压力容器制造过程中的材料代用思考

摘 要：在压力容器制造过程中，对于材料的代用应该严格按照材料代用的程序进行，并且要严格遵循以高代低和以厚代薄的原则，同时加强材料代用造成的各种影响的关注，对于很多技术参数以及设备的强度等都需要重新计算和验算。

关键词：压力容器制造；材料代用；思考

1 对压力容器制造中材料代用的探讨

材料许用应力值的差异。代用材料在设计温度下的许用应力是否能达到原设计的要求，尤其对不锈钢间的代用更要慎重。例如S30403比S30408有更低的含碳量，有更好的耐腐蚀性，在常规情况下，可以代替S30408使用，但由于许用应力值的差异，仍需考虑设计温度下材料能否满足设备的强度要求。相同温度下，S30408的许用应力比S30403高，当温度大于450℃时，S30403已经不建议使用。故当选用S30408设计时，如直接用S30403代用，很可能造成强度不够，需通过强度计算来校核，确定可行性。

通常情况下，板厚的增加，材料许用应力呈下降趋势，如Q345R，由16mm增加到18mm，许用应力由170MPa下降到163MPa；Q245R在100℃下由16mm增加到18mm时，许用应力由132MPa下降到126MPa。这在封头制造时尤应引起注意，因为在封头下料时往往都要增加一定的毛坯厚度来保证冲压后封头的最小厚度，结果有可能导致冲压后的封头强度不足。因此，当处于这些临界状况下的厚代薄时，还必须对强度进行验算。

对特殊结构材料代用的考虑。如固定管板热交换器管板的强度计算中，应考虑几种工况及温差组合来计算出的管板应力、壳体轴向应力、换热管的轴向应力、管板和管束之间的拉脱力，只要有工况不符合强度要求，就需要考虑设置膨胀节或采取其他对应措施。因此设计人员在收到此类代用申请时，必须校核换热管、壳程圆筒、管板等零件的材料是否符合强度要求，还须充分考虑到替代材料在设计工况下的许用应力以及弹性模量与原材料的差异对壳程圆筒、换热管、管板之间是否有不利影响。如代用申请涉及到膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等元件，采用厚代薄并非合适，原因是随着元件的壁厚增加，其刚度也随着增大，因此削弱了变形形变的效果。对于常见的开孔补强圈的代用申请，也需要注意不宜过度采用“以厚代薄”，因为补强圈厚度增加，会在补强圈与壳体连接的周边将形成很高的应力集中，易产生焊趾部位的应力开裂。

2 压力容器制造过程中材料代用的程序

在容器的制造过程中，应按照容器的设计来完成。但是，若缺乏其中的一项材料，就要使用代用材料。在选择代用材料时应按照一定的程序来选择代用材料。首先，应填写相应的材料代用申请单，在填写申请单时，需要将材料的代用数量、代用规格、牌号等写清楚，同时说明压力容器制造过程中对于这一材料的技术条件，阐明为什么要代用材料以及材料的来源等。填写好申请单之后，需要将其送到责任师处，责任师签字之后才能生效。责任师在签字时，还需要结合申请单上对代用材料的技术条件和理化特征提出材料使用的意见，最后由技术部门批准才能将代用材料的质量证明等上报，主管负责人需要对其进行审核。其次，需要将材料代用单报到原来的压力容器设计单位，只有设计单位允许的才能使用代用材料，设计单位是通过书面证明文件来确认，如果压力容器的设计单位认为不该使用这一代用材料，就不能代用。最后，就是当容器制造完成之后，在压力容器的出厂质量证明书和竣工图中都需要说明材料的代用情况，包括代用材料的规格、部位和材质等。

3 压力容器制造过程中材料代用的原则

3.1 在材料代用过程中，首先要遵从以高代低的原则

就是制造过程中要采用高级的材料来代替低级的材料，使用性能优的材料来代替性能差的材料。因此，在选择代用的材料时，如果代用的材料更低级或者级别更低，那么就不能达到原来的设计标准，就不能正常使用，甚至会带来安全隐患。只有采用更加高级的材料来替代低级的材料，才能增加设备的安全性能和可靠性能，至少不会降低其性能。材料的好与坏是针对介质的性质来说的，因此要充分考虑压力容器的使用条件，然后对代用材料的力学性能、成分、冷热加工性能以及耐腐蚀性能等方面的参数和原来的材料做对比，进行全面分析，必要的时候采用对工艺试验进行论证。在实际的材料代用中，可以采用合金钢来代替碳素钢，采用优质的碳素钢来代替普通的碳素钢。

3.2 在材料代用中，还应遵从以厚代薄的原则

因为使用的代用材料，其性能和成分都和被代替的材料比較相似，以厚代薄是最基本的要求，只有这样，才不会对压力容器的使用性能等造成不利的影响。但是在实际的代用过程中，并不能简单的以厚代薄，而是要加强和设计单位的联系和沟通，对以厚代薄可能造成的变化和影响进行分析，才能决定是否使用。在以厚代薄的过程中，为了消除以厚代薄带来的不利的影响，可以通过适当的改变材料的焊接方式和支座等来实现。

4 结论

生产安全至关重要，虽然材料代用是压力容器设计上的一种变更，但其只是材料的替换，遵循以优代劣的原则，在压力容器设计上，制造单位必须充分考虑各种可能影响压力容器使用安全的因素，慎重设计选择材料代用方案。随着材料的升级换代，压力容器的设计建造过程中，材料代用的现象会越来越少。

参考文献：

[1]张淑君.浅析压力容器制造过程中的材料代用[J].现代制造技术与装备，2015（6）.

[2]陶颖，马志富.压力容器材料代用应注意的问题[J].化工设备与管道，2015（6）.