壓力容器材料代用處理辦法

1、壓力容器材料代用問題分析本文原創(chuàng)作者：高亞龍一、總則壓力容器用材料受供應(yīng)及材料品種、規(guī)格方面的限制，壓力容器設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)碰到壓力容器制造單位提出的“材料代用”申請(qǐng)。TSG 21-2016 明確指出“壓力容器制造、改造、修理單位對(duì)受壓元件的材料代用，應(yīng)當(dāng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，并且在竣工圖上做詳細(xì)記錄?！辈牧洗美趬毫θ萜髦圃斓捻樌M(jìn)行， 不會(huì)因?yàn)樯倭坎牧系牟少?gòu)問題影響工期， 也有利于消化制造廠的庫(kù)存，但材料代用涉及強(qiáng)度、溫度、腐蝕、制造、試驗(yàn)等問題，工藝人員或設(shè)計(jì)人員應(yīng)加強(qiáng)材料代用管理，對(duì)材料代用的審批慎之又慎，要考慮到所有相關(guān)失效模式。法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中材料代用的規(guī)定:1、 TSG 21-

2、2016 中第 2.1.5 條規(guī)定：“壓力容器制造、改造、修理單位對(duì)受壓元件的材料代用，應(yīng)當(dāng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，并且在竣工圖上做詳細(xì)記錄?！?、 GB/T150.2-2011 中第 3.14 條規(guī)定：“壓力容器制造或現(xiàn)場(chǎng)組焊單位對(duì)受壓元件用鋼材的代作，應(yīng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，并在竣工圖上做詳細(xì)記錄。”3、GB/T150.4-2011 中第 4.3 條規(guī)定，“制造單位對(duì)原設(shè)計(jì)的修改以及對(duì)受壓元件用鋼材的代作，應(yīng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，并在竣工圖上做詳細(xì)記錄。”可見， GB/T150-2011 和 TSG 21-2016 對(duì)材料代用的要求是基本一致。二、材料代用的一般原則1

3、、合規(guī)性原則材料代用需要符合相應(yīng)的安全技術(shù)規(guī)范和材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。當(dāng)設(shè)計(jì)文件有規(guī)定時(shí)，還應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件的要求。2、安全性原則材料代用不應(yīng)造成壓力容器承受載荷 （包括機(jī)械載荷和溫度載荷） 能力的降低， 也不應(yīng)造成設(shè)備材料耐蝕能力的下降，或者帶來其他影響設(shè)備安全性能的缺陷。3、符合性原則材料代用需要符合設(shè)計(jì)者的基本意圖。不能因?yàn)榇枚斐稍O(shè)備使用性能的降低或者影響設(shè)備附件的安裝；也不能因?yàn)榇枚斐稍O(shè)計(jì)基本原則的改變，或者造成較大的費(fèi)用差異，從而帶來經(jīng)濟(jì)上的糾紛。三、以優(yōu)代劣壓力容器所用的全部金屬材料要具有優(yōu)良的性能，包括材料的力學(xué)性能、耐腐蝕性、耐高溫性和制作工藝等。每一種材料的性能都是固定不變的

4、。從性能比較的角度出發(fā)，常常會(huì)出現(xiàn)材料間的“優(yōu)”和“劣”的問題。但每種壓力容器對(duì)材料性能的要求在不同情況下也是不一樣的。實(shí)際出發(fā)，具體問題具體分析。所以，材料代用中的“優(yōu)”與“劣”的判斷應(yīng)從下面，基于工作實(shí)際和相關(guān)文獻(xiàn)，討論幾種典型的“以優(yōu)代劣”問題。1、以低合金鋼代碳素鋼壓力容器制作中，在強(qiáng)度、力學(xué)特征等機(jī)械性能方面，其常用到的低合金鋼盡管明顯優(yōu)于碳素鋼，但其冷加工性能與可焊性都不優(yōu)于碳素鋼。一般來說，強(qiáng)度級(jí)別越高，其冷加工性能與可焊性就越差，二者成負(fù)相關(guān)關(guān)系。所以在進(jìn)行這方面的代用時(shí)，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整焊接工藝，在熱處理時(shí)也可能會(huì)有相應(yīng)變化，應(yīng)給予充分重視。2、 介質(zhì)與材料的相容性材料以優(yōu)代劣時(shí)，

5、 要注意介質(zhì)與材料的相容性。 壓力容器用碳素鋼雖然在強(qiáng)度性能方面沒有低合金鋼優(yōu)良， 但其抗 SCC（應(yīng)力腐蝕）能力一般隨材料的強(qiáng)度級(jí)別的提高而降低。舉個(gè)例子，對(duì)于液氨、濕硫化氫腐蝕環(huán)境，如果用 Q345R等低合金鋼代替 Q245R和 Q235系列的碳素鋼材就更容易出現(xiàn)問題。再舉個(gè)例子，在某些工況環(huán)境下奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能還不如碳素鋼，如含有氯離子介質(zhì)的工況。3、超低碳不銹鋼代替普通不銹鋼超低碳不銹鋼（如S30403）耐高溫性能不如普通的奧氏體不銹鋼（如S30408）。雖然前者的價(jià)格和耐腐蝕性優(yōu)于后者，時(shí)，鋼中含碳量應(yīng)不小于0.04%。但在GB/T150.2-2011中第3.3.3條規(guī)定奧氏體

