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摘 要：压力容器因工作环境及条件的不同，在容器的设计制造过程中正确的选择材料是一件极为复杂而又特别重要的工作。压力容器引发事故的原因中，最重要的一点就是选择材料不当。由于材料采购困难或为了对现有材料进行充分利用等原因，材料代用问题在目前的压力容器设计中时有发生。而常见的材料代用问题有：以优代劣、以厚代薄及其他问题，这些问题直接关系到容器的质量和安全以及投资建设方的经济和管理问题，因此无论是何种类型的材料代用，本质上都是压力容器设计方案的变更，都要引起足够的重视。
1 材料代用的具体规定
在设备的设计和制造过程中，常常会出现材料采购困难或者出于经济上的考虑，材料代用的现象经常出现在压力容器的设计过程中。《固定式压力容器安全技术监督规程（TSG R0004-2009）》以及《钢制压力容器（GB150-1998）》对材料代用做了相关规定。一般来讲，主要要求如下：压力容器的承压部件的代用材料，应与被代用材料有着相同或者相似的外形质量、化学成分、尺寸公差、性能指标、检验项目和检验率等。材料代用最基本的原则是：代用钢材的技术要求不低于被代用的钢材，个别在检测率或性能项目上要求略低的代用材料，可以采取检验、测试的方式来选择合适的代用材料。
2“ 以优代劣”问题
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、制作工艺性能、耐腐蚀性和耐高温性等。材料性能对于某种材料而言是确定不变的，一种材料在某一方面的性能“优”于另一材料的同时，有可能再其他方面“劣”于另一种材料。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”判断从实际出发，具体问题具体分析。下面，基于自身工作经验，主要探讨了几种典型的“以优代劣”问题。
2.1 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。
2.2 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。平时，为了提高耐腐蚀性，需降低含量，而为了提高高温性，需提高炭的含量。故而，此时的 “以优代劣”，要尤其精确设计设备温度，如有必要，需重新计算。
2.3对于膨胀节、爆破片、挠性管板及这类零件，原则上不应采用以厚代薄，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。能进行以优代劣，特殊情况下必须代用时应以代用的材料为重新进行精密计算，根据结果，适当调整零件厚度，以防止这类零件及其相邻部位出现故障或者失效。
3“以厚代薄 ”问题
“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。
3.1 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，势必增加壳体的几何不连续情况，从而使封头和筒体间的连接部位受到的局部应力增加，对于有应力腐蚀倾向的容器来说，会造成很大的损害。对于受交变载荷的容器，严重的可能造成疲劳断裂。
3.2 由于原件厚度与其刚性是成正比的，厚度越大，刚性则越强，所以原则上不允许对挠性薄管板、波纹管和膨胀节等元件实行以厚代薄，便于防止减弱补偿变形的效果。
3.3 容器壳体整体层面上的“以厚代薄”，虽然并不会造成筒体连接处和封头的局部应力增加，但避免不了地，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。
3.4 钢板的许应用力和其厚度紧密相连，《钢制压力容器（GB150-1998）》指出，钢材的许应用力随着其板厚的增大而减小，二者负相关。如16MnR在20℃-150℃环境下板厚由16mm变为18mm时，其许应用力则从170MPa降为167MPa，20R在150℃下板厚由16mm变为18mm时，其许应用力则从135MPa降为125MPa。由此可知，以厚代薄很可能导致强度不够，故而，对处于临界状态的以厚代薄，必须对验算其强度。
3.5厚板替代薄板时，经常导致连接结构发生相应改变，比如，筒体与加厚的封头连接时，通常需要对封头进行削边处理。
综上所述，以厚代薄的利弊问题是很复杂的，在进行代用时，须由相关设计单位对代用的可行性和影响进行综合考虑后，方可决定其是否可行。对可采取以厚代薄类型的容器，应对其焊接工艺、支座和等进行相应的调整，以消除或减少种种不利影响。
4 其他注意事项
（1）进行材料代用时，应根据实际用材情况对焊接工艺进行适当的调整。
（2）用高级材料替代低级材料时，实验和验收仍可采用低级材料的标准，不用提高标准。
（3）不同材料的耐高温性、韧度等性能不同时，进行最低水压实验时，其相应的温度也可能发生改变，此时，要严格按GB150的相关规定执行。
（4）当板厚增加超过GB150所规定的冷卷厚度时，一定要对筒体进行消除应力的热处理。
（5）钢板的厚度达到一定水平时，还需要进行超声探伤，必要时，提高水试验的压力。
5结语
以钢为材料主体进行设计和制作的压力容器，在材料的机械性能要求上，不仅要考虑其韧性，还要考虑其强度，尤其是重视钢材的塑性储备量，这是钢制压力容器的设计准则（弹性失效准则）决定的。从这个角度上来说，在压力容器材料选择上要正确界定“优”和“劣”，不要单纯的从材料的厚度和强度来考虑，而要进行综合辨析和考虑。也可以说，压力容器制造中的材料待用并不单单是技术问题，更包含容器的安全性、投资方的经济效益、制造商的成本等经济和管理问题在内的复杂问题。因此，无论是何种类型的材料代用，其本质上均是压力容器设计方案的变更，都应给予相当的重视。
参考文献：
[1]国家质量技术监督局 压力容器安全技术监察规程：（质技监局锅发【1999】154号）
[2]陈冬勤.浅析压力容器制造的材料代用问题[J].科技风，2009，（04）：42-43.
