压力容器材料代用中应注意的问题

胡志钢

摘要：在建设压力容器过程中，材料代用很常见的现象。通常是设计文件中所用材料采购不到或采购量太小，也可能是存在某些技术问题，而采用相近的材料代替设计文件中的材料。依照我国现有的压力容器建造体系，压力容器的设计与制造通常分为两个独立的体系，材料由制造单位材料责任师提出，经工艺责任师、焊接责任师及热处理责任师审查，最后由设计单位确认。由此可见，材料代用事关制造单位和设计单位双方，双方都应全方位地考虑代用材料的本身以及代用材料可能对压力容器带来的影响，以确保压力容器的安全可靠。

关键词：压力容器；材料代用；注意问题

引言

在压力容器制造中，材料代用现象经常发生。原因可能是制造厂合理利用现有的库存、为了加快制造的进度、减少材料采购订货的周期，也可能是设计所需的材料用量少，采购困难等原因。材料代用是工程建设中不可避免的正常现象。

1材料代用的意义

压力容器制造单位在开始制造之前，先要按照设计图纸的要求采购材料。当在市场上采购不到图纸要求的材料时，或者制造单位刚好有相近的材料库存时，制造单位都可能会提出材料代用。从以上过程可以看出，材料代用有两方面积极的意义：一是有利于压力容器制造的顺利进行，不会因为少量材料的采购问题影响工期；二是有利于制造单位消化库存，这对整个压力容器制造行业来看无疑是有利的。

2材料代用的具体规定

在压力容器的制造过程中，由于其本身对于材料的选择以及技术性要求都比较高，造成了压力容器的制造过程及采购材料过程中存在着很多的问题，由此材料代用开始逐渐流行起来，并取得了较好的成效。根据《固定式压力容器安全技术监督规程》的相关规定，我们可以知道，在选择压力容器的代用材料时，不仅要求代用材料与原来的材料在外形等物理方面的性质相似，而且要求代用材料在化学方面的性质与原材料的相似程度也不能超出规定的要求。

3压力容器材料代用中应注意的问题

3.1代用材料要考虑强度要求

同种材料代用应注意厚度等级的变化，板材的许用应力随着板厚的增加而降低。例如设计温度为150℃，原设计文件选用16mm的Q245R板材，若采用18mm的Q245R板材代替，则需要重新进行强度校核。因150℃条件下厚度16mm时钢板的许用应力为140MPa，而18mm时为133MPa。由于椭圆型封头的冲压造成较大的减薄量，该情况易出现在封头的建造中。S30403因含碳量较S30408低而具有更好的耐蚀性，一般情况下可使用S30403代用S30408，但应考虑所带来的强度变化。某些时候由于没有足够的空间布置补强圈，拟采用锻管代替无缝钢管加补强圈的结构形式，此时应首先校核代用后开孔补强的强度，其次若该接管承受管道或其他形式的外载荷，还应校核开孔处的局部应力。

3.2代用材料要考虑对焊接的影响

由于焊接在压力容器的建造中地位极为重要，焊接责任师不仅要审查材料代用单的内容，还应对原有焊接工艺评定是否能覆盖、是否进行焊前预热、坡口形式是否仍然适用及焊后热处理是否更改等问题进行审查，此外，还应考虑到代用材料的焊接性能及与焊接材料的可焊性。例如，Q245R和Q345R具有较好的可焊性，但将Q245R和Q345R分列在两个组别中，当原有设计文件采用Q245R而部分零件采用Q345R代用时，应审查原有焊接材料是否适用、是否需要增加焊接试板。通常材料的可焊性随着强度的增加而减弱，所以涉及高强钢代料时一定要重新审查焊接工艺。为了节省材料有时需局部加厚筒体，造成纵、环焊缝有一定的错边量。

3.3代用材料要考虑与介质的相容性

必须充分考虑代用材料与介质的相容性，特别是工作介质中存在应力腐蚀倾向的介质，如：湿硫化氢、碱等。如工作介质存在湿硫化氢应力腐蚀倾向，原设计文件中筒体、封头及人孔筒节均采用Q245R（正火）板材，而材料责任师为充分利用库存材料，拟采用等厚的Q345R代替Q245R制作人孔筒节。虽然Q345R性能优于Q245R，但由于Q345R碳当量较高，抗应力腐蚀性能无法满足要求。奥氏体不锈钢的代用同样存在类似问题，如S31603的耐蚀性能优于S30403，通常情况下用前者代用后者是可行的，但如工作介质中存在硝酸，使用S31603反而更容易被腐蚀。

3.4ASME材料代用中应注意的问题

按照ASME建造的压力容器，首先应建立完整的质量控制体系。其次，应按美国锅炉和压力容器检验师协会的要求编制完善的质量控制手册，对材料代用的程序和批准授权人应做出明确规定。最重要的是ASME材料代用应事先征求业主意见，因部分业主不同意国标材料的代用。在ASME-Ⅷ-1中仅对承压元件材料做出了详尽要求，即必须符合ASME-II中D篇的相应要求，国标材料仅有Q345R纳入其中。而对裙座、折流板、支架等与容器直接相焊的非承压元件材料，只做出两条要求：（1）与承压元件间具有较好的可焊性；（2）如采用非ASME材料，其许用应力不应超过C卷相近材料最大许用应力的80%，所以对于按照ASME建造的压力容器材料代用应首先判断所代用材料是否为承压元件材料。

某采用国外工艺包工程项目中，工艺包要求其中一台换热器换热管的材质应为S31803，同时提出S31803的耐点蚀指数PREN应大于34。S31803是一种具有较高强度和较好耐氯化物局部腐蚀性能的双相钢，需从海外采购，为缩短制造工期和降低制造成本，制造单位提出采用国内生产的S32205代替S31803，经设计单位批准后建造投用，然而在正常操作工况下该换热器的管接头连接处出现了腐蚀。表1为两种钢的化学成分及PREN值，表2为两种钢的化学成分及PREN典型值。

表1S31803和S32205的化学组成与PREN值

表2S31803和S32205的化学组成与PREN典型值

耐点蚀当量值PREN由%Cr+3.3×%Mo+16×%N计算得出，由表2可以看出，当要求S31803钢耐点蚀当量值PREN值大于34时，表2中各化学成分的平均值即可满足要求，即Ni含量为5.5%。当要求S32205钢的PREN值大于34时，与S31803钢其他化学成分相同时，Ni的含量可能取到其下限值4.5%。而Ni含量的不足将使得钢中奥氏体处于亚稳定状态，对其耐蚀性和韧性影响较大。同时，因Ni含量偏于下限的钢材价格相对较低，而多数情况下采购以经济效益为重，忽视化学成分的要求。如果设计者在材料代用时，仅同意代用而未对S32205化学成分做出相应要求，该项目采购的可能为Ni含量为下限的钢材。由于换热管胀接时存在变形，导致管材出现局部硬化或裂纹，最终造成管接头的腐蚀失效。所以，应在代用文件中对Ni的含量提出相应要求（含量高于下限值的一定量）。

结语

压力容器材料代用可解决因材料采购困难而带来的交货工期问题，提高制造单位的材料利用率，有利于压力容器行业的发展。但材料代用应综合考虑工作介质、设计工况、材料力学性能、可焊性、耐蚀性等因素，需设计单位和制造单位通力合作，通过分析对比，选择合适的代用材料，制定完善的强度核算、焊接、检测、热处理方案，才能确保设计制造的压力容器安全、可靠地运行。

参考文献：

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