压力容器材料代用问题探讨

2022-09-10

压力容器设计的首要问题是材料的选择, 对于给定工况选择合适的材料是设计工程师的责任, 材料选择涉及方方面面, 是一个很复杂的难题, 不管是在容器设计中还是制造过程中材料选择不正确, 都会给容器的安全性能埋下隐患。所以压力容器用钢时应充分考虑容器的使用条件、材料的性能、容器的制造工艺以及经济合理性。本文没有特殊说明时, 材料都是指的钢材。

一、材料代用规定及一般原则

在压力容器设备制造过程中, 由于设计图纸规定的材料没有、对某元件加工困难或者采购困难等问题而引起的对用现有的材料代用原设计规定的材料, 在设备制造过程中材料经常发生。《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009中第2.13条和压力容器GB150.2-2011中第3.14条及GB150.4-2011中第4.3条都对材料代用提出了有关规定, 区别是受压元件材料代用GB150规定的范围更大。

压力容器材料代用应遵循的一般原则有:受压元件代用钢材的技术要求或实物性能水平 (包括交货状态、化学成分、检验项目、性能指标和检验率以及外形质量和尺寸公差) 不低于被代用钢材;个别材料性能或者检测率略低的可以通过增加检验项目和数量或者提供检测率来代用;升级代用, 应考虑经济合理性。实际材料代用时应从下面几点考虑:

1. 代用材料的力学性能、化学成分、耐腐蚀性能 (如耐应力腐蚀、晶间腐蚀等) 及物理性能对设计条件 (温度、压力、介质、结构) 的是否合适。

2. 代用材料的制造加工工艺技术是否合适 (尤其要注意焊接工艺、焊接材料、焊后热处理等) 。

3. 代用材料与原图纸中规定的钢材在钢材标准上差别性 (如性能指标、化学成分、检验率、检验项目等) 。

4. 不同类型的钢材的代用, 要考虑电负性差异较大时可能引起的电偶腐蚀、异种钢焊接以及膨胀系数差异所引起的热应力等问题。

5. 代用材料的经济性。

二、材料代用出现的问题

工作当中常遇见的材料代用问题大致有:以优代劣和以高代低、以厚代薄和其他问题。

现实工作中有的情况可以从材料的强度性能指标、材料价格方面简单的确定好坏, 但有的情况截然不同, 会进一步造成容器设计的改变, 影响容器的安全, 应给予重视。笔者在工作中积累了一些经验, 对材料代用要注意的地方和出现的问题做了一些总结。

1. 以优代劣和以高代低问题

一种材料的性能在某一方面优于另一种材料, 但某些方面可能劣于另一种材料, 在压力容器某种工况及环境下对材料性能的要求也不同, 所以材料代用考虑材料性能“优”和“劣”问题判断要从实际情况着手。这方面的实例在压力容器上是常见的。

(1) 材料以优代劣时, 要注意工作介质对材料的相容性:如化工设备用碳素钢虽然在强度性能方面没有低合金钢优良, 但其抗SCC (应力腐蚀) 强于低合金钢, 且价格还低于低合金钢, 对 (SCC) 抗腐蚀能力一般随材料的强度级别的提高而降低, 比如对于液氨、硫化氢腐蚀环境, 如果此情况用Q345R等低合金钢代替Q245R和Q235系列的钢材就更容易问题;

如在某些工况环境下奥氏体不锈钢耐腐蚀性能还不如碳钢, 如含有氯离子的介质的工况。

(2) 超低碳不锈钢 (如S30403) 耐高温性能不如普通的奥氏体不锈钢 (如S30408) , 虽然前者价格和耐腐蚀性后者。GB150.2中第3.3.3条规定奥氏体不锈钢的使用温度高于525℃时, 钢中含碳量应不小于0.04%。

(3) 碳素钢的强度等机械性能指标虽然低于低合金钢的, 但其冷加工性能与可焊性好。所以此材料代用要考虑其焊接工艺、热处理的变更。

(4) 当用强度值高的螺栓材料代用强度值低的螺栓材料时, 法兰厚度由预紧力决定的, 所以可能法兰厚度就可能不够, 得重新计算。

(5) 同种材质锻件和板, 锻件的总体性能比板材要好, 但在相同条件下, 锻件的许应用力略低于板材, 若锻件代用板材, 应考虑强度是否满足, 重新计算。

(6) 代用材料为高强度时, 应根据图纸中结构考虑是否影响设备结构、制造要求等技术条件。

2. 以厚代薄问题

从壳体受的应力分析上来看, 以厚代薄对容器受力有害无益的, 但现实压力容器制造过程中确实存在的。我们应该注意一下问题 (以相同标准、相同牌号的材质以厚代薄为背景) :

