楊光，宋笛，高東平

（中國(guó)昆侖工程有限公司，北京 100037）

不銹鋼復(fù)合板是以不銹鋼作為覆層，以普通低合金鋼（如碳鋼）等材料作為基層，通過(guò)爆炸、軋制等方法結(jié)合成為一體的一種復(fù)合板材。不銹鋼復(fù)合板兼具不銹鋼覆層的耐腐蝕、耐磨和抗磁等性能，又具有基層材料良好的力學(xué)性能和焊接性能。而且相比覆層不銹鋼材料，不銹鋼復(fù)合板大部分材料為價(jià)格更低的基層低合金鋼，當(dāng)板材厚度超過(guò)某一定范圍時(shí)能節(jié)省不銹鋼材料，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。因此不銹鋼復(fù)合板在壓力容器制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

《HG/T 20581-2011 鋼制化工容器材料選用規(guī)定》第5.0.3條規(guī)定：“所需不銹鋼鋼板厚度大于12mm時(shí)，宜采用襯里、復(fù)合、堆焊等結(jié)構(gòu)形式”。本文針對(duì)壓力容器用不銹鋼復(fù)合板，探討相對(duì)同壓力、溫度參數(shù)下，當(dāng)基層采用多少厚度的不銹鋼復(fù)合板，相比純不銹鋼板具有經(jīng)濟(jì)性。

1 鋼板及復(fù)合板費(fèi)用說(shuō)明

不同厚度的鋼板在軋制工藝、力學(xué)性能等方面均有不同，因此價(jià)格也會(huì)有差異。表1為某復(fù)合鋼板廠提供的幾種常用的不同規(guī)格的壓力容器鋼板價(jià)格。

當(dāng)前我國(guó)90%不銹鋼復(fù)合鋼板采用爆炸復(fù)合方法制造，其生產(chǎn)工藝是將不銹鋼板重疊置于碳鋼基板上，不銹鋼板和碳鋼基板之間用墊子間隔出一定的距離，不銹鋼板上面平鋪炸藥，炸藥爆炸的能量，使不銹鋼板高速撞擊碳鋼基板，產(chǎn)生高溫高壓使兩種材料的界面實(shí)現(xiàn)固相焊接。爆炸復(fù)合工藝對(duì)環(huán)境會(huì)造成振動(dòng)、噪聲和煙塵污染，但是設(shè)備投資少，國(guó)內(nèi)爆炸生產(chǎn)廠大小有上百家。在與復(fù)合鋼板生產(chǎn)廠家的交流中得知，復(fù)合板的費(fèi)用主要由覆層鋼板費(fèi)用+基層鋼板費(fèi)用+復(fù)合費(fèi)用組成。材料不同對(duì)爆炸復(fù)合費(fèi)用的影響并不是很大，例如，Q235R/Q345R與S30408/S31603復(fù)合，每平米的價(jià)格都在2000元左右。

2 碳鋼與不銹鋼鋼板的許用應(yīng)力對(duì)比

本文以《GB/T 150.2-2011 壓力容器 第2部分：材料》中給出的鋼板許用應(yīng)力值為依據(jù)，對(duì)表1中列出的幾種壓力容器常用鋼板進(jìn)行許用應(yīng)力值的對(duì)比。由于鋼板的許用應(yīng)力

表1 常用壓力容器碳鋼與不銹鋼板價(jià)格

隨著溫度的變化而變化，為了便于比較，選取150℃下鋼板的許用應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 150℃下碳鋼與不銹鋼鋼板的許用應(yīng)力值

下面以內(nèi)壓圓筒為例，根據(jù)中徑公式推導(dǎo)出其計(jì)算厚度與許用應(yīng)力的關(guān)系?！禛B/T 150.2-2011 壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》中規(guī)定內(nèi)壓圓筒的計(jì)算厚度按下式計(jì)算：

式中，pc為壓力容器的計(jì)算壓力，占分母的比重相對(duì)較小，為了便于比較可以將其忽略，則可得出，在設(shè)備尺寸、設(shè)計(jì)條件完全一致的情況下，兩種材料計(jì)算厚度的比值大致與許用應(yīng)力成反比，即：

利用這個(gè)推論可以簡(jiǎn)化計(jì)算公式，便于做出鋼板價(jià)格的對(duì)比。

3 復(fù)合鋼板與不銹鋼鋼板價(jià)格對(duì)比

下面以具體計(jì)算來(lái)說(shuō)明基層采用何種厚度的復(fù)合鋼板，對(duì)純不銹鋼板才會(huì)形成較為明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

3.1 對(duì)比條件

S30408+Q345R的復(fù)合鋼板在化工行業(yè)中應(yīng)用得非常廣泛，對(duì)比S30408+Q345R復(fù)合鋼板與S30408鋼板的價(jià)格具有一定的代表性和實(shí)用性。具體條件如表3所示。

