金属材料在压力容器制造中的应用和问题分析

金属材料在压力容器制造中的应用和问题分析

张麟

江苏省特种设备安全监督检验研究院  江苏徐州  221000

摘要：压力容器在国民经济中具有举足轻重的地位，在化工、轻工、能源、冶金、航空航天等领域有着广泛的应用。材料技术是设计制造的先决条件，是压力容器技术的重要组成部分。本文阐述金属材料在制作压力容器时的选择原则以及材料替代时的一些注意事项，并提供一些实用的建议，以供选择压力容器材料时参考。

关键词：压力容器；金属材料；应用；注意问题

一、压力容器概述

压力容器作为承受压力的密闭容器，具有极其广泛的用途，在许多部门都具有重要的地位和作用，如工业，民用，军工，以及许多科研领域。其中应用于化学工业和石油化学工业的最多，在所有的压力容器总量中，仅应用于石油化学工业的就占了50%左右。化工和石化行业中的压力容器，主要用于传热、传质、反应等工艺过程，也可用于有压力的气体或液化气体的贮存和运输；还广泛应用于空气压缩机等其他工业和民用领域。辅机（冷却器，缓冲器，油水分离器，贮气罐，蒸发器，液态冷陈剂贮存等），各种专用压缩机和制冷压缩机都属于压力容器。

二、材料的选用

材料选用应考虑因素：

材料的力学、化学、物理和工艺性能都要综合考虑压力容器的选料。符合相应材料国家标准或行业标准规定的压力容器用材料的质量、规格和标志，其使用要求符合本规程引用标准的规定。制造压力容器的单位，应当取得相应的《特种设备制造许可证》（以下简称《许可证》）。压力容器制造单位应当在材料明显部位制作清晰牢固的钢印标志或采用其他方法的标志，并在质量合格证和材料上落实制造许可证、制造许可证标志和许可证编号的压力容器专用材料。材料生产单位要将质量证明书及合格证提供给材料使用单位，要求材料质量证明书内容齐全、清晰，并加盖材料生产单位质量检验章。取得的《压力容器用材料和材料质量书》的真实性、一致性，由压力容器制造单位承担赔偿责任[1]。

三、压力容器安全事故及其原因分析

在具体的生产应用过程中，压力容器仍然存在着较多的问题和事故隐患，此类问题极易带来影响恶劣的火灾、泄漏、中毒以及爆炸等隐患，并且会对相关生产工作人员的人身健康以及人身安全形成一定程度的威胁。分析此类压力容器在应用过程中出现的各种安全事故问题，不难发现其干扰因素众多，但主要以下列几方面为主：

（一）在产品设计上

对压力容器应用效果进行分析，其事故隐患的发生几率相对较高，尤其是在结构的设计层面，若压力容器在设计环节出现不合理的情况，就会对后续的所有生产以及运行环节带来安全问题的影响。

（二）在产品制造上

在压力容器的制造环节，若生产流程不规范，或施工工艺不正确，都会造成压力容器出现安全问题，尤其是涉及到压力容器的重要零部件和关键位置点，若无法科学合理的控制其生产质量，就会导致存在较为严重的安全隐患，所以，在压力容器应用过程中，其生产过程中的质量控制不够完善，容易造成较大的安全隐患[2]。

（三）在生产管理中

造成压力容器发生安全事故，最为主要的原因就是后续的生产管理中，此类问题导致压力容器存在隐患以及影响因素占据所有问题的1/2，比如压力容器的生产过程中存在操作性失误，或是在非正常情况下（温度、压力超范围，负荷量严重超出等），都会引发压力容器的安全问题，要加强对此方面的重视程度。基于此，不难发现在压力容器生产应用中，除了要保证相应的设计环节和制造环节有较强的执行标准和规范外，要想确保其具有理想的安全运行效果，还要重点对后续的安全管理层面进行控制把关，才能切实有效地提升压力容器的安全性以及实用性。

四、材料代用探讨

（一）材料代用原则

1.“以优带劣”

在常用钢种中也应选用这样的“代用优质”材料。工艺试验论证，必要时应做。将普碳结构钢换成优质碳素结构钢、将碳素钢换成合金钢都是可行的方案[3]。

2.同一种代用

按化学成分分类，钢种分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三大类，其中碳素钢和碳素钢的含量较高。代用时，钢种各类别之间不能相互替代，可替代含碳量一般相差5%的钢种。中碳钢或低碳钢不能用高碳钢代替。

3.焊接材料代用

对于焊接件来说，替代的材质相较于热处理的材质有所不同。碳素钢无法使用合金钢进行代替[4]。

4.代用材料一次有效。

5.代用材料数量不得超过一批生产用量。

6.材料代用应该考虑因素

代料的强弱等级对划分产品类别是否有影响。例如，抗拉强度的下限是不是超过540兆帕。
代料兼容工作介质。比如说会不会有应力的腐蚀，会不会有晶间的腐蚀。
是否符合原设计要求的代用材料在设计温度下的许用应力。如强度不合格的许用应力过低问题。
检测无损、改变热处理状态、焊接试板等是否会产生代用材料[5]。

