【摘要】文章闡述了材料代用的基本原則，材料代用的基本程序及材料代用過程中的一些注意事項(xiàng)，為壓力容器制造行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員處理材料代用問題提供一些參考。

【關(guān)鍵詞】壓力容器制造；材料代用；安全性能

1、前言

材料選用是壓力容器設(shè)計(jì)制造過程中至關(guān)重要的步驟，如果材料選擇不當(dāng)或者錯(cuò)誤，則有可能給壓力容器的后期使用帶來安全隱患。壓力容器制造過程中，為了對(duì)庫存材料進(jìn)行充分利用，或者由于采購周期長等情況，材料代用問題時(shí)有發(fā)生，一般來說，材料代用有利于設(shè)備的制造環(huán)節(jié)，但不利于設(shè)備的安裝、修理、改造、使用及檢驗(yàn)等后續(xù)環(huán)節(jié)。在某些情況下，可以較為簡單地按其性能及價(jià)格來決定材料代用的優(yōu)劣，但有時(shí)可能會(huì)涉及到設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)參數(shù)，這是不容忽視的。

2、材料代用的原則

TSG R0004《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察容規(guī)》中規(guī)定“壓力容器制造或者現(xiàn)場組焊單位對(duì)主要受壓元件的材料代用，應(yīng)當(dāng)事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，并且在竣工圖上做詳細(xì)記錄?！弊罨镜脑瓌t是代用材料必須是壓力容器制造規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)允許使用的材料，代用材料的各項(xiàng)性能必須不低于被代用材料，如果代用材料在某些性能項(xiàng)目或檢驗(yàn)比例方面低于被代用材料，可通過增加檢驗(yàn)的手段來進(jìn)行代用。一般情況下材料代用遵循以厚代薄及以高代低原則。

2.1以厚代薄

以厚代薄是指在材料性能相同或相似的情況下用相同鋼號(hào)較厚規(guī)格的材料代替較薄規(guī)格的材料。以厚代薄，有可能引起連接處的結(jié)構(gòu)變化，還有可能涉及到焊接結(jié)構(gòu)的變化，因此，材料代用不能簡單的以厚代薄。以厚代薄也必須事先取得原設(shè)計(jì)單位的書面證明，由設(shè)計(jì)單位來綜合考慮以厚代薄有可能造成的不利因素，決定能否代用并對(duì)可實(shí)施材料代用的容器的焊接方法、探傷方法、支座、基礎(chǔ)等作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以減少或消除各種不利影響。

2.2以高代低

以高代低是用較高級(jí)別或性能較好的材料代替較低級(jí)別或性能較差的材料。以高代低可以提高設(shè)備的強(qiáng)度儲(chǔ)備，增加設(shè)備的安全可靠性，但某些特殊工藝環(huán)境要求的情況除外。材料的優(yōu)劣是相對(duì)于介質(zhì)性質(zhì)而言的。應(yīng)當(dāng)根據(jù)容器的使用條件，對(duì)代用材料和被代用材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能、可焊性、冷熱加工性能及耐腐蝕性等進(jìn)行全面分析才能確定所選的代用材料是否合理正確，必要時(shí)要進(jìn)行工藝試驗(yàn)論證。例如用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼代替普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，用合金鋼代替碳素鋼都是可行的。因此材料以高代低也必須取得原設(shè)計(jì)部門書面批準(zhǔn)。

3、材料代用基本程序

1、由代用單位采購部門提供材料的牌號(hào)、規(guī)格、技術(shù)條件、代用數(shù)量、代用原因及材料來源等有關(guān)資料并填寫材料代用申請(qǐng)單，送至工藝責(zé)任師處會(huì)簽，工藝責(zé)任師根據(jù)代用單上提供的技術(shù)條件、理化試驗(yàn)、復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)簽署對(duì)使用材料的意見，最后由代用單位技術(shù)部門的批準(zhǔn)并上報(bào)代用材料的質(zhì)量證明或復(fù)檢報(bào)告，由主管負(fù)責(zé)人核準(zhǔn)批復(fù)；

2、將材料代用申請(qǐng)單報(bào)送至原設(shè)計(jì)單位，在獲得原設(shè)計(jì)單位的允許并拿到書面證明文件后，方可以在壓力容器制造時(shí)進(jìn)行材料代用，如果原設(shè)計(jì)單位有不同意見，則不允許進(jìn)行代用；

3、容器的竣工圖以及出廠的質(zhì)量證明書中要詳細(xì)記錄代用材料的材質(zhì)、規(guī)格和部位，便于壓力容器后期的使用、維修、改造及檢驗(yàn)等工作的進(jìn)行，材料代用申請(qǐng)單原件應(yīng)在壓力容器原始資料中妥善保管。

