材料代用问题研究

材料代用问题研究秦清萍2012.6.1一、材料代用的管理程序1.采购部必须提供代用材料的牌号、规格、技术条件、•代用数量、代用原因及材料来源等有关资料；2.代用材料数量不得超过一批生产用量；3.材料代用单由采购部（或材料工程师）填写并送到技术开发部（或设计工艺师）会签，技术开发部（或设计工艺师）制造技术组工艺员根据代用单上提供的技术条件、理化试验、复验数据签署对使用代用材料的意见；4.代用材料的技术条件明显低于工艺规定的参数指标（包括经试冲及工艺调整后仍无法保证产品质量）,又无其它料必须用此代用料生产（否则造成停产）、废品率将大大超过生产考核指标，必须由材料供应部及总厂总师签署意见。

5.如果材料情况不清，•可要求材料供应部或质量部进一步提供有关的技术文件及复验数据，作为签署意见的依据。

•必要时可以提出需经小批量试生产的结果而定。

凡经办人应在代用单上签字并注明单位及会签日期。

6.批准的材料代用单发给质检部、生产部和采购部。

7.材料代用单上签署的意见引起产品技术条件变动，•属一次性临时修改方案，不超出代用单规定的技术要求，•不再办理偏差回用手续和发放技术问题通知单。

8.代用材料一次有效。

详见后面的附件一：《材料代用工艺规程文件》二、材料代用的一般原则1.以优带劣、以高代低这样的“代用优质”材料也应该在常用钢种中选择。

必要时要做工艺试验论证。

用优质碳素结构钢代替普通碳素结构钢，用合金钢代替碳素钢都是可行的；以低等材料代替高价材料时，除了要考虑材料的热处理技术指标是否能达到，还要考虑热处理的工艺性是否可行。

以高代低后，焊接工艺中的冲击要求可以用原来设计材料的要求，不必考虑新材料的冲击性能要求。

材料以优带劣、以高代低也必须由设计部门批准，因为：首先，材料的性能包括机械性能、制造工艺性能、耐腐蚀性能等。

一种钢材在某些方面的性能优于另一种钢材，则有可能在其它方面的性能要低于另一种钢材。

如上面提到的低合金钢虽然在强度等机械性能指标上优于碳素钢(专指焊制压力容器用碳素钢)，但是其可焊性却不如碳素钢好；镇静钢在许多方面的性能都优于沸腾钢，但是当用于制造搪玻璃容器时，沸腾钢的搪瓷效果反而比镇静钢好。

此外，即使是耐腐蚀性相当好的奥氏体不锈钢，也有其耐腐蚀性反不如碳素钢和低合金钢的场合，如含氯离子的介质的工况。

其次，压力容器设计总图上的热处理要求、检验要求、压力试验要求等方面的内容都与主要受压元件材质种类有关。

所以，压力容器制造单位有必要事先将材质变更的意向告知压力容器的原设计单位，一方面征求设计单位同意，另一方面请设计单位在同意变更后，对原设计的有关内容进行必要的修正。

2.相近代用宜与被代用的材料具有相同或相近的化学成分、交货状态、检验项目、性能指标和检验率、以及尺寸公差和外形质量等。

按化学成分分类，钢种分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。

代用时钢种的类别之间不能代用，一般相差5%的含碳量可以代用。

不能用高碳钢替代中碳钢或低碳钢。

这个主要看焊接工艺评定是否能够覆盖。

对于焊接件而言，代用材料就和热处理代用材料不同。

不能用合金钢来替代碳素钢，例如40Cr不能代替45钢焊接，否则焊接之后容易开裂，40Cr的可焊性不如45钢。

3.以厚代薄“以厚代薄”也必须象其它形式的材料代用那样“事先取得原设计单位的设计修改证明文件，对改动部位应作详细记载……”，由设计单位来综合考虑以厚代薄造成的种种不利影响，决定是否可行并对可实施以厚代薄的容器的焊接方式、探伤方法、支座、基础等作适当的调整，以消除或减少各种不利影响。

如对于原设计中筒体与封头之间为等厚度焊接的容器，制造单位对容器壳体个别部件进行“以厚代薄”(如仅增加封头厚度而筒体厚度不变)时，势必增加容器壳体的几何不连续程度，从而引起应力集中，使封头与筒体连接部位的局部应力增大。

这种不利影响对有应力腐蚀倾向的容器、受交变载荷的容器等都有很大危害。

例如：某液化石油气储罐(详见《中国锅炉压力容器安全》杂志1993第4期刊载的《液化石油气储罐高应力裂纹的产生和修复》一文)，该容器封头与筒体环缝内壁热影响区处的3条裂纹的产生就与制造单位对封头材料的“以厚代薄”有关。

