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【摘要】材料的选择是压力容器设计过程中的重要组成部分，应作为设计风格的体现始终贯穿于压力容器建造过程，但由于设备制造过程中采购困难或工艺评定不能满足设计要求等因素的影响，材料代用时有发生。常见的代用问题有以优代劣、以厚代薄及其他问题，这些材料代用问题不仅仅是技术问题，它直接关系到容器的安全，投资建设方的投资效益及制造厂的成本核算等一系列经济问题和管理问题，值得我们重视。
【关键词】压力容器 设计 材料代用 以优代劣 以厚代薄
中图分类号： S611 文献标识码： A
如何进行正确的选材是压力容器设计的首要问题。在压力容器选材上，要根据容器的具体使用条件，如设计的压力和温度、操作特征、介质特点等，来选取合适的材料。除此之外，选取材料时还要充分考虑其具体加工工艺和经济性等其他因素。
1 材料代用的具体规定
一般来讲，材料代用的手续要求为：（1）容器承压部件的代用要严格进行，須经由代用单位技术部门的批准并上报代用材料的复检报告或质量证明，由主管负责人核准批复；（2）必须在获得原设计单位的允许并拿到证明文件后，才可以在压力容器制造时进行材料代用；（3）图、施工图以及出厂时的质量证明书中要细致标注代用材料的规格部位、材质和规格。
在某些情况下，材料代用可以比较简单地按强度性能及价格确定优劣，有些情况却相反，将涉及到这些压力容器设计方案的一系列变更，牵一发而动全身，需要给予充分的重视。
2 以优代劣
压力容器用金属材料的主要性能包括材料的力学性能、制造工艺性能、耐腐蚀性及耐高温性等。一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。而且每种压力容器对材料性能的要求在不同情况下也是不一样的，所以，材料代用中 “优”与“劣”的判断要从实际出发，具体问题具体分析。
（1）压力容器用低合金钢，虽然在强度、力学特征等力学性能方面的指标要优于碳素钢，但是其冷加工性能与可焊性都不如碳素钢好。一般来说，强度级别高的，其冷加工性能与可焊性就较差。所以在进行这方面的代用时，应相应修改对其焊接材料的要求，在热处理方面也可能会有相应变化，应给予充分重视。
（2）压力容器用低合金钢，虽然在强度性能指标上要优于碳素钢，在在价格上要高于碳素钢，但是其抗应力腐蚀性能却不如碳素钢好。材料代用时如果考虑不周将会给压力容器的安全使用留下隐患。比如处于湿硫化氢环境下及存在应力腐蚀开裂倾向的设备中，容器对应力腐蚀开裂地敏感性随容器使用的钢材的强度级别的提高而增大，二者正相关。此时若将20R和20R系列的钢材用Q345R等低合金钢代用就极易产生问题，此时，并非以“优”代“劣”而是以“劣”代“优”，应当被禁止。
（3）材料性能对于某种材料而言，是确定不变的，但是，在不同情况下，人们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，应具体问题具体分析。比如镇静钢在许多性能方面都比沸腾钢要更占优势，但在搪玻璃容器制造时，镇静钢的搪瓷效果反而不如沸腾钢好。一般来说，不锈钢的耐腐蚀性较出色，但在含有氯离子的环境下，其耐腐蚀性却不如低合金钢和碳素钢。
（4）同样是不锈钢，其性能也大相径庭，和普通不锈钢相比，超低碳不锈钢虽然具有价格优势和良好的耐腐蚀性，但前者的高温热强性却更为出色。一般情况下，为了提高耐腐蚀性，需降低含量，而为了提高高温性，则要提高炭的含量。
（5）原则上，膨胀节、爆破片、挠性管板及这类零件不能进行以优代劣，特殊情况下必须代用时应以代用的材料为重新进行计算，根据结果，适当调整零件厚度，以防止这类零件及其相邻部位出现故障或者失效。
（6）对换热器管板而言，锻件的综合性能比板材要好，所以通常情况下采用锻件，但当管板厚度小于60cm时也可以用板材代替锻件，但此时要注意，即使锻件和板材的厚度、材质及设计温度都相同，但两者的许应用力却不相同，前者的许应用力稍低于后者。故如需锻件代用板材，应重新核准管板厚度。
3 以厚代薄
“以厚代薄”使壳体的受力由平面应力状态转变向平面应变状态转变，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。
（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，会形成壳体的几何不连续，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。
（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）容器壳体整体上的“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，但是会产生新的问题。1）厚度增加后，原来的壳体设计中的无损检测和焊接工艺有可能也要进行相应的改变；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，壳体厚度的增加会降低传热效果。
（4）钢板的许应用力和其厚度紧密相连，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。
（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，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。。因为钢材厚度与其刚性是成正比的，厚度越大，刚性越强，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。
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。
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。
5 结语
钢制压力容器设计对材料力学性能的要求，在考量材料强度的同时，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。在压力容器制造中的材料代用问题不仅仅是技术问题，它直接关系到容器的安全，投资建设方的投资效益及制造厂的成本核算等一系列经济问题和管理问题。所以，不论是哪种材料代用，其本质上均是压力容器设计方案的变更，都可能需要重新计算，重新考虑设计方案，应给予相当的重视。
参考文献：
[1]朱海鹰，姚润来，辛忠仁，辛忠智.钢制压力容器材料选择的几个问题[J].中国化工装备，2006，（03）.