1 材料代用的具体规定
在设备的设计和制造过程中，常常会出现材料采购困难或者出于经济上的考虑，材料代用的现象经常出现在压力容器的设计过程中。《固定式压力容器安全技术监督规程（TSG R0004-2009）》以及《钢制压力容器（GB150-1998）》对材料代用做了相关规定。一般来讲，主要要求如下：压力容器的承压部件的代用材料，应与被代用材料有着相同或者相似的外形质量、化学成分、尺寸公差、性能指标、检验项目和检验率等。材料代用最基本的原则是：代用钢材的技术要求不低于被代用的钢材，个别在检测率或性能项目上要求略低的代用材料，可以采取检验、测试的方式来选择合适的代用材料。
2“ 以优代劣”问题
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、制作工艺性能、耐腐蚀性和耐高温性等。材料性能对于某种材料而言是确定不变的，一种材料在某一方面的性能“优”于另一材料的同时，有可能再其他方面“劣”于另一种材料。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”判断从实际出发，具体问题具体分析。下面，基于自身工作经验，主要探讨了几种典型的“以优代劣”问题。
2.1 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。
2.2 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。平时，为了提高耐腐蚀性，需降低含量，而为了提高高温性，需提高炭的含量。故而，此时的 “以优代劣”，要尤其精确设计设备温度，如有必要，需重新计算。
2.3对于膨胀节、爆破片、挠性管板及这类零件，原则上不应采用以厚代薄，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。能进行以优代劣，特殊情况下必须代用时应以代用的材料为重新进行精密计算，根据结果，适当调整零件厚度，以防止这类零件及其相邻部位出现故障或者失效。
3“以厚代薄 ”问题
“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。
3.1 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，势必增加壳体的几何不连续情况，从而使封头和筒体间的连接部位受到的局部应力增加，对于有应力腐蚀倾向的容器来说，会造成很大的损害。对于受交变载荷的容器，严重的可能造成疲劳断裂。
3.2 由于原件厚度与其刚性是成正比的，厚度越大，刚性则越强，所以原则上不允许对挠性薄管板、波纹管和膨胀节等元件实行以厚代薄，便于防止减弱补偿变形的效果。
3.3 容器壳体整体层面上的“以厚代薄”，虽然并不会造成筒体连接处和封头的局部应力增加，但避免不了地，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。
3.4 钢板的许应用力和其厚度紧密相连，《钢制压力容器（GB150-1998）》指出，钢材的许应用力随着其板厚的增大而减小，二者负相关。如16MnR在20℃-150℃环境下板厚由16mm变为18mm时，其许应用力则从170MPa降为167MPa，20R在150℃下板厚由16mm变为18mm时，其许应用力则从135MPa降为125MPa。由此可知，以厚代薄很可能导致强度不够，故而，对处于临界状态的以厚代薄，必须对验算其强度。
3.5厚板替代薄板时，经常导致连接结构发生相应改变，比如，筒体与加厚的封头连接时，通常需要对封头进行削边处理。
综上所述，以厚代薄的利弊问题是很复杂的，在进行代用时，须由相关设计单位对代用的可行性和影响进行综合考虑后，方可决定其是否可行。对可采取以厚代薄类型的容器，应对其焊接工艺、支座和等进行相应的调整，以消除或减少种种不利影响。
4 其他注意事项
（1）进行材料代用时，应根据实际用材情况对焊接工艺进行适当的调整。
（2）用高级材料替代低级材料时，实验和验收仍可采用低级材料的标准，不用提高标准。
（3）不同材料的耐高温性、韧度等性能不同时，进行最低水压实验时，其相应的温度也可能发生改变，此时，要严格按GB150的相关规定执行。
（4）当板厚增加超过GB150所规定的冷卷厚度时，一定要对筒体进行消除应力的热处理。
（5）钢板的厚度达到一定水平时，还需要进行超声探伤，必要时，提高水试验的压力。
5结语
以钢为材料主体进行设计和制作的压力容器，在材料的机械性能要求上，不仅要考虑其韧性，还要考虑其强度，尤其是重视钢材的塑性储备量，这是钢制压力容器的设计准则（弹性失效准则）决定的。从这个角度上来说，在压力容器材料选择上要正确界定“优”和“劣”，不要单纯的从材料的厚度和强度来考虑，而要进行综合辨析和考虑。也可以说，压力容器制造中的材料待用并不单单是技术问题，更包含容器的安全性、投资方的经济效益、制造商的成本等经济和管理问题在内的复杂问题。因此，无论是何种类型的材料代用，其本质上均是压力容器设计方案的变更，都应给予相当的重视。
参考文献：
[1]国家质量技术监督局 压力容器安全技术监察规程：（质技监局锅发【1999】154号）
[2]陈冬勤.浅析压力容器制造的材料代用问题[J].科技风，2009，（04）：42-43.