压力容器材料代用应注意的问题

第 5 2卷第 6期 2 0 1 5年 1 2 月 I 匕工设置与譬遵 P R OC E S S E Q UI P ME NT&P I P I N G Vb 1 5 2 NO6 De c 201 5 压力容器材料代用应注意的问题 陶颖，马志富 ( 中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院，吉林省吉林市1 3 2 0 0 2 ) 摘要 ：材料代用是压力容器制造过程 中的常见行为 ，它给压力容器制造带来便利的 同时，也很容 易 产生一些新的 问题 ，如果处理 不 当，就会给压力容器的安全运行 埋下隐患。就压力容器材料代 用问题 进行 了深入探讨 ，提 出了代用的原 则，并就具体的代 用类型提 出了应注意的事项。 关键词 ：压力容 器；材料 ；代用原 则 中图分类号：T Q 0 5 0 _ 4 ；T H 1 4 0 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 3 2 8 1( 2 0 1 5 )0 6 0 0 1 5 0 0 3 压力容器广泛应用于石油化工工业生产中，并 且作为各种具体的化工操作过程的实现场所，往往 在石油化工生产装置中起到至关重要的作用，因此， 压力容器的安全性也就在石油化工生产的安全方面 占有特别重要的地位。压力容器制造是影响压力容 器安全和产品质量的重要环节，在我国现今压力容 器设计单位和制造单位分开的大环境下，材料代用 作为压力容器制造的一个特殊过程也难免会对压力 容器的安全和产品质量产生影响。 固定式压力容器 安全技术监察规程 规定，材料代用应事先取得 原设计单位的书面批准。也就是说，材料代用是事 关压力容器制造单位和设计单位双方的事情 ，无论 是代用的提 出单位还是代用的批准单位 ，都应当对 材料代用本身以及材料代用可能带来的相关问题进 行全面考虑，确保材料代用不对压力容器的产品质 量和本质安全产生影响。 1 材料代用的意义 压力容器制造单位在开始制造之前，先要按照 设计图纸的要求采购材料。当在市场上采购不到图纸 要求的材料时 2 】 ，或者制造单位刚好有相近的材料库 存时，制造单位都可能会提出材料代用。从以上过程 可以看出，材料代用有两方面积极的意义 ： 一是有利 于压力容器制造的顺利进行，不会因为少量材料的 采购问题影响工期 ； 二是有利于制造单位消化库存 ， 这对整个压力容器制造行业来看无疑是有利的。 2 压力容器设计材料代用原则 为了使制造单位能够合理地提出以及设计单位 能够合理地审批材料代用，需要为材料代用给出一 个基本原则。材料代用过去很长一段时间内都是遵 循 “ 以优代劣、以厚代薄”的原则 3 - 4 但是因为压 力容器的设计选材不仅仅要考虑材料的力学性能，还 要考虑与介质的相容性、制造加工性能等多种因素， 所以不能片面地以 “ 强度更高”或者 “ 耐蚀性能更强” 来判断材料的优劣，在某些特殊的环境下 ( 如应力腐 蚀环境 )“ 强度更高”或者 “ 耐蚀性能更强”的材料 不仅不是更优的，反而有可能是更劣的 ； “ 以厚代薄” 无疑能够满足压力容器的强度要求，但同时也可能带 来其他方面的问题。压力容器材料代用的根本原则是 要保证压力容器的产品质量和本质安全性能。笔者认 为以下三点原则是材料代用过程中应遵从的 ： ( 1 )合规性原则。材料代用需要符合相应的安 全技术规范和材料标准的要求。当设计文件有规定 时，还应符合设计文件的要求。 ( 2 )安全 性原 则 。材 料代 用不 应造成 压力 容器 承受 载荷 ( 包括 机械载荷 和温度载荷 )能力 的降低 ， 也不应造成设备材料耐蚀能力的下降，或者带来其他 影响设备安全性能的缺陷。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 8 2 5 作者简 介 ：陶颖 ( 1 9 6 3 ) ，女 ，吉林省 吉林市 人，高 级工程 师。 长期从事压力容 器设计工作 。 1 6 化工设备与管道 第 5 2卷第 6期 ( 3 )符合性原则。材料代用需要符合设计者的 基本意图。不能因为代用而造成设备使用性能的降低 或者影响设备附件的安装 ； 也不能因为代用而造成设 计基本原则的改变，或者造成较大的费用差异，从而 带来经济上的纠纷。 3 材料代用需要注意的问题 因为材料代用作为压力容器制造过程中的重要一 环，势必会对压力容器的质量和安全性能产生影响， 所以压力容器制造单位和设计人员都应当对材料代用 审慎对待。笔者总结了工程实践中一些材料代用的具 体问题， 并提出了注意事项，以供工程技术人员参考。 ( 1 )压力容器材料代用单必须经原设计单位审 批后才可以实施 【 1 ，因为压力容器制造单位根据经验 提出的材料代用不一定符合设计者的选材意图。有的 制造单位为了赶工期，采取先实施后审批的办法，这 样一是不符合 固定式压力容器安全技术监察规程 的规定，二是容易造成不必要的损失。 ( 2 )当采用强度高的材料代用强度低的材料时， 应注意工作介质与材料的相容性问题 5 】 。