4、材料代用中的注意事項(xiàng)

1、當(dāng)厚板代替薄板時(shí)，有可能引起連接處的結(jié)構(gòu)變化，如簡體與加厚封頭的連接，通常需要對(duì)封頭進(jìn)行外削邊處理。當(dāng)厚度增加較多的時(shí)候，還有可能涉及到焊接結(jié)構(gòu)的變化；

2、整體以厚代薄，即使不會(huì)增加封頭與筒體連接部位的局部應(yīng)力，也會(huì)造成一些不利影響：（1）增大板厚，原設(shè)計(jì)選用的焊接方式、探傷方法及熱處理要求等可能發(fā)生相應(yīng)的變化；（2）板厚增大必然增加容器的重量，對(duì)容器的支座和基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響；

3、隨板厚增加材料許用應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，以厚代薄有可能導(dǎo)致強(qiáng)度不足，必要時(shí)須進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算；

4、換熱器主要受壓元件以厚代薄會(huì)增大溫差應(yīng)力，造成力系不平衡，必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；

5、采用無縫管做筒體的小直徑換熱器，以厚代薄應(yīng)當(dāng)適量減小折流板外徑，并核對(duì)折流板外徑的減小量是否在允許范圍之內(nèi)；

6、不宜過分增厚開孔補(bǔ)強(qiáng)板，過厚的補(bǔ)強(qiáng)板容易引起補(bǔ)強(qiáng)板與簡體連接的外周較高的應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致起焊角部位開裂；

7、以厚代薄可能導(dǎo)致受壓部件過大的厚度差，有可能影響射線探傷質(zhì)量，甚至使探傷失效，即使可以采取相應(yīng)的措施避免漏檢，制造成本會(huì)相應(yīng)的有所增加；

8、由于低合金鋼的高強(qiáng)度以及較差的可焊性及冷加工性能，采用低合金鋼代碳素鋼時(shí)，應(yīng)當(dāng)修改相應(yīng)的焊接工藝及參數(shù)，必要時(shí)修改相應(yīng)的熱處理要求；濕H2S環(huán)境和有應(yīng)力腐蝕開裂傾向的設(shè)備中，應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性隨著壓力容器用鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高相應(yīng)增大，由于低合金鋼強(qiáng)度高于碳素鋼，但是抗應(yīng)力腐蝕性能不如碳素鋼，原則上不允許這類以高代低；

9、以高代低有可能產(chǎn)生改變對(duì)焊接工藝、焊接材料及焊工資格的要求，對(duì)于本身強(qiáng)度高可焊性差的材料，如果再用更高級(jí)別的材料代用，可焊性更差，焊接工作的難度將更大；

10、代用材料是否會(huì)產(chǎn)生改變熱處理狀態(tài)、無損檢測(cè)比例以及焊接試板等要求；

11、以高代低代用材料的強(qiáng)度級(jí)別是否影響到產(chǎn)品類別的劃分，如抗拉強(qiáng)度下限值是否超過540Mpa；

12、由于鍛件的綜合性能優(yōu)于板材.換熱器管板一般采用鍛件，如果用鍛件代板材，需要注意同材質(zhì)、同厚度、同設(shè)計(jì)溫度下鍛件與板材的許用應(yīng)力不同，必須考慮代用材料是否滿足原設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力的要求。

5、結(jié)語

本文闡述了材料代用的原則、程序及注意事項(xiàng)，為壓力容器制造行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員處理材料代用問題提供一些參考。由于目前條件局限，材料代用在壓力容器制造過程中不可避免，它直接關(guān)系到壓力容器的安全性能，因此遇到材料代用時(shí)必須取得原設(shè)計(jì)單位的書面批準(zhǔn)，方可實(shí)施代用。同時(shí)壓力容器設(shè)計(jì)、制造單位在慎重考慮各種可能影響壓力容器安全使用的情況后，方可決定是否進(jìn)行材料代用。

參考文獻(xiàn)

[1]TSG R0004《 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察容規(guī)》.中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局頒布，2009.

[2]GB150-2011《壓力容器》中華人民共和國國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布，2011.

[3]GB151-1999《管殼式換熱器》.國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，1999.

[4]JB 4736-2002《補(bǔ)強(qiáng)圈》.國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)發(fā)布，2002.

作者簡介

張紅軍（1974-）男，籍貫新疆，工程師，多年從事壓力容器設(shè)計(jì)、工藝檢驗(yàn)工作.