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摘 要：材料代用在化工设备及压力管道的制造过程中时有发生，其一般遵循原则为以高代低、以优代劣、以厚代薄等。但在实际应用中不能一概而论，而应结合具体情况综合各方面因素进行考虑，才能保证压力容器和压力管道的安全运行。
关键词：材料代用 设计 化工设备 管道
材料代用在目前化工设备设计中时有发生 ，在一些中小项目中更是经常发生。新版《压力容器安全技术监察规程》（以下简称“容规”）在材料代用问题上比旧版“容规”有所变化 ，即 ：对于有相应设计资格的压力容器制造单位在一些材料范围内可以“以优代劣”。本文结合新版“容规”的新要求 ，讨论化工压力容器设计中材料代用问题。化工设备的材料代用是有利于化工设备的制造过程 ，而不利于化工设备的使用、检验、修理和改造等后续过程。对于一个大、中型的化工装置而言 ，如果许多设备都经过了材料代用 ，整个装置的原始设计风格不复存在 ，各设备间的相互协调关系将受到影响。应当尽量减少和避免制造过程中的材料代用现象。而对于一些简单的小型化工装置而言 ，这种不利影响可能会小一些 ，这是本文讨论的前提。在某些情况下 ，材料代用可以比较简单地按其性能及价格来确定优劣 ，有些情况则相反 ，将涉及到这些压力容器设计方案的一系列变更 ，牵一发动全身 ，需要给予充分的重视。
一、以高代低
所谓以高代低，就是指用较高级别的材料代替较低级别的材料。
某延迟焦化装置稳定塔顶回流罐设计中，罐使用环境为湿环境，设计的主体材料为20R。在制造过程中，因为制造单位无此材料，所以提出用普通16MnR代用20R的方案。众所周知，压力容器用低合金钢虽然在强度性能及价格指标上要优于碳素钢，但是其抗应力腐蚀性能却不如碳素钢好，而且因钢强度级别高反而对应力腐蚀开裂的敏感性加大，所以材料代用的建议未被采纳。根据设备性能要求我们提出了两种代用方案：
方案一：用16MnR（抗HIC钢），虽说16MnR（抗HIC钢）抗湿硫化氢腐蚀较好，但采购困难，订货周期长。
方案二：用Q245R。Q245R钢板在化学成分〔熔炼分析）中的磷、硫含量和力学性能（拉伸和冲击试验）方面的技术要求虽然低于20R，但其抗湿硫化氢腐蚀能力较普通16MnR好而且采购容易，方案容易实施，最后确定用Q245R代用20R。
结论：通过综合比较采用方案二，目前该设备投用多年，运行良好。由此看出，材料代用不能简单理解为用较高级别的材料代替较低级别的材料，而应是用性能较好的材料代替性能相对较差的材料。
采用以高代低原则时还应注意代用结构，如大开孔补强结构、补强板结构及采用极限法设计的补强结构等。对于强度级别较高的材料代用时要注意的另外一个问题是可焊性，因为一般强度级别越高，其可焊性就越差，若此时再用更高级别的材料代用，将使焊接更为困难。还有，对于膨胀节爆破片和挠性管板这类零件，原则上不允许以优代劣，若必须代用，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。
二、以优代劣
以优代劣就是指用性能较好的材料代替性能较差的材料。
1.碳素钢代用
镇静钢虽然在价格和强度指标上要优于沸腾钢，但是当用于制造搪玻璃容器时，沸腾钢的涂搪效果反而比镇静钢好。
2.不锈钢材料
同样是不锈钢，其性能也大相径庭。如某地在80年代曾发生过一起由于代材不慎造成的爆炸事故，原因是设计者对一台原设计为1Cr18Ni9Ti的低温液氧储罐，同意了使用0Cr13的代材申请。设计者只知道“0Cr”比“1Cr”好，岂不知1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，0Cr13是铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢基本上没有脆性转变温度，而铁素体不锈钢有脆性转变温度。
由此可见，在材料代用问题上的“优”、“劣”、“高”、“低”判断，只能具体问题具体分析。
三、以厚代薄
以厚代薄是指用同样钢号较厚规格的材料代替较薄规格的材料。
1.同种材质以厚代薄要特别注意随板厚的增加而许用应力下降的因素，在此种情况下有可能导致设计强度不足。这个问题看似一种悖论，实则是由于不同板厚系列的许用应力差异造成的。根据我国规范中的钢材随着扳厚的增加其许用应力呈下降趋势，如GB150-2011中查得常温时16MnDR在厚度由6mm～16mm增加到16mm～36mm时，许用应力由181MPa下降到174 MPa；这在封头制作时应引起重视。因为封头在制造时因厚度减薄量使得下料时需增加毛坯厚度来保证冲压后的封头的最小厚度符合要求，结果就有可能导致冲压后的封头反而强度不足。因此，当材料许用应力值处于跨档的情况下，以厚代薄时须对强度进行核算。