6、不銹鋼使用溫度高于5254、強(qiáng)度高的螺栓代替強(qiáng)度低的螺栓當(dāng)用強(qiáng)度高的螺栓材料代用強(qiáng)度低的螺栓材料時(shí)，法蘭厚度由預(yù)緊力決定，所以法蘭厚度可能不夠，滿足不了強(qiáng)度要求，應(yīng)重新對(duì)法蘭進(jìn)行計(jì)算。5、同材質(zhì)鍛件代替板材同種材質(zhì)鍛件和板材，鍛件的總體性能要比板材好，但在相同條件下，鍛件的許用應(yīng)力略低于板材，若鍛件代用板材，應(yīng)考慮強(qiáng)度是否滿足要求，需重新計(jì)算。如：換熱器管板。6、對(duì)于膨脹節(jié)、爆破片和撓性管版這類零件，原則上不允許以優(yōu)代劣，否則應(yīng)按代用材料重新計(jì)算；對(duì)其厚度適當(dāng)減薄，否則將有可能導(dǎo)致這些元件及相鄰部位失效。四、以厚代薄在壓力容器制造時(shí)由于制造原因產(chǎn)生的需求，在沒有違背前文所述原則的前提下，我們可

7、以選擇“以優(yōu)代劣”。而比起“以優(yōu)代劣”的情況， “以厚代薄”顯得更加不合理。 從殼體受力的應(yīng)力分析上看， “以厚代薄”對(duì)容器受力有害無益， 但現(xiàn)實(shí)壓力容器制造過程中確實(shí)存在， 那么在相同標(biāo)準(zhǔn)、 相同牌號(hào)的材質(zhì)“以厚代薄”中我們應(yīng)注意以下問題：1、結(jié)構(gòu)不連續(xù)當(dāng)厚板代薄板時(shí)， 往往要引起連接結(jié)構(gòu)的變化，如加厚的封頭與筒體的連接，往往都必須對(duì)封頭進(jìn)行外削邊處理。對(duì)于用鋼管做筒體的設(shè)備，當(dāng)筒體壁加厚時(shí)，筒體與封頭的連接處有時(shí)也必須對(duì)筒體側(cè)作內(nèi)削邊處理。與管板及平蓋的對(duì)焊連接結(jié)構(gòu)也同樣存在這些問題。對(duì)于筒體當(dāng)厚度增加較多時(shí)，常常還涉及到焊接結(jié)構(gòu)的變化，如接管與殼體焊縫及對(duì)接焊縫都有可能從原來的單V 型改

8、為X 型坡口，相應(yīng)的焊接工藝改變等。2、增加檢測(cè)要求設(shè)備受壓元件用材料以厚代薄，可以產(chǎn)生諸如材料供貨狀態(tài)、鋼板超聲、制造過程中熱處理（包括恢復(fù)材料性能熱處理）及焊接試板等要求。3、許用應(yīng)力下降材料加厚，材料的許用應(yīng)力有可能下降，從而引起設(shè)備強(qiáng)度不夠。舉個(gè)例子， 100時(shí)， Q245R板材厚度 16mm時(shí)的許用應(yīng)力為 147MPa，而 Q245R板材厚度 18mm時(shí)許用應(yīng)力降低為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。這在封頭制造時(shí)尤應(yīng)引起注意，因?yàn)樵诜忸^下料時(shí)往往都要增加一定的毛坯厚度來保證沖壓后封頭的最小厚度，結(jié)果有可能導(dǎo)致沖壓后的封頭強(qiáng)度不足。因此，當(dāng)處于這些臨界狀

9、況下的厚代薄時(shí)，還必須對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。4、補(bǔ)強(qiáng)圈不建議厚代薄對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)圈一般不建議厚代薄，如果加厚會(huì)造成補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體焊接處的不連續(xù)應(yīng)力集中更高，以致引起焊趾部位開裂。5、改變焊接和熱處理工藝材料厚度的增加有可能改變焊接工藝，可能導(dǎo)致原來不需要焊前預(yù)熱的設(shè)備，需要預(yù)熱； 原來無需焊后熱處理的設(shè)備，需要進(jìn)行焊后熱處理。6、接管厚度的增加接管厚度的增加有可能增加流體的流速，也有可能造成插入式附件的安裝（如雷達(dá)液位計(jì)、 溫度計(jì)等）出現(xiàn)問題。換熱管厚度增加還有可能降低傳熱效果。7、換熱器主要元件厚度增加換熱器主要元件厚度增加會(huì)改變整個(gè)力系的受力狀態(tài)，因此必須重新對(duì)換熱器進(jìn)行核算。8、容器殼體壁厚的增加容器

