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壓力容器制造中材料變更問題的一些淺見

文章出處:人氣:-發表時間:2015-12-24 08:03【

如何進行正確的選材是壓力容器設計和制造中的首先要解決的議題,也是相當重要的一個方面。一旦材料選取不當,會對容器的安全運行留下較大隱患。所以,在壓力容器選材上,應根據容器的運行參數,如壓力和溫度、操作要求、介質特性等,來選取具有合適的力學、焊接和耐蝕等性能的材料。除此之外,選取材料時還要充分考慮其具體加工工藝和技術經濟性能等其他相關因素。材料的選擇和改動應加以足夠的重視。

  一、材料代用的具體規定

  在設備的設計和制造過程中,常常會出現材料采購困難或者出于經濟上的考慮,材料變更、代用的現象經常出現。《固定式壓力容器安全技術監督規程(TSG R0004-2009)》以及《固定式壓力容器(GB150-2011)》對材料代用都作了相關規定。主要有:壓力容器的承壓部件在代用材料的選擇上,應和被代用材料有著相同或者相似的外形質量、化學成分、尺寸公差、性能指標、檢驗項目和檢驗率等。材料代用最基本的原則是:要絕對保證,在技術要求上,代用材料不得低于被代用材料。個別在檢測率或性能項目上要求不嚴格的代用材料,可以采取檢驗、測試的方式來選擇合適的代用材料。

  二、以優代劣

  壓力容器所用的全部金屬材料要具有優良的性能,包括材料的力學性能、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,材料代用中的判斷從實際出發,具體問題具體分析。基于自身工作經驗,對以下幾種典型的以優代劣問題發表些許淺見。

  2.1 壓力容器制作中,在強度、力學特征等機械性能方面,其常用到的低合金鋼盡管明顯優于碳素鋼,但其冷加工性能與可焊性都較碳素鋼為差。一般來說,強度級別高的,其冷加工性能與可焊性就較差,二者負相關。所以在進行這方面的代用時,應相應調整焊接工藝,在熱處理時也可能會有相應變化,應給以充分重視,在技術要求上予以明示。

  2.2 材料代用時應進行細致、周全的考慮,以避免壓力容器實際使用中可能會出現各種安全隱患。比如處于濕硫化氫環境下及存在應力腐蝕開裂風險的設備中,容器對應力腐蝕開裂地敏感性隨容器使用的鋼材的強度級別的提高而增大,二者正相關。此時若將Q235Q245R系列的鋼材用Q345R等低合金鋼代用就極易產生問題,因此,此類的以優代劣,原則是不提倡的,應當避免。

  2.3 和普通不銹鋼相比,超低碳不銹鋼雖然價格高并具有良好的耐腐蝕性,但前者的高溫熱強性卻較后者出色。一般情況下,為了提高耐腐蝕性,需降低碳含量,而為了提高高溫性,則要提高碳的含量。故而,此種情況下的 以優代劣,要尤其精細計及設備的設計溫度,如有必要,應當重新計算。

  2.4 原則上,膨脹節、爆破片、撓性管板及這類零件的選材不能簡單地進行以優代劣,特殊情況下必須代用時應對代用的材料重新進行精確計算,根據其結果,適當調整零件厚度,以防止這類零件及其相鄰部位間出現問題或者失效。

  對鋼材來說,其化學成份上的微小差異都可能對其性能造成重大影響,所以要對待任何類型壓力容器鋼材的以優代劣問題都要予以充分重視,要慎重,以免導致產品和原設計不符,從而產生重大的不良后果。

  三、以厚代薄

  以厚代薄常常使容器殼體從平面應力狀態的受力態轉變為平面應變狀態,這對容器受力狀態來說,是有百害而無一利的,通常情況下,厚壁容器比薄壁容器更容易產生三向拉應力,進而產生平面應變脆性斷裂。

  3.1 對原設計中封頭和筒體間等厚焊接的容器,若對容器殼體的個別部件進以厚代薄,很容易造成或增加殼體的幾何不連續情況,從而使封頭和筒體間的連接部位的局部應力增加,此時,對于有應力腐蝕傾向的容器來說,會造成很大的損害。可能會導致疲勞裂紋,嚴重的可能造成疲勞斷裂。

  3.2 在厚板替代薄板時,常常導致連接結構發生相應改變,例如,筒體與加厚的封頭連接時,通常需要對封頭進行削邊處理。對以管道為主要筒體構成的設備,若增加筒壁厚度,在封頭與筒體的連接部位也須對筒體側實施內削邊處理。在厚度增加較大時,往往也要考慮到焊接工藝的變化。

  3.3 容器殼體整體層面上的以厚代薄,雖然并不會造成筒體連接處和封頭的局部應力增加,但不可避免地,仍會導致一些不良影響。1)厚度增加后,原來的殼體設計中的探傷方式和焊接工藝也要進行相應的改變,增加了制造難度;2)殼體厚度的增加必然使容器的重量加大,當容器重量增加過大時,也必然會對容器的基礎和支座產生不利影響;3)對殼體同時兼具傳熱作用的容器,殼體厚度的增加肯定會影響其傳熱效果。

  3.4 鋼板的許應用力和其厚度緊密相連,《固定式壓力容器(GB150-2011)》指出,鋼材的許應用力隨著其板厚的增大而減小,二者負相關。例如20℃——150℃環境下,Q345R板厚由16mm變為18mm時,其許應用力則從170MPa降為167MPa150℃時,Q245R的板厚由16mm變為18mm時,其許應用力則從135MPa降為125MPa。由此可知,以厚代薄在極端狀態下反而可能導致材料的強度下降,故而,對處于臨界狀態的以厚代薄,必須驗算其強度。

  3.5 因為元件厚度與其剛性是成正比的,厚度越大,剛性越強,所以原則上不允許對撓性薄管板、波紋管和膨脹節等元件實行以厚代薄,以防止減弱補償變形的能力。

  綜上所述,以厚代薄的利弊問題是很復雜的,在進行代用時,應對其代用的可行性和影響進行綜合考慮后,方可決定其是否可行。

  四、結語

  壓力容器制造中的材料代用并不單單是技術問題,更包含容器的安全性、投資的經濟效益、制造的成本等經濟和管理問題在內的綜合的技術經濟問題。所以,不論是哪種材料代用,其本質上均是變更壓力容器的設計方案,應給予足夠的重視,并作出相應的設計制作的變更。

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