(1) 对设备壳体同一厚度时, 假如只对封头材料加厚, 一定加大了厚薄连接处的不连续应力, 这种情况对于有应力腐蚀、疲劳载荷的设备危害很大。

(2) 在厚板替代薄板时, 常常导致连接结构发生相应改变, 比如连接处厚板削边处理、焊接坡口型式改变、焊接工艺改变等。

(3) 设备壳体整体加厚, 会带来某些不好的影响:如原图纸中对壳体的无损检测方法及比例、焊接工艺是否适应;设备重量一定增加, 对设备基础和支座受力有一定的影响;对夹套这类设备壳体兼做传热元件, 其壳体加厚度会一定程度的影响传热效果。

(4) 设备受压元件用材料以厚代薄, 可能产生诸如材料供货状态、钢板超声、制造过程中热处理 (包括恢复材料性能热处理) 及焊接试板等要求。

(5) 材料加厚有可能引起设备强度不够。例如100℃时, Q245R板材厚度16mm时的许应用力为147MPa, 而Q245R板材厚度18mm时许应用力降为140MPa, 由于许用应力的降低, 厚度增加反而可能引起强度不够。

(6) 对于补强圈一般不建议厚代薄, 如果加厚造成补强圈与壳体焊接处的不连续应力增大应力集中更高。

3. 其他问题

(1) 代用钢材力学性能优于原钢材时不得减薄代用钢材厚度;代用钢材力学性能略差与原钢材时也不得增加代用钢材的厚度, 并应重算。

(2) 材料代用时必须考虑其材料在设计温度下的许用应力是否能满足强度要求。比如在250℃时, 用S30403代替S30408就得考虑强度是否满足, 因前者在250℃时的许用应力为103MPa, 后者相应温度的许用应力为122MPa。

(3) 关于挠性管板、爆破片和膨胀节等这类零件原则上不允许“以厚代薄”、“以优代劣”, 尤其不允许“以厚代薄”发生, 防止此类元件性能降低甚至破坏。

(4) 对外压容器材料代用时应注意:在弹性失稳范围内, 临界压力和材料的屈服极限无关, 仅材料的与弹性模量、泊松比和设备的几何参数有关, 此时高强度材料代低强度的无用;在非弹性失稳范围内, 临界压力与材料的屈服极限相关, 此时高强度材料代低强度的有用。

(5) 中外牌号材料代用, 两者牌号的对照关系、相近关系、不同类型关系应不同对待。

(6) 材料代用后, 可能引起设备整体的耐压试验压力大小变化, 必须严格按《压力容器》标准有关规定实施。

(7) 不同类型的材料代用带来的问题比较复杂, 实际工作中尽量少用。

三、材料代用一般程序

受压元件的材料代用手续有: (1) 代用的材料必须符合压力容器用材的相关要求, 由采供部 (供应部) 填写材料代用申请单; (2) 材料代用申请单送往设计部门由设计人、各责任人会签, 签写意见, 并和材料复验报告或质量证明书一起由主管负责人审核批准; (3) 材料被代用前一定要获得图纸设计单位的纸面同意; (4) 在容器的竣工图和出厂合格证上做详细记录。

非受压元件 (支座垫板、吊耳垫板和裙座等相识的焊接件材料代用手续按受压元件材料代用的规定) 也应填写材料代用申请单由有设计资格的制造单位自己审批, 制造单位及审批人应对其代料后的容器质量负责。

材料代用单及申请单必须随其他资料一起归档, 按规定的方法放入相应产品档案内。

四、结语

我国钢制压力容器规则设计标准 (GB150) 主要采用弹性失效准, 它其实重视的是材料塑性和韧性, 所以对材料力学性能的要求, 我们直观上考只虑强度是错误的。塑性和韧性一般随强度或厚度的提高而降低, 所以一味的提高强度或厚度可能造成由“优”变“劣”。压力容器的材料代用牵连着各方面, 比如:技术问题, 安全问题、经济效益、成本问题等。我们应该认识到, 在不违反规范、标准规定及材料代用程序下, 我们要综合考虑各方面来选用代用材料。其实不管材料代用是哪种类型的, 实质上是对原来设备设计的变更, 我们必须给予足够的重视。

摘要：本文以材料代用的一般原则、常见材料代用问题以及代用程序这几方面进行阐述。

关键词：压力容器,材料代用,制造