范文巧，代永涛

（烟台国邦化工机械科技有限公司，山东烟台 264000）

化工设备以及压力管道设计中，积极利用待料代用，节省化工设计及压力管道材料的同时，保证化工设备及压力管道设计质量。材料代用的具体应用，必须严格遵循以高代低、以厚代薄以及以优代劣等方式，增加化工设备耐腐性性。但是在实际应用中，材料代用还需要不断探索完善，其影响因素众多，为了保证化工设备及压力管道运行，必须进行针对性的材料代用研究。

1 材料代用在化工设备及压力管道设计中的应用选择

化工设备的设计以及压力管道的设计环境特殊，影响因素众多，不仅周围温度较高，并且还会伴有各种有毒介质。化工设备以及压力管道设计中，必须选择科学、安全以及实用的经济材料，充分满足化工设备、压力管道设计的环保与经济性发展要求。化工设备与压力管道设计中涉及到的材料主要包括两种，金属与非金属。

1.1 金属材料

金属材料中主要包括不锈钢材料与碳钢材料。不锈钢材料在压力管道设计中，主要帮助管道设计避免受到酸碱的腐蚀。压力管道设计多处于酸碱较强的环境中，如果管道材料不具备抗腐蚀性，管道遭受侵蚀，质量下降，使用寿命缩短，材料成本增加，化工设备正常运行受到影响。利用抗腐蚀性材料是压力管道及化工设备设计的重要选择[1]。不锈钢金属材料具有非常好的抗腐蚀性，不仅能够有效预防化工设备被腐蚀，还能够阻隔铁离子的污染。与此同时不锈钢材料焊接更方便，常用的不锈钢材料主要包括304、316L、321。碳钢材料的选择，其主要优势体现在力学性能方面，低浓度H2SO4或者NaOH 情况下的化工设备或者压力管道，碳钢金属材料是理想的选择。但是碳钢材料在应用中如果遇到浓度高的腐蚀环境，其抗腐蚀性稍差于不锈钢材料。对于压力高腐蚀性强的较苛刻工况，可选择碳钢低合金钢本体，不锈钢衬层或是复合层既可满足强度的要求，又可满足耐腐蚀性要求，同时还可以降低成本。

1.2 非金属材料

非金属材料主要包括玻璃钢、石墨。玻璃钢属于纤维强化塑料，在玻璃纤维中加入环氧树脂、酚醛树脂以及不饱和聚酯，形成玻璃钢。玻璃钢密度1.8g/cm3。玻璃钢在化工设备中的应用优势体现在抗腐蚀性好，面对任何强度的酸碱液体都具有抵抗能力。当然也存在一些弱点，对高温的抵抗力弱。玻璃钢材料的应用温度不能超过60℃。压力管道中通风管道以及塔器、钛设备等外壳都可以选择玻璃钢材料。石墨材料的应用主要体现在化工设备外壳方面。石墨材料的形成经过高温淬炼而成，其自身有无数微小细孔。将石墨浸泡在酚醛树脂中加以处理，石墨的高孔隙率得到弥补，不透性增加。石墨的应用优点在于耐高温，具有较强的热传导性，但是石墨抗拉强度不够理想，所以在实际应用中还需要根据化工设备与压力管道具体情况而选择。

2 材料代用在化工设备及压力管道设计中的运用

由于我国压力容器材料供应方面的问题以及部分制造厂解决库存材料的需要，制造过程中的“材料代用”是目前我国压力容器建造中常见的现象，面对这种普遍现象，《固定式压力容器安全技术监察规程》放宽了对材料代用的管理规定。材料选择是设计过程中的重要技术内容，应作为设计质量保证始终贯穿于压力容器建造过程。尽管材料代用解决了一些压力容器制造过程中的实际问题，但也引发了诸如职责不清、不当代用等现象的发生。因此，在压力容器的建造中，有必要详细论证材料代用的可行性，慎重决定。在“以优代劣”原则的情况下，还应考虑如下因素：①代用材料的强度级别是否影响到容器类别的划分。②材料对工作介质的相容性。如应力腐蚀、晶间腐蚀等。③代用材料的设计温度下的许用应力是否达到原设计的要求。④代用材料是否会产生如改变焊接材料、焊接工艺等。⑤代用材料是否会产生诸如改变热处理状态、无损检测及焊接试板等要求。