对于受交变载荷的容器，几何不连续引起的应力集中，则有可能引起疲劳裂纹甚至疲劳断裂。

对于容器壳体整体上的以厚代薄，虽然不会使筒体与封头连接部位的局部应力增加，但是仍会造成以下几种不利影响：首先，壳体厚度增大后，原设计选用的焊接方式、探伤方法等可能已不再适合；其次，壳体增厚，势必增加容器的重量，于是，将对容器的支座和基础不利；第三，对于壳体兼作传热部件的容器，增加壳体厚度会影响换热容器的传热效果。

三、材料代用中的注意事项1.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。

对于用管道做筒体的设备，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。

厚代薄的另一个问题就是有可能导致强度不足［17］，这是因为随着板厚的增加，材料许用应力呈下降趋势，如16MnR，由16 mm增加到18 mm，许用应力由170 MPa下降到163 MPa；20R在100 ℃下由16 mm增加到18 mm时，许用应力由132 MPa下降到126 MPa。

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［17］。

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。

对于膨胀节、波纹管、挠性薄管板和薄管板等元件，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，在补强板与筒体连接的外周将会形成很高的应力集中，以致引起焊趾部位开裂。

由此可以看出，厚代薄并不总是有益的，所以在进行代用时对上述问题尤应引起关注。

2.代用材料对工作介质的相容性。

比如是否会存在应力腐蚀、晶间腐蚀等；如对于有些特殊工艺环境则不然。

对于湿H2S环境，很显然选用碳素钢则比用15MnVR、16MnR和20MnMo等具有更好的抗H2S SCC能力［18］。

对于液氨环境也同样如此，因16MnR在液氨环境下也存在SCC，所以在这种环境用16MnR等低合金钢代替20R、20g及Q235系列钢会更容易出现问题。

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。

比如许用应力低造成强度不合格问题；如20R在100 ℃下由16 mm增加到18 mm时，许用应力由132 MPa下降到126 MPa。

4.代用材料是否会产生如改变焊接材料、焊接工艺等；如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。

5.代用材料是否会产生诸如改变热处理状态、无损检测以及焊接试板等要求。

6.有时出现以劣代优，以薄代厚的情况，这不是不允许，而是应该采用合理的渠道解决问题，此种情况应该以设计变更的方式加以解决，而不是材料代用问题。

7.代用材料的强度级别是否影响到产品类别的划分。

比如抗拉强度下限是否超过540MPa；对于设计要求屈强比σs/σb较低的情况，用所谓优代劣时也应引起注意，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。

8.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。

9.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，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。

10.最后要注意材料变更要在最终竣工图中注明（As building drawing），一起发到现场，以免现场复验时出现误会。

附件一：《材料代用工艺规程文件》材料代用工艺规程1、目的:本规程规定了本公司生产材料代用应遵守的基本规则。

2、范围：本规程适用于输电线路铁塔、钢管电杆、变电构支架制造中，因材料规格品种不全等情况而需用其它相关材料代用的规则。

3、材料代用情况。

3.1因采购困难、库存情况或其它特殊原因需原材料代用，必须由采供部填写材料代用申请单，经放样部门论证，生产技术部复核，报技术副总经理审批后方可进行代用；3.2如顾客对材料代用有特殊要求时，必须按要求办理材料代用手续，技术上分解图纸时需原材料代用的，均由放样部门填写材料代用申请单，生产技术部复核，报技术副总经理审批后方可进行代用；3.3利用边角余料代用，必须由生产分厂填写材料代用申请单，并注明进货时间、炉批号，经放样部门论证，生产技术部复核，报技术副总经理审批后方可进行代用；4、材料代用原则与注意事项。

4.1一般情况下采用原设计材料表中说明或备注所要求的规格，确需代用材料时必须取得原设计单位的书面同意4.2材料代用基本原则，板材以厚代薄，型材规格以大代小，材质以强代弱。

4.3放样部门的论证、生产技术部的复核主要内容为：准线是否要改变；肢宽是否与其它构件相碰；螺栓长度是否够长；材质是否相同；管材是否与节点、法兰等联接孔位置冲突；型材以大代小，节点、法兰、加强肋、相关联接件是否要改动；成本增加的多少等。

4.4在钢结构制造中，材料代用时，其构件准线一般．．按设计不变。

4.5代用后材料厚度变化，其连接螺栓长度选用应按DLGJ136-1997《送电线路铁塔制图和构造规定》标准、GB50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》进行更改。

4.6材料仓库必须根据材料代用单上的材料代用规格发放材料，手续不全拒绝发料。

5、资料的持有和存档5.1资料的持有部门为：●原材料代用的，资料持有部门为：采供部门、放样部门、质量部门、生产分厂；●利用边角余料代用的，资料持有部门为：放样部门、质量部门、生产分厂；5.2资料的存档由放样部门负责，与工艺资料、竣工图等资料一起按工程存档。

附件二：《材料代用申请表》材料代用申请单。