压力容器设计中对材料代用的分析
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摘 要：材料的代用虽然方便了压力容器的制造过程，但不利于其后续使用、检验和维修改造。在个别情况下，材料代用可以比较简单地按照其强度性能及价格优劣来确定，但有些情况却相反，将涉及一系列问题的变更，甚至关系到容器的安全使用，所以我们应该予以足够的重视。
关键词：压力容器设计;材料代用;选材;安全
一、概述
在化工压力容器设计中，材料及其影响因素是设计中的难点，要考虑使用工况、力学性能、耐腐蚀性能、材料的可加工性及其经济性。任何情况下材料的代用，都是压力容器设计的变更，都有可能重新强度计算、重新考虑设计方案。
二、“以优代劣”的问题
一种材料在某一方面的力学性能“优”于另一种材料的同时，有可能在其他方面“劣”于另一种材料，压力容器设计中的“材料代用”，要围绕设计中具体的“需求”来展开，在材料代用问题上的“优”或 “劣”的判断，要具体问题具体分析，不能一概而论。成分决定组织，组织决定性能，性能决定选用或代用，所以，要综合理解并正确选用或代用钢材技术条件。
1.低合金钢代用碳素钢的分析：压力容器用钢中的低合金钢的强度性能方面要优于碳素钢，价格相应也高于碳素钢，但其冷加工性能可能不如碳素钢好，钢的过量塑性变形引起晶格扭曲，降低钢的塑性和韧性，产生冷作硬化。这样的“以优代劣”会引起热处理要求的变化，需要引起注意;而且低合金钢的应力腐蚀性能不如碳素钢好，随着压力容器用钢强度级别的提高，其相应地应力腐蚀开裂的敏感性也加大，材料代用的时候如果不考虑应力腐蚀开裂将会对压力容器的安全使用留下隐患。有人可能提出为防止应力腐蚀开裂对材料进行焊后热处理，但这个办法增加了制造成本和难度，可以提前在介质、材料、结构设计和焊接工艺方面得到控制，而不是一味的进行焊后热处理。
2.不锈钢是很好的耐腐蚀性材料，但在含有CL-介质的场合，不锈钢的耐腐蚀性能反倒不如碳素钢和低合金钢。
3.低温用钢钢材用于高温场合，耐热性能差，而且价格还高，低温性能好不代表高温性能也好。
4.锻件代用板材的分析：对于换热器管板，锻件的综合性能优于板材，所以一般采用锻件，但是在<60mm以下时也可选用板材，但要注意同一材质、同一厚度、同一设计温度下板材与锻件的许用应力是不同的。
如：16Mn锻件，横截面尺寸≤100mm，t≤100℃，[σ] t为178MPa; Q345R板材，厚度为>36～60mm，t≤100℃，[σ] t为181MPa。所以，板材改为锻件时，要重新校核管板的厚度。
5.换热管壳体，换热管的材料代用对其线膨胀系数的分析：
6.当管/壳程存在较大的温差时，一般情况下管/壳程可选用线胀系数相差较大的材料，其原则为：当管子温升较大时，选材时应使管子材料的线胀系数小于壳程圆筒材料的线胀系数;当壳程圆筒的温升较大时，选材时应使壳程材料的线胀系数小于管子材料的线胀系数。
7.当管/壳程存在较小的温差时，一般情况下管/壳程可选用相同的材料。
8.超低碳不锈钢的价格和耐腐蚀性能虽然优于普通不锈钢，但是耐热性能却不如普通不锈钢。
9.同样是不锈钢，脆性转变温度不同，应用场合也不同。如：0Cr13Al的低温界限是>-20℃，就是基于这一因素。
10.低温不锈钢的代用，注意设计温度下的冲击试验，Ti元素的加入可能在低温环境下产生少量铁素体，C使材料强度提高。由于C的增加和Ti的加入可能使材料的低温冲击韧性降低。
三、“以厚代薄”的问题
同种材质间的“以厚代薄”的问题，这种实数不合理的情况，原因是由于板厚的增加，相应的许用应力会降低，之后的强度计算有可能会不合格，所以要重新计算强度。
1.加厚封头，会形成壳体的不连续，造成局部应力，对于有应力腐蚀开裂倾向的容器和交变载荷的容器是很不利的，虽然有削薄厚板边缘的要求，但只能降低局部应力，而不是完全消除。
2.JB/T4736-2002标准中，关于补强圈的最大厚度要求是30mm，而在設计中标出32mm或34mm，是错误的，材料代用过程中也往往出现类似问题。
3.压力容器壳体整体加厚，会相应增加焊接要求、无损检测要求，热处理要求及相应焊接试件的要求;壳体增厚对换热器壳体来说，降低其传热效果;增厚壳体，支座及基础受力不佳。
4.换热器管和壳体的厚度增加，相应增加了温差应力，需要重新校核管板应力、壳体轴向应力、换热管轴向应力、换热管与管板间的拉脱力，一项不合格都要加膨胀节或采取其他措施。
5.不允许“以厚代薄”。当材料以厚代薄处理后，将会给设备带来诸多意想不到的问题。比如材料的变化，应力的变化，强度结构的变化，焊接、热处理、无损检测的变化等。
四、结语
上述讨论了压力容器设计中的材料代用问题，我们可以看出，十分有必要强调压力容器选材的原则，对材料性能的要求来说根据需要来要求，而不是单一的“优”或“劣”来评定材料的性能，所以无论何种材料的代用，本质上都是压力容器设计方案的变更，都要重新计算，重新考虑设计方案。而不是为了图方便而埋下了隐患。而且对于压力容器设计采用这个环节的实施，必须要设计人员签署同意才可以的。
上面的一些论述希望同仁在压力容器设计制造中能对材料代用的问题上予以足够的重视，保证人民的生命和财产安全。
参考文献：
[1] 王非.化工压力容器设计一方法、问题和要点.化工工业出版社，2008.12.
[2] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程.全国锅炉压力容器标准化技术委员会编.新华出版社，2005.10.
[3] GB150.1～150.4-2011《压力容器》，中国标准出版社.
[4] JB/T4736-2002《补强圈》，中国标准出版社.
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