特别是当工 作介质有应力腐蚀倾向时，由于高强度材料一般硬度 也较高，材料对应力腐蚀开裂的敏感性也随之提高， 将会加大应力腐蚀开裂的风险。此外，由于材料的变 化，相应的焊接材料及焊接工艺都有可能随之改变， 特别是当代用材料的标准抗拉强度下限值大于或等 于 5 4 0 MP a时，材料本身的检验要求，以及制造和 检验的相关要求都有可能需要提高。 ( 3 )当采用 同等强度等级的低温用钢代用常温 用钢时，应考虑设计温度下的许用应力能否达到原 设计的要求。例如 ： 某压力容器设计温度为 2 0 0 时，用同等厚度的材料 1 6 Mn DR代用 Q3 4 5 R，因为 材料 1 6 Mn D R在 2 0 0时的许用应力 = 1 6 7 MP a ， 而 Q 3 4 5 R在 2 0 0时的许用应力 = 1 8 3 MP a ，这 样就会出现强度不足的问题 2 】 。 ( 4 )当奥 氏体不锈 钢材料互相代用 时，也有 可能出现强度不足 的现象。例如 ： 某 压力容器设 计温度为 2 0 0时，用同等厚度的奥氏体不锈钢材 料 $ 3 0 4 0 3代用 $ 3 0 4 0 8就可 能 出 现 问题，因为 材 料 $ 3 0 4 0 3在 2 0 0时的许用应力 = 1 1 0 MP a ，而 $ 3 0 4 0 8 在 2 0 0时的许用应力 = 1 3 0 MP a ，必须 增加壳体厚度才能满足强度要求。这时应 当考虑重 新进行设备设计，而不是通过简单的材料代用来处 理。当奥氏体不锈钢材料互相代用时，还有可能出现 与介质的相容性 问题，如 s 3 1 6 0 3虽然耐蚀等级高于 $ 3 0 4 0 3 ， 但如果用在硝酸环境中时， 反而更容易腐蚀 。 此外，超低碳不锈钢的高温使用界限要低于低碳不锈 钢，这一点也是需要在材料代用时注意的。 ( 5 )传热元件发生材料代用时，应当考虑代用 材料和被代用材料线胀系数 的差异所带来的温差应 力的变化，有可能造成相关受压元件需要重新核算 ； 还应当考虑导热系数的不同，如果导热系数降低，则 可能造成设备传热能力的不足。 ( 6 )当采用锻件代用板材或管材时，应 当考虑 代用材料与被代用材料许用应力有可能不同，这时往 往需要对受压元件的强度重新进行核算。 ( 7 )当发生 “ 以厚代薄 ”的材料代用时，以下 几方面问题应当引起注意 口 】 ： 当代用材料的厚度大于原有的设计厚度 ，也 可能反而造成压力容器强度不足。例如 ： 某压力容 器设计温度为 2 0 0，材料为 Q3 4 5 R ，壁厚 1 6 1 T i m， 采用厚度 1 8 r n r n的Q 3 4 5 R材料代用就可能出现问题。 因为材料 Q 3 4 5 R厚度 1 8 mm时，在 2 0 0时的许用 应力 = 1 7 0 MP a ，而材料 Q 3 4 5 R厚度 1 6 mm时， 在 2 0 0时的许用应力 卅 = 1 8 3 MP a ，由于许用应力 的降低，厚度增加反而强度不够，代用时需慎重。 局部壳体厚度增加容易造成与相邻壳体连接 处的结构突变，从而造成局部高应力，虽然可以通过 局部削边的办法降低局部应力，但应力集中仍然难以 完全避免。如果是疲劳容器或者低温容器，就有可能 因为这种局部高应力带来安全使用的隐患。 壳体厚度增加有可能使得原设计要求的材料 热处理状态和检测要求、焊接要求 、焊接接头的无损 检测要求以及容器的热处理要求发生变化。 接管厚度的增加有可能增加流体的流速，也 有可能造成插入式附件的安装 ( 如雷达液位计、温度 计等)出现问题。换热管厚度增加还有可能降低传热 效果 。 换热器主要元件厚度增加会改变整个力系的 受力状态，因此通常需要重新对换热器进行核算 。 4 结束语 材料代用可以为压力容器制造过程中提供多方 面便利，解决由于材料短缺造成的制造工期延误，适 ( 下转第 2 3页) 2 0 1 5年 1 2月 占双林，等 不同支柱连接结构球罐对比研究 用长圆形结构和托板结构受力情况比较好，U形柱结 构受力情况较差。 参 考 文 献 1 1 余伟炜，高炳军 A n s y s 在机械与化工装备中的应用 【 M】 北 京 ：中国水利水 电出版社 ，2 0 0 7 2 贺匡国 压力容器分析设计基础 M】 北京： 机械工业出版社， 1 9 9 5 3 陆明万 关于应力分类问题的一些认识 化工设备与管道， 2 0 0 5， 4 2 ( 4)：】 0 】 5 6 7 李永泰 球罐支柱型式及其与球壳连接的结构 J 压力容器， 20 0 3，20 ( 1 0)：3 4 3 6 S a e e d Mo a v e n i 有限元分析A N s Y s 理论与应用 M】 北 京 ：电子工业 出版社 ，2 0 0 8 陈精一 电脑辅助工程分析 M 北京 ：中国铁道 出版社， 2 0 0 4 宋 勇，艾 宴清 精通 ANS YS 7 0有限元 分析 M 北京 ：清 华大学出版社， 2 0 0 4 J a me s R F a r r ，Ma a n H J a wa d AS ME压力 容器设计指南 M 北京 ： 化学工业 出版社 ，2 0 0 3 Co mp a r i s o n o f