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材料代用相关问题

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锅炉压力容器承压部件的代用材料，宜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、性能指标和检验率、以及尺寸公差和外形质量等。总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。

关于压力容器材料代用问题
  1　关于压力容器材料“以厚代薄”问题

　　对于原设计中筒体与封头之间为等厚度焊接的容器，制造单位对容器壳体个别部件进行“以 厚代薄”(如仅增加封头厚度而筒体厚度不变)时，势必增加容器壳体的几何不连续程度，从而引起应力集中，使封头与筒体连接部位的局部应力增大。这种不利影响对有应力腐蚀倾向 的容器、受交变载荷的容器等都有很大危害。例如：某液化石油气储罐(详见《中国锅炉压 力容器安全》杂志1993第4期刊载的《液化石油气储罐高应力裂纹的产生和修复》一文)，该 容器封头与筒体环缝内壁热影响区处的3条裂纹的产生就与制造单位对封头材料的“以厚代薄”有关。对于受交变载荷的容器，几何不连续引起的应力集中，则有可能引起疲劳裂纹甚 至疲劳断裂。
　　对于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：首先，壳体厚度增大后，原设计选用的焊接方式、探伤方法等可 能已不再适合；其次，壳体增厚，势必增加容器的重量，于是，将对容器的支座和基础不利 ；第三，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。
　　因此，“以厚代薄”也必须象其它形式的材料代用那样“事先取得原设计单位的设计修改证 明文件，对改动部位应作详细记载……”，由设计单位来综合考虑以厚代薄造成的种种不利 影响，决定是否可行并对可实施以厚代薄的容器的焊接方式、探伤方法、支座、基础等作适 当的调整，以消除或减少各种不利影响。

  2　关于压力容器用材料的“以优代劣”问题

　　以低合金钢代替碳素钢、以镇静钢代替沸腾钢“以优代劣”。这样，可能会产生以下问题：
　　首先，材料的性能包括机械性能、制造工艺性能、耐腐蚀性能等。一种钢材在某些方面的性 能优于另一种钢材，则有可能在其它方面的性能要低于另一种钢材。如上面提到的低合金钢 虽然在强度等机械性能指标上优于碳素钢(专指焊制压力容器用碳素钢)，但是其可焊性却不 如碳素钢好；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，沸腾 钢的搪瓷效果反而比镇静钢好。此外，即使是耐腐蚀性相当好的奥氏体不锈钢，也有其耐腐 蚀性反不如碳素钢和低合金钢的场合，如含氯离子的介质的工况。
其次，压力容器设计总图上的热处理要求、检验要求、压力试验要求等方面的内容都与主要 受压元件材质种类有关。所以，压力容器制造单位有必要事先将材质变更的意向告知压力容 器的原设计单位，一方面征求设计单位同意，另一方面请设计单位在同意变更后，对原设计 的有关内容进行必要的修正。