表3 S30408不銹鋼板與S30408+Q345R復(fù)合板條件

（1）根據(jù)《NB/T 47002.1-2019 壓力容器用復(fù)合板第1部分：不銹鋼-鋼復(fù)合板》的規(guī)定，覆材厚度宜為2～16mm，以下計(jì)算取常用規(guī)格3mm。

（2）為便于對(duì)比價(jià)格，不計(jì)入覆層材料的強(qiáng)度。

（3）S30408、Q345R及兩者的復(fù)合板密度差別不大，統(tǒng)一設(shè)為7900kg/m3。

3.2 對(duì)比計(jì)算

根據(jù)表3進(jìn)行價(jià)格計(jì)算，S30408不銹鋼板的價(jià)格t1為：

S30408+Q345R復(fù)合板鋼板的價(jià)格t2為：

如果令復(fù)合板價(jià)格具有優(yōu)勢(shì)，則，t2

簡(jiǎn)化后可得到下式：

假設(shè)此時(shí)復(fù)合板碳鋼基層厚度δ2位于3～16mm區(qū)間，根據(jù)式（1）可以得出：

將式（5）代入式（4）可以計(jì)算得出：δ1>20.5，即20.5mm為純S30408鋼板經(jīng)濟(jì)性厚度臨界點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)復(fù)合板基層厚度δ2=0.725，δ1=14.9厚度處于3～16mm區(qū)間，則無(wú)需修正；若得到δ2超過(guò)該區(qū)間，則應(yīng)根據(jù)表2中相應(yīng)許用應(yīng)力值修正式（5）中[σ]t2。

通過(guò)以上計(jì)算可以說(shuō)明，設(shè)計(jì)溫度150℃、不銹鋼覆層取3mm時(shí)，當(dāng)選用的純S30408鋼板的厚度超過(guò)20.5mm左右時(shí)，價(jià)格會(huì)高于選用復(fù)合鋼板。如果換成對(duì)比S31603+Q345R復(fù)合鋼板與S31603鋼板，按照同樣的計(jì)算方法，可以得出設(shè)計(jì)溫度150℃、不銹鋼覆層取3mm時(shí)，當(dāng)純S31603鋼板的厚度δ1>13.4的時(shí)候，已不宜選用不銹鋼板。

應(yīng)用相同方法可進(jìn)行同樣設(shè)計(jì)條件下采用純不銹鋼材料，與基層為Q345R、覆層為不同的不銹鋼復(fù)合板的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。將采用該方法得到的一系列數(shù)值繪制成純不銹鋼材料經(jīng)濟(jì)厚度臨界曲線。將所得結(jié)果繪制成曲線，如圖1（覆層厚度3mm）和圖2（覆層厚度5mm）所示，若設(shè)計(jì)條件下壓力容器純不銹鋼材料計(jì)算厚度值位于曲線上方時(shí)，此時(shí)，不銹鋼復(fù)合板具有經(jīng)濟(jì)性，反之，厚度值位于曲線下方，此時(shí)，采用純不銹鋼鋼板具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

圖1 對(duì)于覆層3mm不銹鋼復(fù)合板，純不銹鋼材料經(jīng)濟(jì)性厚度臨界曲線

圖2 對(duì)于覆層5mm不銹鋼復(fù)合板，純不銹鋼材料經(jīng)濟(jì)性厚度臨界曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)曲線分析可知：

（1）設(shè)計(jì)溫度小于400℃時(shí)，純不銹鋼厚度臨界點(diǎn)相差不大，當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，厚度臨界點(diǎn)會(huì)有較大提升。原因在于碳鋼材料由400～450℃時(shí)，許用應(yīng)力下降近一半，而此時(shí)不銹鋼材料許用應(yīng)力下降不明顯，因此δ2與δ1比值變大，臨界點(diǎn)升高。

（2）不銹鋼材料價(jià)格高（如S31603）時(shí)，比不銹鋼材料價(jià)格低（如S30408）時(shí)的厚度臨界點(diǎn)低。原因是爆炸費(fèi)用占不銹鋼材料費(fèi)用的比重下降，因而厚度臨界點(diǎn)低。

（3）不同覆層厚度對(duì)曲線也有影響，當(dāng)覆層厚度增大時(shí)，同樣條件下純不銹鋼厚度臨界點(diǎn)整體均提升。原因是覆層材料費(fèi)用的增加，使復(fù)合板整體材料費(fèi)用提高，降低了復(fù)合板的經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算，本文提供了對(duì)比化工設(shè)備中選用純不銹鋼板和復(fù)合鋼板經(jīng)濟(jì)性的分析方法，可以幫助設(shè)計(jì)人員正確選材，節(jié)約項(xiàng)目成本，具有實(shí)際的工程意義。但文中并未考慮供貨周期、焊接、無(wú)損檢測(cè)等其他因素的影響，設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面分析，結(jié)合更多的實(shí)際情況綜合考慮選材的合理性。