压力容器材料代用的那些梗

一、总则
压力容器用材料受供应及材料品种、规格方面的限制，压力容器设计人员经常会碰到压力容器制造单位提出的“材料代用”申请。
TSG 21-2016明确指出“压力容器制造、改造、修理单位对受压元件的材料代用，应当事先取得原设计单位的书面批准，并且在竣工图上做详细记录。
”材料代用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，也有利于消化制造厂的库存，但材料代用涉及强度、温度、腐蚀、制造、试验等问题，工艺人员或设计人员应加强材料代用管理，对材料代用的审批慎之又慎，要考虑到所有相关失效模式。
法规标准中材料代用的规定:
1、TSG 21-2016中第2.1.5条规定：“压力容器制造、改造、修理单位对受压元件的材料代用，应当事先取得原设计单位的书面批准，并且在竣工图上做详细记录。”
2、GB/T150.2-2011中第3.14条规定：“压力容器制造或现场组焊单位对受压元件用钢材的代作，应事先取得原设计单位的书面批准，并在竣工图上做详细记录。”
3、GB/T150.4-2011中第4.3条规定，“制造单位对原设计的修改以及对受压元件用钢材的代作，应事先取得原设计单位的书面批准，并在竣工图上做详细记录。”
可见，GB/T150-2011和TSG 21-2016对材料代用的要求是基本一致。
二、材料代用的一般原则
1、合规性原则
材料代用需要符合相应的安全技术规范和材料标准的要求。当设计文件有规定时，还应符合设计文件的要求。
2、安全性原则
材料代用不应造成压力容器承受载荷（包括机械载荷和温度载荷）能力的降低，也不应造成设备材料耐蚀能力的下降，或者带来其他影响设备安全性能的缺陷。
3、符合性原则
料代用需要符合设计者的基本意图。不能因为代用而造成设备使用性能的降低或者影响设备附件的安装；
也不能因为代用而造成设计基本原则的改变，或者造成较大的费用差异，从而带来经济上的纠纷。
三、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。
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”的判断应从实际出发，具体问题具体分析。
下面，基于工作实际和相关文献，讨论几种典型的“以优代劣”问题。
、以低合金钢代碳素钢
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不优于碳素钢。
一般来说，强度级别越高，其冷加工性能与可焊性就越差，二者成负相关关系。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、 介质与材料的相容性
材料以优代劣时，要注意介质与材料的相容性。压力容器用碳素钢虽然在强度性能方面没有低合金钢优良，但其抗SCC（应力腐蚀）能力一般随材料的强度级别的提高而降低。
举个例子，对于液氨、湿硫化氢腐蚀环境，如果用Q345R等低合金钢代替Q245R和Q235系列的碳素钢材就更容易出现问题。
再举个例子，在某些工况环境下奥氏体不锈钢耐腐蚀性能还不如碳素钢，如含有氯离子介质的工况。
3、超低碳不锈钢代替普通不锈钢
超低碳不锈钢（如S30403）耐高温性能不如普通的奥氏体不锈钢（如S30408）。
虽然前者的价格和耐腐蚀性优于后者，但在GB/T150.2-2011中第3.3.3条规定奥氏体不锈钢使用温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%。
4、强度高的螺栓代替强度低的螺栓
当用强度高的螺栓材料代用强度低的螺栓材料时，法兰厚度由预紧力决定，所以法兰厚度可能不够，满足不了强度要求，应重新对法兰进行计算。
5、同材质锻件代替板材
同种材质锻件和板材，锻件的总体性能要比板材好，但在相同条件下，锻件的许用应力略低于板材，若锻件代用板材，应考虑强度是否满足要求，需重新计算。如：换热器管板。
6、对于膨胀节、爆破片和挠性管版这类零件，原则上不允许以优代劣，否则应按代用材料重新计算；对其厚度适当减薄，否则将有可能导致这些元件及相邻部位失效。
四、以厚代薄
在压力容器制造时由于制造原因产生的需求，在没有违背前文所述原则的前提下，我们可以选择“以优代劣”。
而比起“以优代劣”的情况，“以厚代薄”显得更加不合理。从壳体受力的应力分析上看，“以厚代薄”对容器受力有害无益，但现实压力容器制造过程中确实存在，那么在相同标准、相同牌号的材质“以厚代薄”中我们应注意以下问题：
1、结构不连续
当厚板代薄板时，往往要引起连接结构的变化，如加厚的封头与筒体的连接，往往都必须对封头进行外削边处理。
对于用钢管做筒体的设备，当筒体壁加厚时，筒体与封头的连接处有时也必须对筒体侧作内削边处理。对于筒体与管板及平盖的对焊连接结构也同样存在这些问题。
当厚度增加较多时，常常还涉及到焊接结构的变化，如接管与壳体焊缝及对接焊缝都有可能从原来的单V型改为X型坡口，相应的焊接工艺改变等。
2、增加检测要求
设备受压元件用材料以厚代薄，可以产生诸如材料供货状态、钢板超声、制造过程中热处理（包括恢复材料性能热处理）及焊接试板等要求。
3、许用应力下降
材料加厚，材料的许用应力有可能下降，从而引起设备强度不够。
举个例子，100℃时，Q245R板材厚度16mm时的许用应力为147MPa，而Q245R板材厚度18mm时许用应力降低为140MPa，由于许用应力的降低，厚度增加反而可能引起强度不够。