在制造中材料代用是不可避免的，尽管《压力容器安全技术监察规程》对材料代用作出了一些规定，但这只是原则性的，在实际中由于材料代用而引发的相关问题往往不易引起人们的注意。D3 }/ N+ f6 [! I- m9 M
　优代劣与厚代薄+ a' j' v3 }, r9 n' ]5 P$ j
　　所谓优代劣，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；厚代薄则是用同样钢号较厚规格的材料代替较薄规格的材料。上述代用往往被认为是随便可行的，从而忽视了一些相关问题的存在，有时甚至成为重大问题。
+ ?/ a% ~2 W' V: ?　　当厚板代薄板时，往往要引起连接结构的变化，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。对于用管道做筒体的设备，当筒体壁加厚时，筒体与封头的连接处有时也必须对筒体侧作内削边处理。对于筒体与管板及平盖的对焊连接结构也同样存在这些问题。当厚度增加较多时，常常还涉及到焊接结构的变化，如接管与壳体焊缝及对接焊缝都有可能从原来的单V型改为X型坡口。厚代薄的另一个问题就是有可能导致强度不足［17］，这是因为随着板厚的增加，材料许用应力呈下降趋势，如16MnR，由16 mm增加到18 mm，许用应力由170 MPa下降到163 MPa；20R在100 ℃下由16 mm增加到18 mm时，许用应力由132 MPa下降到126 MPa。这在封头制造时尤应引起注意，因为在封头下料时往往都要增加一定的毛坯厚度来保证冲压后封头的最小厚度，结果有可能导致冲压后的封头强度不足［17］。因此，当处于这些临界状况下的厚代薄时，还必须对强度进行验算。对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等元件，原则上不应采用厚代薄，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。对于开孔补强板也不应过多加厚，因为补强板过厚，在补强板与筒体连接的外周将会形成很高的应力集中，以致引起焊趾部位开裂。由此可以看出，厚代薄并不总是有益的，所以在进行代用时对上述问题尤应引起关注。
; u- j+ ?! Y8 Z　　优代劣对于一般情况而言总是有益的，它可以增加设备的强度储备，提高设备的安全可靠性，但对于有些特殊工艺环境则不然。对于湿H2S环境，很显然选用碳素钢则比用15MnVR、16MnR和20MnMo等具有更好的抗H2S SCC能力［18］。对于液氨环境也同样如此，因16MnR在液氨环境下也存在SCC，所以在这种环境用16MnR等低合金钢代替20R、20g及Q235系列钢会更容易出现问题。其次，对于设计要求屈强比σs/σb较低的情况，用所谓优代劣时也应引起注意，如大开孔补强结构、补强板结构及采用极限法设计的补强结构等。对于强度级别较高的材料代用时要注意的另外一个问题是可焊性，因为一般强度级别越高，其可焊性就越差，若此时再用更高级别的材料代用，将使焊接更为困难。还有，对于膨胀节、爆破片和挠性管板这类零件，原则上不允许以优代劣，否则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。
2 t: ~* v, {( o: s　　除了上述要考虑的问题外，代用者尚应考虑到设备的经济性，因为这样的结果无疑将使设备的成本增加，尤其是在代用设备主体材料时更应权衡利弊。

材料代用问题是压力容器设计制造经常会遇到的，由于设计方不了解制造方，可能制造厂有些材料没有或者购买困难，这时候可能需要出具材料代用单。材料代用一般说来都是指“以优代劣”，“以厚代薄”，切记不可随便代用。下面是材料代用时需要注意的几点：
1.代用材料的强度级别是否影响到容器类别的划分。比如抗拉强度下限是否超过540MPa；
2.代用材料对工作介质的相容性。比如是否会存在应力腐蚀、晶间腐蚀等；
3.代用材料的设计温度下的许用应力是否达到原设计的要求。比如许用应力低造成强度不合格问题；
4.代用材料是否会产生如改变焊接材料、焊接工艺等；
5.代用材料是否会产生诸如改变热处理状态、无损检测以及焊接试板等要求。
    事实上材料代用是压力容器设计方案的变更，尽管采用了“以优代劣”和“以厚代薄”的原则，仍然是产生安全隐患和管理混乱的主要因素，压力容器的设计、制造单位必须充分协商，在考虑到各种可能影响压力容器安全使用因素的情况下，慎重决定材料代用方案。
    有些人出现以劣代优，以薄代厚的情况，这不是不允许，而是应该采用合理的渠道解决问题，此种情况应该以设计变更的方式加以解决，而不是材料代用问题。
    补充一点外压情况下的材料代用：如果在弹性失稳范围内，失稳的临界压力和材料的屈服极限无关，仅与弹性模量和泊松比有关，与设备直径、厚度、长度有关，在这个范围内用高应力代低应力材料是没作用的。如果在非弹性失稳范围内，失稳的临界压力与材料的屈服极限有关，则可以用高应力材料代用低应力材料。
    失稳时壁内压应力小于材料的比例极限，应力与应变符合虎克定律时，称为弹性失稳。
    失稳前壁内压应力大于材料的比例极限，应力与应变成非线性关系，称为非弹性失稳。

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