对压力容器制造中材料代用的探讨

2017-02-20刘佩铭中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院吉林吉林132002

化工管理 2017年4期

关键词：代用管板封头

刘佩铭(中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院, 吉林吉林 132002)

对压力容器制造中材料代用的探讨

刘佩铭(中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院, 吉林吉林 132002)

本文主要对压力容器建造中材料代用问题进行探讨。

压力容器；材料代用

在压力容器制造中，材料代用现象经常发生。原因可能是制造厂合理利用现有的库存、为了加快制造的进度、减少材料采购订货的周期，也可能是设计所需的材料用量少，采购困难等原因。材料代用是工程建设中不可避免的正常现象。

面对这种现象，TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》(以下简称固容规)做出了明确的规定，“压力容器制造、改造、修理单位对受压原件的材料代用，应当事先取得原设计单位的书面批准，并且在竣工图上做详细记录”。质量的保障是以材料的选择为基础的，也是设计过程中需要考虑的重要问题，从压力容器的设计、生产、使用直到维护，都应遵循此规定。虽然在应对应对压力容器在制造、改造过程中遇到的一些实际问题，可以通过材料代用解决，但也会有某些问题的存在，如因考虑不周全或考虑不当等因素引发的问题。所以，在压力容器的制造过程中，建造单位必须要慎重提出材料代用申请，设计部门要综合考虑各种因素再做决断。

1 对压力容器制造中材料代用的探讨

当某种材料的某些性能优于另一种材料时，并不意味着这种材料的所有性能都优于另一种材料。判断一种材料能否有效替代另外一种材料，应根据设备使用情况及载荷条件，对两种材料的化学性能、力学性能、物理性能、可焊性及其他冷热加工性能、与盛装介质的相容性以及经济合理性进行全面综合的分析比较。

现就材料代用探讨如下：①材料对工作介质的相容性。以Q345R与Q245R、Q235系列钢板对比为例，前者的力学性能优于后者，但是Q245R、Q235系列钢板抵抗应力腐蚀的能力优于Q345R。因此作为设计人员当收到Q345R代替Q245R、Q235系列钢板的代用申请时，要进一步了解这台设备是否存在应力腐蚀。②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。通过表1的比较可以看出，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。

表1 两种钢材的许用应力表

通常情况下，板厚的增加，材料许用应力呈下降趋势，如Q345R，由16 mm增加到18 mm，许用应力由170 MPa下降到163 MPa；Q245R在100 ℃下由16 mm增加到18 mm时，许用应力由132 MPa下降到126 MPa。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。

③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。