[2]王兴衍，龚敬文.压力容器制造的质量控制[J].甘肃科技纵横，2009，（02）.
【关键词】压力容器 设计 材料代用 以优代劣 以厚代薄
中图分类号： S611 文献标识码： A
如何进行正确的选材是压力容器设计的首要问题。在压力容器选材上，要根据容器的具体使用条件，如设计的压力和温度、操作特征、介质特点等，来选取合适的材料。除此之外，选取材料时还要充分考虑其具体加工工艺和经济性等其他因素。
1 材料代用的具体规定
一般来讲，材料代用的手续要求为：（1）容器承压部件的代用要严格进行，須经由代用单位技术部门的批准并上报代用材料的复检报告或质量证明，由主管负责人核准批复；（2）必须在获得原设计单位的允许并拿到证明文件后，才可以在压力容器制造时进行材料代用；（3）图、施工图以及出厂时的质量证明书中要细致标注代用材料的规格部位、材质和规格。
在某些情况下，材料代用可以比较简单地按强度性能及价格确定优劣，有些情况却相反，将涉及到这些压力容器设计方案的一系列变更，牵一发而动全身，需要给予充分的重视。
2 以优代劣
压力容器用金属材料的主要性能包括材料的力学性能、制造工艺性能、耐腐蚀性及耐高温性等。一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。而且每种压力容器对材料性能的要求在不同情况下也是不一样的，所以，材料代用中 “优”与“劣”的判断要从实际出发，具体问题具体分析。
（1）压力容器用低合金钢，虽然在强度、力学特征等力学性能方面的指标要优于碳素钢，但是其冷加工性能与可焊性都不如碳素钢好。一般来说，强度级别高的，其冷加工性能与可焊性就较差。所以在进行这方面的代用时，应相应修改对其焊接材料的要求，在热处理方面也可能会有相应变化，应给予充分重视。
（2）压力容器用低合金钢，虽然在强度性能指标上要优于碳素钢，在在价格上要高于碳素钢，但是其抗应力腐蚀性能却不如碳素钢好。材料代用时如果考虑不周将会给压力容器的安全使用留下隐患。比如处于湿硫化氢环境下及存在应力腐蚀开裂倾向的设备中，容器对应力腐蚀开裂地敏感性随容器使用的钢材的强度级别的提高而增大，二者正相关。此时若将20R和20R系列的钢材用Q345R等低合金钢代用就极易产生问题，此时，并非以“优”代“劣”而是以“劣”代“优”，应当被禁止。
（3）材料性能对于某种材料而言，是确定不变的，但是，在不同情况下，人们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，应具体问题具体分析。比如镇静钢在许多性能方面都比沸腾钢要更占优势，但在搪玻璃容器制造时，镇静钢的搪瓷效果反而不如沸腾钢好。一般来说，不锈钢的耐腐蚀性较出色，但在含有氯离子的环境下，其耐腐蚀性却不如低合金钢和碳素钢。
（4）同样是不锈钢，其性能也大相径庭，和普通不锈钢相比，超低碳不锈钢虽然具有价格优势和良好的耐腐蚀性，但前者的高温热强性却更为出色。一般情况下，为了提高耐腐蚀性，需降低含量，而为了提高高温性，则要提高炭的含量。
（5）原则上，膨胀节、爆破片、挠性管板及这类零件不能进行以优代劣，特殊情况下必须代用时应以代用的材料为重新进行计算，根据结果，适当调整零件厚度，以防止这类零件及其相邻部位出现故障或者失效。
（6）对换热器管板而言，锻件的综合性能比板材要好，所以通常情况下采用锻件，但当管板厚度小于60cm时也可以用板材代替锻件，但此时要注意，即使锻件和板材的厚度、材质及设计温度都相同，但两者的许应用力却不相同，前者的许应用力稍低于后者。故如需锻件代用板材，应重新核准管板厚度。
3 以厚代薄
“以厚代薄”使壳体的受力由平面应力状态转变向平面应变状态转变，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。
（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，会形成壳体的几何不连续，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。
（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）容器壳体整体上的“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，但是会产生新的问题。1）厚度增加后，原来的壳体设计中的无损检测和焊接工艺有可能也要进行相应的改变；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，壳体厚度的增加会降低传热效果。
（4）钢板的许应用力和其厚度紧密相连，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。
（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，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。。因为钢材厚度与其刚性是成正比的，厚度越大，刚性越强，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。
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。
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。
5 结语
钢制压力容器设计对材料力学性能的要求，在考量材料强度的同时，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。在压力容器制造中的材料代用问题不仅仅是技术问题，它直接关系到容器的安全，投资建设方的投资效益及制造厂的成本核算等一系列经济问题和管理问题。所以，不论是哪种材料代用，其本质上均是压力容器设计方案的变更，都可能需要重新计算，重新考虑设计方案，应给予相当的重视。
参考文献：
[1]朱海鹰，姚润来，辛忠仁，辛忠智.钢制压力容器材料选择的几个问题[J].中国化工装备，2006，（03）.
[2]王兴衍，龚敬文.压力容器制造的质量控制[J].甘肃科技纵横，2009，（02）.