浅析压力容器制造过程中的材料代用

【摘要】文章阐述了材料代用的基本原则，材料代用的基本程序及材料代用过程中的一些注意事项，为压力容器制造行业相关技术人员处理材料代用问题提供一些参考。

【关键词】压力容器制造；材料代用；安全性能

1、前言

材料选用是压力容器设计制造过程中至关重要的步骤，如果材料选择不当或者错误，则有可能给压力容器的后期使用带来安全隐患。压力容器制造过程中，为了对库存材料进行充分利用，或者由于采购周期长等情况，材料代用问题时有发生，一般来说，材料代用有利于设备的制造环节，但不利于设备的安装、修理、改造、使用及检验等后续环节。在某些情况下，可以较为简单地按其性能及价格来决定材料代用的优劣，但有时可能会涉及到设计方案及设计参数，这是不容忽视的。

2、材料代用的原则

TSG R0004《固定式压力容器安全技术监察容规》中规定“压力容器制造或者现场组焊单位对主要受压元件的材料代用，应当事先取得原设计单位的书面批准，并且在竣工图上做详细记录。”最基本的原则是代用材料必须是压力容器制造规范或標准允许使用的材料，代用材料的各项性能必须不低于被代用材料，如果代用材料在某些性能项目或检验比例方面低于被代用材料，可通过增加检验的手段来进行代用。一般情况下材料代用遵循以厚代薄及以高代低原则。

2.1以厚代薄

以厚代薄是指在材料性能相同或相似的情况下用相同钢号较厚规格的材料代替较薄规格的材料。以厚代薄，有可能引起连接处的结构变化，还有可能涉及到焊接结构的变化，因此，材料代用不能简单的以厚代薄。以厚代薄也必须事先取得原设计单位的书面证明，由设计单位来综合考虑以厚代薄有可能造成的不利因素，决定能否代用并对可实施材料代用的容器的焊接方法、探伤方法、支座、基础等作适当的调整，以减少或消除各种不利影响。

2.2以高代低

以高代低是用较高级别或性能较好的材料代替较低级别或性能较差的材料。以高代低可以提高设备的强度储备，增加设备的安全可靠性，但某些特殊工艺环境要求的情况除外。材料的优劣是相对于介质性质而言的。应当根据容器的使用条件，对代用材料和被代用材料的化学成分、力学性能、可焊性、冷热加工性能及耐腐蚀性等进行全面分析才能确定所选的代用材料是否合理正确，必要时要进行工艺试验论证。例如用优质碳素结构钢代替普通碳素结构钢，用合金钢代替碳素钢都是可行的。因此材料以高代低也必须取得原设计部门书面批准。

3、材料代用基本程序

1、由代用单位采购部门提供材料的牌号、规格、技术条件、代用数量、代用原因及材料来源等有关资料并填写材料代用申请单，送至工艺责任师处会签，工艺责任师根据代用单上提供的技术条件、理化试验、复验数据签署对使用材料的意见，最后由代用单位技术部门的批准并上报代用材料的质量证明或复检报告，由主管负责人核准批复；

2、将材料代用申请单报送至原设计单位，在获得原设计单位的允许并拿到书面证明文件后，方可以在压力容器制造时进行材料代用，如果原设计单位有不同意见，则不允许进行代用；

3、容器的竣工图以及出厂的质量证明书中要详细记录代用材料的材质、规格和部位，便于压力容器后期的使用、维修、改造及检验等工作的进行，材料代用申请单原件应在压力容器原始资料中妥善保管。

4、材料代用中的注意事项

1、当厚板代替薄板时，有可能引起连接处的结构变化，如简体与加厚封头的连接，通常需要对封头进行外削边处理。当厚度增加较多的时候，还有可能涉及到焊接结构的变化；

2、整体以厚代薄，即使不会增加封头与筒体连接部位的局部应力，也会造成一些不利影响：（1）增大板厚，原设计选用的焊接方式、探伤方法及热处理要求等可能发生相应的变化；（2）板厚增大必然增加容器的重量，对容器的支座和基础产生不利影响；

3、随板厚增加材料许用应力呈下降趋势，以厚代薄有可能导致强度不足，必要时须进行强度验算；

4、换热器主要受压元件以厚代薄会增大温差应力，造成力系不平衡，必须重新进行设计计算；

5、采用无缝管做筒体的小直径换热器，以厚代薄应当适量减小折流板外径，并核对折流板外径的减小量是否在允许范围之内；

6、不宜过分增厚开孔补强板，过厚的补强板容易引起补强板与简体连接的外周较高的应力集中，严重时可导致起焊角部位开裂；

7、以厚代薄可能导致受压部件过大的厚度差，有可能影响射线探伤质量，甚至使探伤失效，即使可以采取相应的措施避免漏检，制造成本会相应的有所增加；

8、由于低合金钢的高强度以及较差的可焊性及冷加工性能，采用低合金钢代碳素钢时，应当修改相应的焊接工艺及参数，必要时修改相应的热处理要求；湿H2S环境和有应力腐蚀开裂倾向的设备中，应力腐蚀开裂的敏感性随着压力容器用钢强度级别的提高相应增大，由于低合金钢强度高于碳素钢，但是抗应力腐蚀性能不如碳素钢，原则上不允许这类以高代低；

9、以高代低有可能产生改变对焊接工艺、焊接材料及焊工资格的要求，对于本身强度高可焊性差的材料，如果再用更高级别的材料代用，可焊性更差，焊接工作的难度将更大；

10、代用材料是否会产生改变热处理状态、无损检测比例以及焊接试板等要求；

11、以高代低代用材料的强度级别是否影响到产品类别的划分，如抗拉强度下限值是否超过540Mpa；

12、由于锻件的综合性能优于板材.换热器管板一般采用锻件，如果用锻件代板材，需要注意同材质、同厚度、同设计温度下锻件与板材的许用应力不同，必须考虑代用材料是否满足原设计温度下许用应力的要求。

5、结语

本文阐述了材料代用的原则、程序及注意事项，为压力容器制造行业相关技术人员处理材料代用问题提供一些参考。由于目前条件局限，材料代用在压力容器制造过程中不可避免，它直接关系到压力容器的安全性能，因此遇到材料代用时必须取得原设计单位的书面批准，方可实施代用。同时压力容器设计、制造单位在慎重考虑各种可能影响压力容器安全使用的情况后，方可决定是否进行材料代用。

参考文献

[1]TSG R0004《 固定式压力容器安全技术监察容规》.中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局颁布，2009.

[2]GB150-2011《压力容器》中华人民共和国国家质量技术监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会发布，2011.

[3]GB151-1999《管壳式换热器》.国家质量技术监督局发布，1999.

[4]JB 4736-2002《补强圈》.国家经济贸易委员会发布，2002.

作者简介

张红军（1974-）男，籍贯新疆，工程师，多年从事压力容器设计、工艺检验工作.