（三）材料代用流程

采购部门必须提供有关资料，如代料的规格、牌号、代料数量、技术条件、代用原因和材料来源等，并填写申请代购单。送有关部门或负责人签署相关使用意见书，最终，经代用材料的质量证明或复验报告经代用单位技术部门审核同意后，由主管部门负责人对该批复予以核准。

向原设计单位报送《代用材料申请单》，经原设计单位同意后方可进行材料代用，并取得书面证明文件。代用材料的材质、规格、部位等应在容器完工图和出厂质量合格证中详细记录，以便于后期压力容器的使用、维护、改造、检验等工作的开展。

五、压力容器中金属材料应用注意问题分析

（一） 严格控制工艺参数

压力容器的应用控制，先要从压力容器的制造参数方面进行有效控制，尤其是在压力容器制造过程中，较为核心的温度、压力等重点指标的设置上，更需要生产管理人员提高重视程度，确保工艺参数设置的科学、可靠性效果，有利于其能够为生产工艺做出最大的贡献，在满足压力容器正常运行的基础上，更需要相应的生产管理人员提高重视程度，才能避免发生安全事故问题，在具体控制这一工艺参数的过程中，着重避免出现温度过高、压力过大、负荷过大等现象，比如爆炸等[6]。

（二）制造材料质量不达标问题

制造压力容器主要需要采用直接影响产品质量和寿命的金属复合材料。在目前的压力容器制造业中,许多公司在选择不符合生产标准的材料方面存在问题。在实际生产中,低成本的低合金钢替代高价格的碳，以节约成本。Steel，尽管前者比后者稍强，但其实不管是焊接方面。耐腐蚀性或降温程度如何？它都远远小于前者,并且很容易用它来制造压力容器。安全风险很大。其次,在选择镇静钢、沸腾钢等容易制造的材料上，差别也很大。另外,有些公司在生产中经常使用厚板代替薄板在头部和主体之间的接合处,但厚板没有相应的设计,这使得连接结构的改变变得容易。它还埋没了某些安全风险。另外,在诸如伸缩接头和波纹管之类的材料的选择中,还有增厚、变薄的现象，造成压力容器刚性大增，使其安全性能受到很大威胁。这些问题要想提高，压力容器的材料一定要选好。具体地说，压力容器首先要考虑使用年限，根据生产实际环境，由专业人员进行合理推荐；二是选材要符合实际设计要求，既要兼顾材质的抗腐蚀性，又要兼顾厚度；法兰的选择要合理，尽量做到密封效果最好。

（三）无损检测问题

制造完压力容器后，一定要经过质检合格才可以使用。而对压力容器质量的检测，目前国内比较普遍的是无损检测方式，最常见的是射线检测。首先要开发符合实际条件的测试过程，然后才能对压力容器产品进行无损检测。但该领域仍有不少公司不成熟，实战检验靠的是经验，造成检验结果的准确性不高。目前还没有发现质量问题，所以造成了巨大的压力容器使用隐患。若要解决这一难题，还需不断强化非破坏性探测标准，完善非破坏性探测技术。

（四）规范操作流程

在落实压力容器应用阶段的安全管理相关工作，需要强化相应操作流程的控制规范化，对于操作流程的控制规范化主要目的是有效提高管理操作的科学性、可靠性，尤其是在压力容器运转中的启停车等操作，更加要有效的监管，保障操作人员熟练掌握操作技巧以及具备优秀的个人素质，从而达到相应的标准以及要求，有效地处理好相应的操作流程，确保相应的操作人员能够在在这种标准化作业过程中，也要重点加强记录管理，保证每项作业都有全面的、可靠的记录，如此才能提高整个生产过程的控制水平，这样才能提高它的控制可靠性的效果。

六、结束语

压力容器用材料经过近几年的发展，在冶金行业整体技术水平和装备水平的提高，材料的纯净度有很大的研究成果和技术进步，整体安全性也有很大的提高。国内科研人员正在广泛关注高强材料的应用。

参考文献：

[1]王新惠.关于压力容器金属材料力学[J].化工管理,2017（18）:207.

[2]邵峰,梁华,业成,蒋俊,蔡文生,崔强,张忠政,阙莉莉.压力容器用金属材料声发射信号特性研究[C]//.2012远东无损检测新技术论坛论文集（上册）.[出版者不详],2012:309-315.

[3]刘超锋,林茹,孙新义.圆筒形蒸煮压力容器金属材料及焊接技术[J].中国造纸,2009,28（08）:52-56.

[4]吴耀楚,胡俊,李鹏.具有金属内衬的纤维增强复合材料压力容器的应力分析[J].化工装备技术,2003（05）:46-49.

[5]王晓春.金属材料韧性断裂模式的分析及其在压力容器中的应用[D].浙江大学,2002.

[6]黄嘉琥.我国有色金属材料现行标准对压力容器的适用性评析[J].压力容器,1994（01）:1-8+3.