1代用材料对介质的相容性
不同材料对不同介质存在相容性的问题。如，在湿硫化氢环境及液氨等存在应力腐蚀风险的设备中，容器对应力腐蚀开裂的敏感性随容器使用的钢材的强度级别的提高而增大，碳素钢一般不发生应力腐蚀，Q345R等低合金钢尽管在力学性能上优于碳素钢，但其抗应力腐蚀性却不如碳素钢好，此时设计人员如仅从代用材料强度方面考虑用Q345R替代碳素钢而不考虑容器的使用条件，将会给容器的安全使用留下隐患。另外，虽然不锈钢有良好的耐腐蚀性，但不锈钢在氯化物+蒸汽、碱液及含氯离子的水中，其耐腐蚀性却不如碳钢和低合金钢。因此，材料代用前应对代用材料和容器的介质的相容性进行分析论证，充分考虑材料代用后可能引起的诸如应力腐蚀、晶间腐蚀等后果，确保容器的运行安全。
2代用材料在设计温度下的许用应力
材料性能的好坏只是相对的，不能单纯的从化学成分甚至价格高低就简单的认为在任何情况下某种材料一定比另一种材料“好”或“坏”。表1列出了在不同温度下Q345R和16MnDR钢板的许用应力（钢板标准按GB713-2014）。Q345R和16MnDR有着类似的化学成分，而且16MnDR的价格要高于Q345R，但从表1中可以看出，在温度高于150℃的情况下，16MnDR的许用应力下降的很快，如设计温度为200℃，Q345R的许用应力为183MPa而16MnDR的需用应力为167MPa，显然，直接替代不能保证该设计温度下的强度要求，需要原设计单位重新核算。另外，16MnDR的最高使用温度为350℃，而Q345R的最高使用温度为475℃，16MnDR只是低温性能优于Q345R，但其耐高温性能却不如Q345R。同样，超低碳不锈钢的耐腐蚀性较普通不锈钢更为出色，价格也高于普通不锈钢。但其耐高温性能却不如普通不锈钢。这是因为降低含碳量可以提高不锈钢的耐腐蚀性，但与耐腐蚀性不同，不锈钢的耐高温性却需要提高碳含量。如一定要替代，则应经过原设计单位核算增加超低碳不锈钢钢板的厚度，而这样却会造成材料成本的增加。另外，即使同种材料，在相同厚度及同一温度下，其许用应力也并不相同。比较常见的是在热交换器管板的选材中，由于锻件的综合性能要优于板材，通常情况下设计者会选用锻件。但当管板厚度在一定范围内时（1999版GB151中规定为不大于60mm），可选用板材。通常情况下，同种材料同一厚度的板材的许用应力要高于锻件。如在200℃时，厚度为36~60mm的Q345R板材许用应力为160MPa，而公称厚度≤100mm的16Mn锻件的许用应力为150MPa。此时如需用锻件替代板材，需要重新校核管板的厚度。
3材料代用后的制造工艺
对于容器的制造来说，用另一种材料或者厚度的变化，会对制造工艺提出新的要求。例如，用低合金钢替代碳素钢，虽然其在强度上可以满足要求，但低合金钢的冷加工性能却不如碳素钢，钢的过量塑性变形会引起其晶格扭曲，降低钢的塑性和韧性，从而给容器的使用带来安全隐患。对此，GB150.4-2011中8.1.1条“钢板冷成型受压原件，对碳钢、低合金钢，成型前厚度大于16mm者，且变形率超过5%时，应于成型后进行相应热处理恢复材料的性能”，对材料代用可能引起的热处理要求做了规定。在容器制造过程中，材料代用会引起焊接材料的改变，需要重新做焊接工艺评定。如用Q345R代替Q235B，此时焊条牌号由J427改为J507，引起焊接材料和焊接工艺的改变，而通常低合金钢的可焊性不如碳素钢，因此，替代时需要重新做焊接工艺评定。由于材料代用可能会引发热处理状态的改变，由此又可能连带地引发对产品焊接试件的要求。根据GB150.4-2011中9.1.1.1,条的规定：制造过程中，通过热处理改善或者恢复材料性能的钢制容器的A类纵向焊接接头，应逐台制备产品焊接试件。此外，材料的代用还可能引发无损检测要求的改变等，这些问题均需设计单位依据设计条件及GB150.4-2011等标准规范综合考虑确定。
4以厚代薄可能引发的问题
以厚代薄可能引起的问题更加复杂。即使仅从强度方面考虑，也可能造成材料许用应力的降低而出现问题。表2列出了Q345R钢板在不同厚度的许用应力（钢板标准按GB713-2014）Q345R钢板的许用应力随着材料厚度的增加呈下降状态。如设计温度为200℃，Q345R钢板在厚度为16mm时的许用应力为183MPa，而其在厚度为18mm时的许用应力为170MPa，由于许用应力的降低，厚度增加反而造成强度不够。以厚代薄可能导致连接结构发生相应改变，造成壳体几何尺寸的不连续，造成应力集中，产生疲劳断裂的隐患，这对承受交变载荷的容器影响更大。以厚代薄还会引起原设计中的无损检测及热处理要求发生变化。GB150.4-2011中10.3.1条g）、h）、i）在材料的厚度方面提出了对A、B类焊接接头射线和超声检测的要求；在10.4条中d）提出了表面检测的要求；在8.2.2.1中表5规定了材料在达到一定厚度后，需进行焊后热处理等。以厚代薄也势必会造成容器重量的增加，需要重新核算支座的支撑能力及基础的承重能力，以免造成支座和基础受力状况不佳。而对于热交换器来说，主要原件的以厚代薄很容易破坏原来的平衡力系，还会影响传热效果，因此原则上不允许以厚代薄，特殊情况下必须代用时，需要原设计单位重新设计计算。总之，以厚代薄会给后续工作带来多方面的不利影响，在设计制造过程中应当尽量避免。
5结语
压力容器属特种设备，设计、制造质量的优劣关系到人民群众的生命和财产安全，而材料的合适选用是其中的重中之重。总之，不论任何情况下发生的材料代用，都属于设计方案的变更，造成产品与原设计计算书不符，需要原设计单位重新计算、变更设计文件。随着压力容器设计、制造体系的不断发展，材料供应渠道的完善，容器的制造和使用单位应避免仅考虑经济成本和缩短工期而产生的材料代用问题，使生产更加专业化。而从我国成为制造业先眼科医学论文进国家的长远目标看，消除材料代用现象是压力容器行业的最终目标。
作者：李英博 单位：沈阳鼓风机集团压力容器有限公司
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