有設(shè)計(jì)資格的制造單位自己審批，制造單位及審批人應(yīng)對(duì)其代料后的容器質(zhì)量負(fù)責(zé)。

材料代用單及申請(qǐng)單必須隨其他資料一起歸檔，按規(guī)定的方法放入相應(yīng)產(chǎn)品檔案內(nèi)。

四、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)鋼制壓力容器規(guī)則設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB150）主要采用彈性失效準(zhǔn)，它其實(shí)重視的是材料塑性和韌性，所以對(duì)材料力學(xué)性能的要求，我們直觀上考只慮強(qiáng)度是錯(cuò)誤的。塑性和韌性一般隨強(qiáng)度或厚度的提高而降低，所以一味的提高強(qiáng)度或厚度可能造成由“優(yōu)”變“劣”。壓力容器的材料代用牽連著各方面，比如：技術(shù)問(wèn)題，安全問(wèn)題、經(jīng)濟(jì)效益、成本問(wèn)題等。我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不違反規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及材料代用程序下，我們要綜合考慮各方面來(lái)選用代用材料。其實(shí)不管材料代用是哪種類型的，實(shí)質(zhì)上是對(duì)原來(lái)設(shè)備設(shè)計(jì)的變更，我們必須給予足夠的重視。

［1］王非，化工壓力容器設(shè)計(jì)：方法、問(wèn)題和要點(diǎn)（第二版），北京：化學(xué)工業(yè)出版社2009.

［2］戴季煌，陳澤溥，朱秋爾等，承壓設(shè)備設(shè)計(jì)典型問(wèn)題精解，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

張興虎（1983—），男，山東省濟(jì)寧市人，工作單位：山東百特機(jī)械設(shè)備有限公司，職務(wù)：壓力容器設(shè)計(jì)員。