2.对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等变形补偿元件，原则上不应采用厚代薄，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。对于开孔补强板也不应过多加厚，因为补强板过厚，在补强板与筒体連接的外周将会形成很高的应力集中，以至于引起角焊缝的开裂。
3.当对压力容器壳体中的受压元件“以厚代薄”（如加厚封头），会形成壳体的几何不连续。造成局部应力。这对于有应力腐蚀开裂倾向的容器和承受交变载荷的容器影响尤为恶劣。
由此可以看出，以厚代薄并不总是有益的，所以在进行代用时必须对上述问题引起重视。
焊材代用在某延迟焦化装置，管线工作温度低于425℃，材质为1Cr5Mo同种钢焊接，设计选用管道焊材为热507。因现场施工条件限制难于进行焊后热处理时，经设计部门同意，选用了高铬镍（25%-13%以上）奥氏体焊接材料进行焊接，焊后不做热处理。焊接采用奥氏体焊条焊接1Cr5Mo，是一种低匹配的焊接，即焊缝的强度低于母材。从某种意义来说应是以低代高。其优点为：（1）焊缝中奥氏体能溶解较多的氢，因而减少了散扩到近缝区的氢量。（2）焊缝金属冷却之后的强度较低而塑性好，因而减少了拘束应力。（3）由于焊缝金属无A F+P之类相变，当冷到450℃左右时，就产生了较大的拉应力，因而使热影响区金属在此拉应力作用下提前发生奥氏体分解，于是增大氢的散出量，故不易出现冷裂纹。
四、结论
化工设备及压力管道的制造、施工过程中，经常性地存在材料的代用问题。要保证代用的合理性、安全性，有必要了解钢制压力容器的设计选材原则。
钢制压力容器对材料机械性能的要求，直观上看是考虑其强度，实际上重视的是其韧性，尤其是重视钢材的塑性储备量，这是与其它机械产品选择金属材料的不同之处，是钢制压力容器的设计准则（弹性失效准则）决定的。
对于设计者来说，当制造单位提出代用申请时，不可简单机械地套用以高代低、以厚代薄等原则，而应先考虑代用材料能否满足工艺操作条件的需要、能否保证材料代用的安全性；其次，再考虑材料的强度、冷热加工性能和经济合理性等因素。当然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，都有可能需要重新计算，重新考虑设计方案。材料代用是不得以为之，因此我们应当积极创造条件，与相关部门加强沟通，逐步减少以至最终消除压力容器制造过程中的材料代用现象。
关键词：材料代用 设计 化工设备 管道
材料代用在目前化工设备设计中时有发生 ，在一些中小项目中更是经常发生。新版《压力容器安全技术监察规程》（以下简称“容规”）在材料代用问题上比旧版“容规”有所变化 ，即 ：对于有相应设计资格的压力容器制造单位在一些材料范围内可以“以优代劣”。本文结合新版“容规”的新要求 ，讨论化工压力容器设计中材料代用问题。化工设备的材料代用是有利于化工设备的制造过程 ，而不利于化工设备的使用、检验、修理和改造等后续过程。对于一个大、中型的化工装置而言 ，如果许多设备都经过了材料代用 ，整个装置的原始设计风格不复存在 ，各设备间的相互协调关系将受到影响。应当尽量减少和避免制造过程中的材料代用现象。而对于一些简单的小型化工装置而言 ，这种不利影响可能会小一些 ，这是本文讨论的前提。在某些情况下 ，材料代用可以比较简单地按其性能及价格来确定优劣 ，有些情况则相反 ，将涉及到这些压力容器设计方案的一系列变更 ，牵一发动全身 ，需要给予充分的重视。
一、以高代低
所谓以高代低，就是指用较高级别的材料代替较低级别的材料。
某延迟焦化装置稳定塔顶回流罐设计中，罐使用环境为湿环境，设计的主体材料为20R。在制造过程中，因为制造单位无此材料，所以提出用普通16MnR代用20R的方案。众所周知，压力容器用低合金钢虽然在强度性能及价格指标上要优于碳素钢，但是其抗应力腐蚀性能却不如碳素钢好，而且因钢强度级别高反而对应力腐蚀开裂的敏感性加大，所以材料代用的建议未被采纳。根据设备性能要求我们提出了两种代用方案：
方案一：用16MnR（抗HIC钢），虽说16MnR（抗HIC钢）抗湿硫化氢腐蚀较好，但采购困难，订货周期长。
方案二：用Q245R。Q245R钢板在化学成分〔熔炼分析）中的磷、硫含量和力学性能（拉伸和冲击试验）方面的技术要求虽然低于20R，但其抗湿硫化氢腐蚀能力较普通16MnR好而且采购容易，方案容易实施，最后确定用Q245R代用20R。
