浅析压力容器设计制造材料代用问题

田子元　韩东

[摘要]在压力容器设计制造之初，由于设计人员根据设计需求，会需要一些特定的、特殊的材料。但是这些材料在市场上并不多见，或存量不足，或缺货，給采购工作带来较大难度。在这种情况下，材料代用就产生了。本文就材料代用中“以优代劣”、“以厚代薄”展开了分析，以期提供一定的参考。

[关键词]压力容器 设计制造 材料代用 问题

引言

在压力容器的设计制造中，选择代用材料时，要对被选用材料的材质、厚度等方面进行综合考量。尽管在材料代用过程中，通常会采用好替差、厚替薄办法，但是这并不能够很好地解决存在的问题。只有在根本上探索最为合适的材料，其性能才符合压力容器设计制造的需求，才不会影响整体设计方案的执行。

一、材料代用中的“以优代劣”问题

在材料代用中，代用材料的选择非常关键。在压力容器的设计制造中，金属材料被用来做代用材料显然有更好的优势。这些被选中的材料具备耐高温、耐腐蚀的作用，而且从力学和制造工艺方面考虑，也是较为理想的。但是，有些材料尽管在有些方面具备优势，却在其他方面可能存在缺陷。所以，在材料选用中，面对这些问题，要尽量扬长避短。比方说，对于强度很高的代用材料而言，它的可焊性怎么样也是个问题。由于这种类型的材料，通常可焊性都比较差。所以，在这样的条件下，假使以强度更高的材料来替代，这不仅会增加焊接难度，还会产生相应的问题来。有鉴于此，需要采取更改材料的措施，避免这方面因素带来的不良影响。

在压力容器设计制造中，使用低合金钢的时候，尽管在价格与强度方面比碳素钢更好，但是冷加工时的性能就要比碳素钢更差。据我们所知，通过对钢进行塑性和变形处理时，如果超过一定程度，可能产生晶格扭曲，冷作硬化现象。这样的条件下，采取“以优代劣”的方式，就要求热处理也相应地变化才行。

在“以优代劣”的材料代用中，不能单纯地进行材料选择。以为好的材料用来替代差的材料就一定行得通，却不知材料性格各异，合适最好。所以，要根据具体的情况来选择代用材料。比如镇静钢的使用，它的强度和价格都要明显比沸腾刚更好，如果比较二者在搪玻璃容器制造中的性能，就不是那么一回事了。又如，在耐腐蚀性方面比较优秀的不锈钢，如果有氯离子的作用，这种性能就要比碳素钢和低合金钢还要差。同样，一般的不锈钢在耐腐蚀性与价格方面都比超低碳不锈钢更差，但是他的高温热强行更优秀。

通常讲来，只有降低钢材料中碳的含量，才能够使材料的耐腐蚀性得到增强。但是，材料中碳的含量高，却能使其高温性更好。所以，在压力容器设计制造的实际情况中，采取“以优代劣”的方式时，应根据不同的情况来进行选择。如果有需要，则要对其进行相关的计算才能决定。

二、材料代用中的“以厚代薄”问题

在压力容器的制造过程中，由于制造方面的特殊原因，制造方可能会在尽可能遵守相关规范的条件下，选择“以厚代薄”的材料代用方式。按照制造方面的理论，这种方式并非很合理，但却在实际情况中屡有出现。采用这种代用方式，容器的壳体就会受力，并由平面应力变为平面应变的状态。这样的结果，无疑会对容器造成伤害，导致容器在相关方面的力的作用过程中，产生脆性断裂的现象。所以，这种材料代用方式还是存在着不少问题，需要去分析和改善。

在材料代用选择过程中，不少零件不能成为被选择对象，特别是像爆破片、挠性管等零件。它们不能够直接出现在“以优代劣”的方式中。如果真的要选用，也需要对其进行相关的生产处理后，才能应用。处理这些零件也要在材料代用的实际情形下进行，通过对其计算，削减其厚度，使厚度值在规定范围内。这个环节相当重要，如果不予以重视，甚至直接跳过这个步骤，可能导致容器元件及邻近的零部件失效。

当使用厚的取代薄的时候，会导致连接结构方面产生一定的改变。所以，将简体同封头连接，一定要计算检测封头的厚度，如果厚度超过需求范围，就应当进行适当的削边处理。厚度不仅同连接结构相关，还能对焊接结构产生影响。这可能导致接管、壳体焊缝、接焊缝等由单v型转化为x型的破口，在很大程度上改变了焊接的结构。在使用开孔补强板的过程中，如果板身太厚的话，外周的应力集中就会偏高，导致焊接处开裂，影响容器质量。所以，要避免补强板太后带来的连锁影响。

然而，在材料代用过程中，尽管能采取一系列的措施应对“以厚代薄”带来的问题，也会有一些新的状况出现。比如在热处理、焊接、无损检测等方面，都可能发生一定变动。压力容器的重量会随材料的加厚而变重，对于压力容器的支座来说，就又形成了一大考验。此外，也会相应地影响容器传热的性能。

结束语

总体而言，只要在压力容器的设计制造中出现材料代用的情形，就存在重新计算数据、调整方案的可能性。材料代用目前尚存在一些问题，这不仅对企业的生产技术形成考验，也同容器质量安全和经济效益相关联。所以，容器设计人员要充分考虑各方面的因素，慎重对待材料代用的问题，在使用过程中不断完善，使后续工作中的问题越来越少。