1）压力管道的材料代用中，同一材料厚代薄是基本原则。但是，对于高温大口径管道、设置有弹簧或者膨胀节管道、与敏感设备（压缩机、泵、加热炉）相连管道等，由于在其他设计条件不变的情况下，管道壁厚增加，会导致既有弹簧或膨胀节及敏感设备管口荷载超标，对上述部件造成损坏。由于厚壁管道自重大，刚度大，还可能造成管架及生根的土建荷载超标，管系柔性下降，不利于长期稳定安全运行。因此，在上述管道上进行以厚代薄材料代用时，务必复核既有应力计算，确保上述问题可控，否则不应代用。

2）在压力容器材料代用中，以厚代薄的应用主要针对设备本体板，厚度与应力成反比例关系，厚度增加的同时应力随之下降。结合这种现象，以厚代薄处理必须关注强度变化，确保厚度增加的同时，整体协调性不会出现变化。板厚的不同，会产生许用应力的差异。在一定厚度期间范围内，许用应力会随着厚度的增加而降低。根据应力下降差的对比，制定适当的材料代用方案。还要注意，以厚代薄中必须确保强度核算准确，否则材料代用会出现适得其反的现象。压力容器中以厚代薄材料代用，刚性会明显增加，这样一来压力容器的补偿变形会受到影响，压力容器出现焊缝开裂现象。以厚代薄的优劣必须划分清楚，以便落实材料采用方案。

3）再如煤化工的变换装置或者炼油的加氢装置，常存在湿H2S 应力腐蚀环境。工程上目前常采用低碳钢+抗氢处理（如20号钢/Q235B）来解决此类问题，其主要抗腐蚀思路是降低钢种硫、磷杂质的含量，减少氢离子聚集空间进而减轻应力腐蚀的发生，另外就是对焊缝进行消应力处理，降低拉应力，进而降低应力腐蚀。但是，此类场合若采用16Mn（Q345R）代用，往往会加大应力腐蚀倾向。因为Q235的屈服强度在235MPa，抗拉强度370～500MPa。而Q345的屈服强度在345MPa，抗拉强度490～675MPa。钢材强度的升高，更容易导致加工过程中较大残余应力的产生。

4）再比如焊材代用，以某延迟焦化装置为例，运行时管线温度在425℃以下，焊接材料为1Cr5Mo 同种钢，管道焊材为热507。由于现场环境对于焊后热处理存在影响，因此在焊接时确定了焊接材料为奥氏焊接材料，并且焊接后不进行热处理。焊接1Cr5Mo 时应用的奥氏焊接条，属于低匹配焊接（母材强度高于焊缝）。

优势：

其一，奥氏体可与焊缝中存在的氢实现充分的溶解，进而可有效降低近缝区氢的含量。

其二，焊缝金属冷却时具有极强的可塑性，同时强度也较小，这为焊缝拘束应力的降低提供了条件。

其三，焊缝金属缺少AF+P 类变相，当焊接后冷却至450℃左右时，拉应力将不断提升，进而导致热影响区域中的金属出现奥氏体分解现象，同时氢散出强度将快速提升，这可有效避免冷裂缝的出现。

劣势：

焊缝为完全混合位置中经常出现大量Ni 层与C 层，均具有极高淬硬性，为各种形式脆断与冷裂问题的出现埋下了隐患。这就需要对其使用范围进行极为严格的控制。高温下长时间使用该种接头，经常会出现碳从母材转移至焊缝现象，进而引发断裂问题。对于这种情况，需要从焊接流程方面进行完善，根据温度变化情况，控制温度压力变化。

3 结束语

综上所述，化工设备及压力管道设计中，面对材料采购困难或者材料成本较高等情况，制定材料代用计划，选择更适当的材料代替原材料。这其中涉及到材料成分、属性、抗腐蚀性以及耐热性等多方因素。制定材料代用的主要目的是减少材料成本的同时，保证化工设备及压力管道的质量。事实上，材料代用是压力容器的一种设计变更，单纯考虑“以优代劣”的原则，仍然是产生安全隐患和管理混乱的主要因素，压力容器的设计、制造单位必须充分协商，在考虑到各种可能影响压力容器安全使用因素的情况下，慎重决定材料代用方案。