结论：通过综合比较采用方案二，目前该设备投用多年，运行良好。由此看出，材料代用不能简单理解为用较高级别的材料代替较低级别的材料，而应是用性能较好的材料代替性能相对较差的材料。
采用以高代低原则时还应注意代用结构，如大开孔补强结构、补强板结构及采用极限法设计的补强结构等。对于强度级别较高的材料代用时要注意的另外一个问题是可焊性，因为一般强度级别越高，其可焊性就越差，若此时再用更高级别的材料代用，将使焊接更为困难。还有，对于膨胀节爆破片和挠性管板这类零件，原则上不允许以优代劣，若必须代用，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。
二、以优代劣
以优代劣就是指用性能较好的材料代替性能较差的材料。
1.碳素钢代用
镇静钢虽然在价格和强度指标上要优于沸腾钢，但是当用于制造搪玻璃容器时，沸腾钢的涂搪效果反而比镇静钢好。
2.不锈钢材料
同样是不锈钢，其性能也大相径庭。如某地在80年代曾发生过一起由于代材不慎造成的爆炸事故，原因是设计者对一台原设计为1Cr18Ni9Ti的低温液氧储罐，同意了使用0Cr13的代材申请。设计者只知道“0Cr”比“1Cr”好，岂不知1Cr18Ni9Ti为奥氏体不锈钢，0Cr13是铁素体不锈钢；奥氏体不锈钢基本上没有脆性转变温度，而铁素体不锈钢有脆性转变温度。
由此可见，在材料代用问题上的“优”、“劣”、“高”、“低”判断，只能具体问题具体分析。
三、以厚代薄
以厚代薄是指用同样钢号较厚规格的材料代替较薄规格的材料。
1.同种材质以厚代薄要特别注意随板厚的增加而许用应力下降的因素，在此种情况下有可能导致设计强度不足。这个问题看似一种悖论，实则是由于不同板厚系列的许用应力差异造成的。根据我国规范中的钢材随着扳厚的增加其许用应力呈下降趋势，如GB150-2011中查得常温时16MnDR在厚度由6mm～16mm增加到16mm～36mm时，许用应力由181MPa下降到174 MPa；这在封头制作时应引起重视。因为封头在制造时因厚度减薄量使得下料时需增加毛坯厚度来保证冲压后的封头的最小厚度符合要求，结果就有可能导致冲压后的封头反而强度不足。因此，当材料许用应力值处于跨档的情况下，以厚代薄时须对强度进行核算。
2.对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等变形补偿元件，原则上不应采用厚代薄，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。对于开孔补强板也不应过多加厚，因为补强板过厚，在补强板与筒体連接的外周将会形成很高的应力集中，以至于引起角焊缝的开裂。
3.当对压力容器壳体中的受压元件“以厚代薄”（如加厚封头），会形成壳体的几何不连续。造成局部应力。这对于有应力腐蚀开裂倾向的容器和承受交变载荷的容器影响尤为恶劣。
由此可以看出，以厚代薄并不总是有益的，所以在进行代用时必须对上述问题引起重视。
焊材代用在某延迟焦化装置，管线工作温度低于425℃，材质为1Cr5Mo同种钢焊接，设计选用管道焊材为热507。因现场施工条件限制难于进行焊后热处理时，经设计部门同意，选用了高铬镍（25%-13%以上）奥氏体焊接材料进行焊接，焊后不做热处理。焊接采用奥氏体焊条焊接1Cr5Mo，是一种低匹配的焊接，即焊缝的强度低于母材。从某种意义来说应是以低代高。其优点为：（1）焊缝中奥氏体能溶解较多的氢，因而减少了散扩到近缝区的氢量。（2）焊缝金属冷却之后的强度较低而塑性好，因而减少了拘束应力。（3）由于焊缝金属无A F+P之类相变，当冷到450℃左右时，就产生了较大的拉应力，因而使热影响区金属在此拉应力作用下提前发生奥氏体分解，于是增大氢的散出量，故不易出现冷裂纹。
四、结论
化工设备及压力管道的制造、施工过程中，经常性地存在材料的代用问题。要保证代用的合理性、安全性，有必要了解钢制压力容器的设计选材原则。
钢制压力容器对材料机械性能的要求，直观上看是考虑其强度，实际上重视的是其韧性，尤其是重视钢材的塑性储备量，这是与其它机械产品选择金属材料的不同之处，是钢制压力容器的设计准则（弹性失效准则）决定的。
对于设计者来说，当制造单位提出代用申请时，不可简单机械地套用以高代低、以厚代薄等原则，而应先考虑代用材料能否满足工艺操作条件的需要、能否保证材料代用的安全性；其次，再考虑材料的强度、冷热加工性能和经济合理性等因素。当然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，都有可能需要重新计算，重新考虑设计方案。材料代用是不得以为之，因此我们应当积极创造条件，与相关部门加强沟通，逐步减少以至最终消除压力容器制造过程中的材料代用现象。