压力容器制造中材料变更问题的一些浅见

如何进行正确的选材是压力容器设计和制造中的首先要解决的议题，也是相当重要的一个方面。一旦材料选取不当，会对容器的安全运行留下较大隐患。所以，在压力容器选材上，应根据容器的运行参数，如压力和温度、操作要求、介质特性等，来选取具有合适的力学、焊接和耐蚀等性能的材料。除此之外，选取材料时还要充分考虑其具体加工工艺和技术经济性能等其他相关因素。材料的选择和改动应加以足够的重视。

　　一、材料代用的具体规定

　　在设备的设计和制造过程中，常常会出现材料采购困难或者出于经济上的考虑，材料变更、代用的现象经常出现。《固定式压力容器安全技术监督规程（TSG R0004-2009）》以及《固定式压力容器（GB150-2011）》对材料代用都作了相关规定。主要有：“压力容器的承压部件在代用材料的选择上，应和被代用材料有着相同或者相似的外形质量、化学成分、尺寸公差、性能指标、检验项目和检验率等。”材料代用最基本的原则是：要绝对保证，在技术要求上，代用材料不得低于被代用材料。个别在检测率或性能项目上要求不严格的代用材料，可以采取检验、测试的方式来选择合适的代用材料。

　　二、以优代劣

　　压力容器所用的全部金属材料要具有优良的性能，包括材料的力学性能、耐腐蚀性、耐高温性和制作工艺等。每一种材料的性能都是固定不变的，材料代用中的“优”与“劣”判断从实际出发，具体问题具体分析。基于自身工作经验，对以下几种典型的“以优代劣”问题发表些许浅见。

　　2.1 压力容器制作中，在强度、力学特征等机械性能方面，其常用到的低合金钢尽管明显优于碳素钢，但其冷加工性能与可焊性都较碳素钢为差。一般来说，强度级别高的，其冷加工性能与可焊性就较差，二者负相关。所以在进行这方面的代用时，应相应调整焊接工艺，在热处理时也可能会有相应变化，应给以充分重视，在技术要求上予以明示。

　　2.2 材料代用时应进行细致、周全的考虑，以避免压力容器实际使用中可能会出现各种安全隐患。比如处于湿硫化氢环境下及存在应力腐蚀开裂风险的设备中，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Q235和Q245R系列的钢材用Q345R等低合金钢代用就极易产生问题，因此，此类的“以优代劣”，原则是不提倡的，应当避免。

　　2.3 和普通不锈钢相比，超低碳不锈钢虽然价格高并具有良好的耐腐蚀性，但前者的高温热强性却较后者出色。一般情况下，为了提高耐腐蚀性，需降低碳含量，而为了提高高温性，则要提高碳的含量。故而，此种情况下的 “以优代劣”，要尤其精细计及设备的设计温度，如有必要，应当重新计算。

　　2.4 原则上，膨胀节、爆破片、挠性管板及这类零件的选材不能简单地进行以优代劣，特殊情况下必须代用时应对代用的材料重新进行精确计算，根据其结果，适当调整零件厚度，以防止这类零件及其相邻部位间出现问题或者失效。

　　对钢材来说，其化学成份上的微小差异都可能对其性能造成重大影响，所以要对待任何类型压力容器钢材的“以优代劣”问题都要予以充分重视，要慎重，以免导致产品和原设计不符，从而产生重大的不良后果。

　　三、以厚代薄

　　“以厚代薄”常常使容器壳体从平面应力状态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，很容易造成或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，往往也要考虑到焊接工艺的变化。

　　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，但不可避免地，仍会导致一些不良影响。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，增加了制造难度；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，也必然会对容器的基础和支座产生不利影响；3）对壳体同时兼具传热作用的容器，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，《固定式压力容器（GB150-2011）》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，Q345R板厚由16mm变为18mm时，其许应用力则从170MPa降为167MPa，150℃时，Q245R的板厚由16mm变为18mm时，其许应用力则从135MPa降为125MPa。由此可知，以厚代薄在极端状态下反而可能导致材料的强度下降，故而，对处于临界状态的以厚代薄，必须验算其强度。

　　3.5 因为元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能力。

　　综上所述，以厚代薄的利弊问题是很复杂的，在进行代用时，应对其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。

　　四、结语

　　压力容器制造中的材料代用并不单单是技术问题，更包含容器的安全性、投资的经济效益、制造的成本等经济和管理问题在内的综合的技术经济问题。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，应给予足够的重视，并作出相应的设计制作的变更。