在设备的设计和制造过程中,常常受到材料的采购和选择困难或者是处于在经济上的不足考虑和分析,材料代用在压力容器的设计中广泛应用。《固定式压力容器安全技术监督规程》在压力容器材料代用中做了明确的规定,在其设计和制造中,主要要求是通过压力容器的承压部件材料的选择中要和被代用的材料不仅外形质量相似,而且要充分考虑材料的化学成分、尺寸标准、性能指标和监测方式进行合理的代用。材料代用最基本的原则是:在代用中要杜绝各种指标不达标材料的应用,严格确保材料质量和达到绝对保证,在技术上代用材料的技术要求不能够低于被代用材料,可以通过多种材料选择方式对材料进行检测和测试。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,须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)压力容器的设计图、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。
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从性能比较的角度出发,常常会出现材料间的“优”和“劣”的问题。但每种压力容器对对材料性能的要求在不同情况下也是不一样的,所以,材料代用中的“优”与“劣”判断从实际出发,具体问题具体分析。下面,笔者基于自身工作经验,主要探讨了几种典型的“以优代劣”问题。
        1 压力容器制作中,在强度、力学特征等机械能方面,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比不过碳素钢。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,应给予充分重视。
       2材料代用时进行细致、周全的考虑,否则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,压力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Q235和20R系列的钢材用16MnR等低合金钢待用就极易产生问题,因此,此类“以优代劣”行径在原则是行不通的,应当被禁止。镇静钢在许多性能方面上,镇静钢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。
      3 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 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,需降低炭含量,而为了提高高温性,则要提高炭的含量。故而,此种情况下的“以优代劣”,要尤其精确设计设备温度,如有必要,应当重新计算。
以厚代薄。
     “以厚代薄”常常使从平面应力状壳体的受力态转变为平面应变状态,这对压力容器受力状态来说,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,很容易增加壳体的几何不连续情况,从而使封头和简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,简体与加厚的封头连接时,通常需要对封头进行削边处理。对以管道为主要简体构成的设备,若增加筒壁厚度,在封头与简体的连接部位也须对简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 容器壳体整体层面上的“以厚代薄”,虽然并不会造成简体连接处和封头的局部应力增加,但不了避免地,仍会导致不良影响。(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,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,壳体厚度的增加肯定会影响其传热效果。