Di f f e r e n t S t r u c t u r e s o f Pi l l a r s f o r S u p p o r t i n g S p h e r i c a l T a n k Z HA N S h u a n g l i n ， DE NG Ha i j u n ， Z HA O Hu i l e i n C N P CE n g i n e e r i n gDe s i g n C o ， L t d , B e ij i n gB r a n c h ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 5 ， C h i n a 2 B e ij i n g Dt r i s i n gS o f t w a r e De v e l o p i n g C o ， L t d , B e ij i n g 1 0 0 0 8 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： By u s i n g fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e AN S YS， mo d e l f o r 4 0 0 0 m 3 s p h e r i c a l t a n k wa s e s t a b l i s h e d a n d t h e s t r e s s a n a l y s i s for d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s wa s c a r r i e d o u t W i t h l o a d i n g c o mp a ris o n u n d e r t h e mo s t s e v e r e c o n d i t i o n for t h r e e p i l l a r s t r u c t u r e so b l o n g c o n n e c t i o n s t r u c t u r e ， U p i l l a r a n d b r a c k e t ， t h e mo s t o p t i mu m s u p p o r t i n g s t r u c tur e wa s f o u n d Ke y wo r ds ：l a r g e s p h e r i c a l t a n k ； fi n i t e e l e m e n t ； o b l o n g c o n n e c t i n g s t r u c t u r e ； U p i l l a r s t r u c tur e ； b r a c k e t s t r u c tur e ； s t r e n g t h a n a l y s i s a n dc o mp a r i s o n ( 上 接 第 1 6页 ) 当降低企业成本。但是，如果代用不慎，也有可能 造成产品质量缺陷，甚至带来安全上的隐患。为了 保证材料代用能够达到预期效果 ，要根据压力容器 材料性能和具体操作环境，提出切实可行的代用方 案 。设计人员审批材料代用方案要依据合规性原则、 安全性原则和符合性原则，认真对不 同种类材料代 用中可能出现的各种 问题给予高度重视 ，这样才能 保证压力容器的产品质量，确保压力容器在装置 中 安全、可靠运行 。 参 考 文 献 1 R S G R 0 0 0 4 -2 0 0 9 ，固定式压力容器安全技术监察规程 s 【 2 刘志鹏 浅谈压力容器制造过程中的材料代用 【 J 】 中国化工 装备，2 0 1 5( 5 ) ： 3 1 - 3 4 【 3 侯静，张红军 浅析压力容器制造过程中的材料代用 J 广 东化工，2 0 1 3 ，4 0( 8 )： 1 6 3 ，1 5 3 4 4 孙凌， 周鲁光， 黄少华 压力容器制造中材料代用的探讨 J l 油气 田地面工程，2 0 0 9 ，2 8( 4) ：3 9 4 0 5 王远利 ， 压力容器材料代用中应注意的若干问题 J l 石油化 工装 备，2 0 1 4 ，( 7 ) ：3 7 3 8 I s s ue s i n Su bs t i t u t i o n o f M a t e r i a l s Us e d i n Pr e s s ur e V_e s s e l TAO Yi ng M A Zhi f u ( C N PC No r t h e a s t R e fi n i n gP e t r o c h e m i c a l E n g i n e e r i n g C o L t d , J t t i n De s i g n I n s t i t u t e , J i i i n 1 3 2 0 0 2 C h i n a Ab s t r a c t ：Ma t e r i a l s u b s