这在封头制造时尤应引起注意，因为在封头下料时往往都要增加一定的毛坯厚度来保证冲压后封头的最小厚度，结果有可能导致冲压后的封头强度不足。
因此，当处于这些临界状况下的厚代薄时，还必须对强度进行验算。
4、补强圈不建议厚代薄
对于补强圈一般不建议厚代薄，如果加厚会造成补强圈与壳体焊接处的不连续应力集中更高，以致引起焊趾部位开裂。
5、改变焊接和热处理工艺
材料厚度的增加有可能改变焊接工艺，可能导致原来不需要焊前预热的设备，需要预热；原来无需焊后热处理的设备，需要进行焊后热处理。
6、接管厚度的增加
接管厚度的增加有可能增加流体的流速，也有可能造成插入式附件的安装（如雷达液位计、温度计等）出现问题。换热管厚度增加还有可能降低传热效果。
7、换热器主要元件厚度增加
换热器主要元件厚度增加会改变整个力系的受力状态，因此必须重新对换热器进行核算。
8、容器壳体壁厚的增加
容器壳体壁厚的增加，势必增加容器的重量，将对容器的支座或基础不利。
9、对于膨胀节、波纹管、挠性管版和薄管板等元件，原则上不应以厚代薄。因为随着元件的加厚，其刚性相应增大，从而削弱了补偿变形效果。
10、鞍座或支座底板或盖板厚度增加
鞍座或支座底板、鞍座钢板的厚度增加，如果不随着降低筋板的高度，势必造成设备管口位置的上移。
此时，筋板的高度要降低，才能保证管口标高尺寸。
11、换热器折流板厚度增加
有时会有折流板厚度增加的情况，此时，定距管要相应缩短，否则，拉杆长度有可能不够长，螺母无法拧紧。
所以，折流板厚度增加多少，定距管要缩短多少。
五、材料标准的更新
1、GB713标准
GB/T150.2-2011发布时，引用的GB713板材标准为2008版，目前GB713的最新版本已为GB/T713-2014，按GB/T150设计的压力容器，应按新版标准选用板材。
2、GB9948标准
GB/T150.2-2011发布时，引用的GB9948为2006版标准，其中的1Cr5Mo已经不在升版后的GB/T9948-2013中，对于原材料在GB/T9948-2013中有对应的材料应选用升版后的新材料标准，但不能用GB/T9948-2013中的12Cr5MoNT为GB9948-2006中的1Cr5Mo进行代用。
3、GB6479标准
由于GB/T150.2-2011对所引用的GB6479标准仅限于2000版，因此对按GB/T150进行设计的压力容器，设计和制造原则上应采用按GB6479-2000供货的钢管。
如由于市场采购原因采用GB6479-2013钢管用于压力容器建造时，应保证各项性能指标及相关技术要求不应低于GB6479-2000的相关规定。
建造过程中应做好数据比对工作，材料采购技术文件的补充，以及验收确认等质量控制工作，并按相关规定办理材料低用手续。
六、低温用钢代常温用钢
当采用同等强度等级的低温用钢代用常温用钢时，应考虑设计温度下的许用应力能否达到原设计的要求。
例如 ：某压力容器设计温度为 200 ℃时，用同等厚度的材料 16MnDR 代用 Q345R，因为材料 16MnDR 在 200 ℃时的许用应力 [σ]t =167 MPa，而 Q345R 在 200 ℃时的许用应力 [σ]t =183 MPa，这样就会出现强度不足的问题。
七、奥氏体不锈钢互代
当奥氏体不锈钢材料互相代用时，也有可能出现强度不足的现象。     
例如 ：某压力容器设计温度为 200 ℃时，用同等厚度的奥氏体不锈钢材料S30403代用S30408就可能出现问题， 因为材料S30403在200℃时的许用应力 [σ]t =110 MPa，S30408在200℃时的许用应力 [σ]t =130 MPa，必须增加壳体厚度才能满足强度要求。
这时应当考虑重新进行设备设计，而不是通过简单的材料代用来处理。
当奥氏体不锈钢材料互相代用时，还有可能出现与介质的相容性问题，如S31603虽然耐蚀等级高于S30403，但如果用在硝酸环境中时，反而更容易腐蚀。
此外，超低碳不锈钢的高温使用界限要低于低碳不锈钢，这一点也是需要在材料代用时注意的。
八、外压情况下的材料代用
如果在弹性失稳范围内，失稳的临界压力和材料的屈服极限无关，仅与弹性模量和泊松比有关，与设备直径、厚度、长度有关，在这个范围内用高应力代低应力材料是没作用的。
如果在非弹性失稳范围内，失稳的临界压力与材料的屈服极限有关，则可以用高应力材料代用低应力材料。
九、小结
材料代用从本质上说，就是在不断变更压力容器的设计方案，只要代用材料，都可能对数据进行重新计算，对设计方案重新规划。
代用问题的出现对于压力容器的制造不仅是技术的挑战，还与容器的安全、经济性有关。
因此材料代用在压力容器制造中是一个相当重要的环节，工艺人员或设计人员必须做到考虑好各方面情况后再签署意见。

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虽然撸主在这方面下了很多功夫，但是这个优劣就是个伪命题，技术规范上不分优劣，只分哪些允许用。
材料代用要求：压力容器制造、改造、修理单位对受压元件的材料代用，应当事先取得原设计单位的书面批准，并且在竣工图上做详细记录。

“GB/T150-2011和TSG 21-2016对材料代用的要求是基本一致”这样的表述也是不合理的，应当用词“完全一致”，如若不一致应以TSG 21-2016为准。

张君莉 发表于 2021-3-3 16:43
虽然撸主在这方面下了很多功夫，但是这个优劣就是个伪命题，技术规范上不分优劣，只分哪些允许用。
材料代 ...

学习了额

总结的非常到位，谢谢分享

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