压力容器材料代用应注意的问题
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摘 要：因采购困难或为对现有材料充分利用等，材料代用经常发生，以优代劣、以厚代薄等使强度或厚度的提高并非就一定是“优”，还有可能是“劣”。材料代用直接关系到容器的安全使用，很值得我们重视。
压力容器的材料选择是压力容器设计的重要部分，若设计和制造过程中材料选择不当，则会给容器的安全性能带来隐患。因此选材时必须根据容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）选择具有合适焊接性能、力学性能、物理性能和耐腐蚀性能的材料，选材还必须考虑工艺可加工性和经济合理性等情况。但在设备的制造中，常因材料采购困难或者出于经济上的考虑而进行代用，本文着重探讨在材料代用时，代用材料的这些性能是否就是比被代用的材料性能好、代用的原则及代用时应考虑的问题。
一、材料代用原则及程序
《压力容器》和《固定式压力容器安全技术监察规程》中对材料代用问题规定：压力容器承压部件的代用材料，应与被代用的材料具有相同或相近的化学成分、交货状态、检验项目、性能指标、检验率、尺寸公差以及应力腐蚀开裂倾向和外形质量等。最基本的代用原则是代用钢材的技术要求不低于被代用的钢材，个别在性能项目或检验率方面要求略低的代用钢材，则通过增加检验来进行代用。
材料代用要履行的手续：①凡压力容器承压部件的材料代用，必须经材料代用单位的技术部门（包括设计和工艺部门）同意，并将代用材料的质量证明书或复验报告报主管负责人审核批准；②压力容器的材料代用必须征得原设计单位的同意并取得书面文件；③压力容器出厂质量证明书和施工图上应注明代用材料的材质、规格和部位。
二、“以优代劣”问题
某种材料在某一方面的性能优于另一种材料的同时，有可能在其它方面劣于另一种材料，工程上对材料性能的需求是千变万化的，在材料代用问题上的优、劣判断，只能具体问题具体分析，不能一概而论。
1.低合金钢与碳素钢性能比较
压力容器用低合金钢的强度等机械性能方面的指标要优于碳素钢，但其可焊性、冷加工性能却不如碳素钢好，因为一般强度级别越高，其可焊性和冷加工性能就越差，如发生这方面的材料代用时，要相应修改焊接工艺，还可能引发相应的热处理要求的变化，要引起足够的重视；其抗应力腐蚀性能也不如碳素钢好。如在有应力腐蚀开裂倾向和湿H2S环境的设备中，强度级别的提高其应力腐蚀开裂的敏感性加大，在这种情况下用16MnR等低合金钢代替Q245R及Q235系列钢会更容易出现问题，原则上这类“以优代劣”是不允许的。
2.镇静钢与沸腾钢
镇静钢在许多方面的性能都优于沸腾钢，但是当用于制造搪玻璃容器时，其搪瓷效果反而比镇静钢好。
3.不锈钢与低合金钢
不锈钢也有其耐蚀性能不如碳素钢和低合金钢的场合，如含CI-介质的工况。
4.超低碳不锈钢与普通不锈钢
超低碳不锈钢的价格和耐腐蚀性能优于普通不锈钢，但其高温热强性却不如普通不锈钢，碳在奥氏体不锈钢中具有两重性。从耐腐蚀性来说，需要降低含碳量；但从耐高温性能来说则需要适当提高含碳量。此类代用要特别注意设备的设计温度，必要时需重新进行计算。
5.锻件与板材
锻件的综合性能优于板材，但同一材质，同一厚度，同一温度下板材的许用应力略高于锻件。所以换热器管板如用锻件代用板材时，需要重新校核厚度。
6.其它
对于膨胀节、爆破片和挠性管板这类零件，以优代劣应按代用材料重新计算；对其厚度适当减薄，否则将有可能导致这些元件及相邻部位失效。
三、“以厚代薄”问题
“以厚代薄”往往使壳体的受力由平面应力状态向平面应变状态转变，对容器的受力状态有害而无利，厚壁容器更容易产生三向拉应力的平面应变脆性断裂。
1.对于原设计中筒体与封头之间为等厚度焊接的容器，如对容器壳体个别部件进行“以厚代薄”时，势必增加容器壳体的几何不连续程度引起应力集中，使连接部位的局部应力增大，对有应力腐蚀倾向的容器有很大危害，对于受交变载荷的容器，则有可能引起疲劳裂纹甚至疲劳断裂。如加厚的封头与筒体的连接，往往都必须对封头进行外削边处理，焊接结构也可能变化。
2.容器壳体整体上的以厚代薄，虽然不会使筒体与封头连接部位的局部应力增加，但是仍会造成以下几种不利影响：①壳体厚度增大后，原设计选用的焊接方式、探伤方法等可能相应发生变化；②壳体增厚会增加容器的重量，将对容器的支座和基础不利；③对于壳体兼作传热部件的容器，增加壳体厚度会影响换热容器的传热效果。
3.钢板许用应力与其厚度密切相关，从《压力容器》中可见，钢材随板厚的增加其许用应力呈下降趋势，如16MnR在20℃～150℃下板厚从16mm增加到18mm时，许用应力由170MPa下降到163MPa；因此以厚代薄有可能导致强度不足，当处于这些临界状况下的以厚代薄时，必须对强度进行验算。
4.对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等元件，原则上不应以厚代薄，因为随着元件的加厚，其刚性相应增大，从而削弱了补偿变形效果。
5.换热器主要元件的以厚代薄会造成原本平衡的力系不平衡，需重新进行设计计算。
高级材料代用低级材料时，其试验与验收仍应按低级材料执行，而无需再提高验收要求；材料不同其低温韧度储备也不同，相应的最低水压试验温度将可能有所变化；板材加厚超过了规定的冷卷厚度时，必须对筒体做消除应力热处理。达到一定厚度时还需超声探伤，必要时还应适当提高水压试验压力。
五、结论
压力容器材料代用时，强度或厚度的提高不一定就好。应具体问题具体分析，但无论是何种类型的材料代用，本质上都是压力容器设计方案的变更，都要引起足够的重视。
参考文献：
[1] GB150-2011《压力容器》
[2] TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》
作者简介：蔡亮亮，（1985年―），男， 陕西省宝鸡人， 毕业于渭南师范学院，本科，初级工程师，研究方向：压力容器设计。