浅谈压力容器制造中材料代用的分析(2)
3 以厚代薄
“以厚代薄”常常使从平面应力状壳体的受力态转变为平面应变状态,这对容器受力状态来说,是有百害而无一利的,通常情况下,厚壁容器比薄壁容器更容易产生三向拉应力,进而产生平面应变脆性断裂。
3.1 对原设计中封头和筒体间等厚焊接的容器,若对容器壳体的个别部件进以厚代薄,很容易增加壳体的几何不连续情况,从而使封头和筒体间的连接部位受到的局部应力增加,此时,对于有应力腐蚀倾向的容器来说,会造成很大的损害。可能会导致疲劳裂纹,严重的可能造成疲劳断裂。
3.2 在厚板替代薄板时,常常导致连接结构发生相应改变,例如,筒体与加厚的封头连接时,通常需要对封头进行削边处理。对以管道为主要筒体构成的设备,若增加筒壁厚度,在封头与筒体的连接部位也须对筒体侧实施内削边处理。在厚度增加较大时,往往也关系到焊接工艺的变化。
3.3 容器壳体整体层面上的“以厚代薄”,虽然并不会造成筒体连接处和封头的局部应力增加,但不了避免地,仍会导致一下不良影响。1)厚度增加后,原来的壳体设计中的探伤方式和焊接工艺也要进行相应的改变,增加难度;2)壳体厚度的增加必然使容器的重量加大,当容器重量增加过大时,必然会对容器的基础和支座产生不利影响;3)对壳体同时具有传热作用的容器,壳体厚度的增加肯定会影响其传热效果。
3.4 钢板的许应用力和其厚度紧密相连,《钢制压力容器(GB150-1998)》指出,钢材的许应用力随着其板厚的增大而减小,二者负相关。例如20℃-150℃环境下,16MnR板厚由16mm变为18mm时,其许应用力则从170MPa降为167MPa,150℃时,20R的板厚由16mm变为18mm时,其许应用力则从135MPa降为125MPa。由此可知,以厚代薄很可能导致强度不够,故而,对处于临界状态的以厚代薄,必须对验算其强度。
3.5 因为原件厚度与其刚性是成正比的,厚度越大,刚性越强,所以原则上不允许对挠性薄管板、波纹管和膨胀节等元件实行以厚代薄,以防止减弱补偿变形的效果。
3.6 由于换热器的特殊性,对热换器的主要元件进行以厚代薄很容易破坏原来的平衡力系,原则上不可以厚代薄,特殊情况下,必须代用时,需要重新设计计算。
综上所述,以厚代薄的利弊问题是很复杂的,在进行代用时,要由相关设计单位对代用的可行性和影响进行综合考虑后,方可决定其是否可行。对可采取以厚代薄类型的容器,应对其焊接工艺、支座和等进行相应的调整,以尽可能的消除不利影响。
4 其他注意事项
进行材料代用时,应根据实际用材情况对焊接工艺进行适当的调整,一般调整原则为:用高级材料替代低级材料时,实验和验收仍可采用低级材料的标准,不用提高标准;不同材料的耐高温性、韧度等性能不同时,进行最低水压实验时,其相应的温度也可能发生改变,此时,要严格按GB150的相关规定执行;当板厚增加超过GB150所规定的冷卷厚度时,一定要对筒体进行消除应力的热处理;钢板的厚度达到一定水平时,还需要进行超声探伤,必要时,提高水试验的压力。
结语
以钢为材料主体进行设计和制作的压力容器,在材料的机械性能要求上,在考两次材料强度的同时,也应考虑其韧性,在韧性满足的条件下,则应尽可能提高其强度。从这个角度上来说,在压力容器材料选择上要正确界定“优”和“劣”,不要单纯的从材料的厚度和强度来考虑,而要进行综合辨析和考虑。所以,也可以说,压力容器制造中的材料待用并不单单是技术问题,更包含容器的安全性、投资方的经济效益、制造商的成本等经济和管理问题在内的复杂问题。所以,不论是哪种材料代用,其本质上均是变更压力容器的设计方案,应给予相当的重视。
参考文献:
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