浅析金属材料在压力容器制造中的应用和问题探讨
摘 要：压力容器广泛应用于化工、轻工、能源、冶金、航天等领域，在国民经济中发挥着重要作用。材料技术是压力容器技术的一个重要组成部分，是设计和制造的先决条件。本文阐述了压力容器制作中金属材料的选用原则和材料代用的一些注意事项，为压力容器材料选用提供了一些实用性建议。
关键词：压力容器；金属材料应用；材料代用
1 材料的选用
材料选用应考虑因素：
压力容器的選材应当考虑材料的力学性能、化学性能、物理性能和工艺性能。
压力容器用材料的质量、规格与标志，应当符合相应材料的国家标准或者行业标准的规定，其使用方面的要求应当符合本规程引用标准的规定。
压力容器专用钢板（带）的制造单位应当取得相应的特种设备制造许可证。
材料制造单位应当在材料的明显部位作出清晰、牢固的钢印标志或者采用其他方法的标志，实施制造许可的压力容器专用材料，质量证明书和材料上的标志内容还应当包括制造许可标志和许可证编号。
材料制造单位应当向材料使用单位提供质量证明书，材料质量证明书的内容应当齐全、清晰，并且盖有材料制造单位质量检验章。
压力容器制造单位应当对所取得的压力容器用材料及材料质量证明书的真实性和一致性负责。
2 材料验收注意事项及标准要求
2.1 材料的标识
用于压力容器的材料在验收时，除应符合相应的材料标准以外，还应符合《压力容器安全技术监察规程》（简称《容规》）第10条的规定检查验收：“在材料上的明显部位做出钢印标志或其他标志，至少包括材料制造标准代号、材料牌号及其规格、炉（批）号、国家安全监察机构认可标志、材料生产单位名称及检验印鉴标志。”需要强调的是，一般的材料生产企业在标识“国家安全监察机构认可标志”方面是做不到的，需要引起压力容器制造单位材料检验人员的注意。
2.2 材料的质量证明书
《容规》第10条规定：“材料生产单位应向用户提供质量证明书（原件），材料质量证明书的内容必须齐全、清晰，并加盖材料生产单位质量检验章。压力容器制造单位从非材料生产单位获得压力容器用材料时，应同时取得材料质量证明书原件或加盖供材单位检验公章和经办人章的有效复印件。”
2.3 材料的供货状态
压力容器用材料除应符合相应的材料标准的供货状态外，还应符合《容规》第19条“铜及铜合金用于压力容器受压元件时，一般应为退火状态”；第20条“用于制造压力容器壳体的钛材应在退火状态下使用”；“钛钢复合板爆炸焊复合后，应做消除应力退火处理”；第21条“用于制造压力容器主要受压元件的镍材应在退火状态下使用，换热器用纯镍管应在消除应力退火状态下使用。”
2.4 材料的无损检测
《容规》第14条规定“应逐张进行超声检测的用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢板是：盛装介质毒性程度为极度、高度危害的压力容器；盛装介质为液化石油气且硫化氢含量>100mg/L的压力容器；最高工作压力≥10MPa的压力容器；符合GB150、GB151要求超声波检测的钢板；移动式压力容器。”
2.5 国外材料的使用
《容规》第14条规定“压力容器受压元件应选用国外压力容器规范允许使用且国外已有使用实例的材料，其使用范围应符合材料生产国的规定，并有该材料的质量证明书。制造单位首次使用前，应进行焊接工艺评定及焊工考试，并对化学成分、力学性能进行复验，满足要求后，才能制造。力学性能和弯曲性能试样型式、尺寸、加工要求、试验方法等验收要求也应执行国外标准。”
2.6 材料的力学性能
GB150-1998的4.2.6中规定“应逐张进行拉伸和夏比（V型缺口）冲击（高温或低温）试验的碳素钢和低合金钢钢板是：调质状态供货钢板；多层包扎压力容器的内筒钢板；用于壳体厚度>60mm的钢板。”
2.7 封头的验收
JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》的6.3.10规定“对于按规则设计的封头，当设计图样标注了封头成形后的最小厚度，可按实测的最小厚度不小于图样标注的最小厚度验收。”需要注意的是，当有材料代用时，应按照实际使用材料的负偏差来验收封头的最小厚度。目前材料生产厂家为了节约成本，大部分是材料标准的下限偏差，封头成型存在一定的成形减薄量，除非材料在订货时按照正偏差要求供货或原材料在设计的基础上加厚，否则封头成形后满足不了JB/T4746-2002封头最小厚度的要求。
2.8 低温压力容器用材料的验收
GB150-1998中附录C2.1.6规定“钢管可按批进行冲击试验复验，在每批钢管中任意两根钢管上各取一组试样；钢管用于制造壳体，且厚度>16mm时按批抽10%，且不少于两根，每根取一组试样，取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样，缺口应沿厚度方向切取。”
2.9 锻件的验收与复验
当锻件要求复验时，锻件生产厂家应按照JB4726-2000复验，以保证试样的真实性。但锻件带本体试样由于成本会增加，所以大多制造厂很难做到。
2.10 三类容器的复验
按《容规》第25条规定“当钢厂未提供钢板超声检测保证书时，应进行超声检测复验。《容规》第14条只是对碳素钢和低合金钢钢板有要求，对其他材料没有要求。对于外购成品封头与膨胀节，大多数生产厂家试板的真实性无法得到证实，这种情况下可以带料加工，也可以委托生产厂家复验相应的项目，并出具复验报告。”
2.11 无缝钢管的复验
按HG20581-1998中5.3.11规定“用作压力容器壳体的无缝钢管，设备制造部门应按照表5-8要求复验机械性能，并符合相应钢管标准的要求。用作II、III类容器壳体的钢管，设备制造厂应逐根按设备液压试验压力进行水压试验；I类容器壳体用钢管，如钢厂已作水压试验者，可不再复试。”
3 材料代用探讨
3.1 材料代用原则
3.1.1 “以优带劣”
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。
3.1.2 同一种代用
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。
3.1.3 焊接材料代用
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。
3.1.4 代用材料一次有效。
3.1.5 代用材料数量不得超过一批生产用量。
3.2 材料代用流程
采购部门必须提供代用材料的牌号、规格、技術条件、代用数量、代用原因及材料来源等有关资料并填写代用申请单送至有关部门或负责人签署使用材料意见，最后由代用单位技术部门批准并上报代用材料的质量证明或复验报告，由主管负责人核准批复。
将代用材料申请单报送至原设计单位，在获得原设计单位允许并拿到书面证明文件后，方可进行材料代用。
容器的竣工图以及出厂的质量证明书中要详细记录代用材料的材质、规格、部位，便于压力容器后期使用、维修、改造及检验等工作的进行。
3.3 材料代用应该考虑因素
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。
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。
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。
代用材料是否会产生如改变焊接材料、焊接工艺等。
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。
有些人出现以劣代优，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。
作者简介：
刘丽娜（1979- ），女，山东济宁人，工程师，主要从事压力容器、钢结构等方面技术管理和制造材料审验工作。