10、殼體壁厚的增加，勢(shì)必增加容器的重量，將對(duì)容器的支座或基礎(chǔ)不利。9、對(duì)于膨脹節(jié)、波紋管、撓性管版和薄管板等元件，原則上不應(yīng)以厚代薄。因?yàn)殡S著元件的加厚，其剛性相應(yīng)增大，從而削弱了補(bǔ)償變形效果。10、鞍座或支座底板或蓋板厚度增加鞍座或支座底板、鞍座鋼板的厚度增加，如果不隨著降低筋板的高度，勢(shì)必造成設(shè)備管口位置的上移。此時(shí)，筋板的高度要降低，才能保證管口標(biāo)高尺寸。11、換熱器折流板厚度增加有時(shí)會(huì)有折流板厚度增加的情況，此時(shí)，定距管要相應(yīng)縮短，否則，拉桿長(zhǎng)度有可能不夠長(zhǎng)，螺母無法擰緊。所以，折流板厚度增加多少，定距管要縮短多少。五、材料標(biāo)準(zhǔn)的更新1、 GB713標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.2-2011 發(fā)布時(shí)

11、，引用的 GB713板材標(biāo)準(zhǔn)為2008 版，目前GB713的最新版本已為GB/T713-2014 ，按GB/T150設(shè)計(jì)的壓力容器，應(yīng)按新版標(biāo)準(zhǔn)選用板材。2、 GB9948標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.2-2011發(fā)布時(shí)，引用的GB9948為 2006 版標(biāo)準(zhǔn)，其中的1Cr5Mo 已經(jīng)不在升版后的GB/T9948-2013對(duì)于原材料在GB/T9948-2013 中有對(duì)應(yīng)的材料應(yīng)選用升版后的新材料標(biāo)準(zhǔn)，但不能用GB/T9948-2013 中的12Cr5MoNT為 GB9948-2006 中的 1Cr5Mo 進(jìn)行代用。中，3、 GB6479標(biāo)準(zhǔn)由于 GB/T150.2-2011對(duì)所引用的GB6479標(biāo)準(zhǔn)僅限

12、于2000 版，因此對(duì)按GB/T150 進(jìn)行設(shè)計(jì)的壓力容器，設(shè)計(jì)和制造原則上應(yīng)采用按GB6479-2000 供貨的鋼管。如由于市場(chǎng)采購(gòu)原因采用GB6479-2013 鋼管用于壓力容器建造時(shí)，應(yīng)保證各項(xiàng)性能指標(biāo)及相關(guān)技術(shù)要求不應(yīng)低于GB6479-2000 的相關(guān)規(guī)定。建造過程中應(yīng)做好數(shù)據(jù)比對(duì)工作，材料采購(gòu)技術(shù)文件的補(bǔ)充，以及驗(yàn)收確認(rèn)等質(zhì)量控制工作，并按相關(guān)規(guī)定辦理材料低用手續(xù)。六、低溫用鋼代常溫用鋼當(dāng)采用同等強(qiáng)度等級(jí)的低溫用鋼代用常溫用鋼時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力能否達(dá)到原設(shè)計(jì)的要求。例如 ：某壓力容器設(shè)計(jì)溫度為時(shí)的許用應(yīng)力 t =167 MPa200 ，而時(shí)，用同等厚度的材料16MnDR

13、代用 Q345R，因?yàn)椴牧?16MnDR 在 200Q345R 在 200時(shí)的許用應(yīng)力 t =183 MPa ，這樣就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度不足的問題。七、奧氏體不銹鋼互代當(dāng)奧氏體不銹鋼材料互相代用時(shí)，也有可能出現(xiàn)強(qiáng)度不足的現(xiàn)象。例如：某壓力容器設(shè)計(jì)溫度為200時(shí)，用同等厚度的奧氏體不銹鋼材料S30403 代用 S30408就可能出現(xiàn)問題，因?yàn)椴牧蟂30403 在 200時(shí)的許用應(yīng)力 t =110 MPa ， S30408 在 200時(shí)的許用應(yīng)力 t =130 MPa ，必須增加殼體厚度才能滿足強(qiáng)度要求。這時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮重新進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)，而不是通過簡(jiǎn)單的材料代用來處理。當(dāng)奧氏體不銹鋼材料互相代用時(shí)，還有可能出現(xiàn)與介質(zhì)的相容性問題，如S31603 雖然耐蝕等級(jí)高于S30403，但如果用在硝酸環(huán)境中時(shí)，反而更容易腐蝕。此外，超低碳不銹鋼的高溫使用界限要低于低碳不銹鋼，這一點(diǎn)也是需要在材料代用時(shí)注意的。八、外壓情況下的材料代用如果在彈性失穩(wěn)范圍內(nèi)，失穩(wěn)的臨界壓力和材料的屈服極限無關(guān)，僅與彈性模量和泊松比有關(guān)，與設(shè)備直徑、厚度、長(zhǎng)度有關(guān)，在這個(gè)范圍內(nèi)用高應(yīng)