材料质量控制讲义.docx

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材料质量控制讲义

1材料基本知识

1.1金属材料的主要性能

1.2影响金属材料性能的因素

2工业用钢

2.1钢的分类

2.2钢的编号

3压力容器的特点以及对材料的要求

3.1压力容器的特点

3.2对压力容器的基本要求

3.3压力容器的选材要求

3.4《固定式压力容器安全监察规程》对压力容器材料的要求

3.5压力容器常用材料标准

4压力容器材料的管理与使用

一、材料基本知识

（一）金属材料的主要性能

1机械性能

1）强度——金属抵抗永久变形和断裂的能力。

常用的强度判据如屈服强度、抗拉强度。

①屈服强度——当金属材料呈屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。

上屈服强度ReH、下屈服强度ReL。

②抗拉强度——试样在屈服阶段之后所能抵抗最大应力。

Rm

2）塑性——断裂前材料发生不可逆永久变形能力。

常用的塑性判据是伸长率A和断面收缩率Z。

①伸长率——原始标距的伸长（Lu-Lo）与原始标距（Lo）之比的百分率。

断后伸长率　A=[（Lu-Lo/Lo）]×100%　Lu-Lo为断后标距的残余伸长。

②断面收缩率——断裂后试样横断面积的最大缩减量（So-Su）与原始横截面积（So）之比的百分率。

Z=[（So-Su）/So]×100%

3）冷弯性能——用于衡量材料在室温时的塑性。

是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷，分面弯、背弯、侧弯三种。

4）韧性材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。

5）蠕变——在规定温度及恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象。

①蠕变极限——在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕动总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。

②持久强度——在规定温度及恒定力作用下，试样至断裂的持续时间的强度。

6）硬度：

是指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力，用来表示材料的坚硬程度。

常用的硬度测定方法有布氏硬度法（HB）、洛氏硬度法（HRC）、维氏硬度法（HV）、里氏硬度法（HLD）等。

2物理性能：

密度、比重、熔点、导热性、热膨胀性、磁性和耐磨性等。

3化学性能：

抗腐蚀性、抗氧化性；

4工艺性能：

铸造性、焊接性、可锻性、切削加工性等；

金属材料广泛应用于生产生活中，是由于其具有良好的机械性能、物理性能、化学性能，同时具有良好的工艺性能。

金属材料的各种性能是由其化学成份和其内部组织结构决定的。

（二）影响金属材料性能的因素

化学成分、组织结构及加工工艺等的影响。

⑴含碳量C增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降。

（2）其他合金元素：

Mn增加可提高强度和硬度，强化元素。

Si提高强度.硬度和弹性.

Cr、Ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。

V、Ti、Nb等元素可以细化晶粒，提高韧性及材料致密度。

Mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。

（3）有害元素：

P、S

形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。

成分决定组织，组织决定性能，性能决定使用。

二工业用钢

（一）钢的分类

1、按用途分类

按钢材的的用途可划分为：

结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类；

结构钢用于制造各种机器零件及工程结构。

制造机器零件的钢还可以区分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。

工程结构钢分为甲类钢、乙类钢、特类钢及普通低合金钢。

工具钢按用途又分为刃具钢、模具钢和量具钢。

特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的钢，例不锈钢、耐热钢、耐磨钢和磁钢等。

2、按化学成分分类

分类碳素钢和合金钢两大类。

碳素钢分为：

低碳钢含碳量≤0.25%。

中碳钢含碳量0.25~0.6%。

高碳钢含碳量＞0.6%。

合金钢分为：

低合金钢合金含量≤5%。

中合金钢合金含量5~10%。

高合金钢合金含量＞10%。

4、按品质分类

主要以钢中的硫、磷含量来区分，可分为：

普通钢：

含S≤0.055%，含P≤0.045%；

优质钢：

含S、P≤0.040%；

高级优质钢：

含S≤0.030%，含P≤0.035%；

（二）钢的编号

1、我国的钢材编号

我国的钢材编号采用国际化学符号和汉语字母并用的原则即：

①钢号中化学元素采用国际化学符号来表示，如Cr、Mo、V、Ni、Ti、W等，稀土元素用Re表示。

②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，用汉语拼音的缩写字母表示（见表5-1）。

（1）优质碳钢

钢号用两位数字表示。

这两位数字表示含C量的万分之几，如45钢表示钢中平均含C量为0.45%。

含锰较高的钢，须将锰元素标出，如平均含C量为0.5%、含锰量为0.7~1.00%的钢，其钢号为50Mn。

沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号中特别标出，如“20g”表示平均含碳量为0.2%的锅炉用钢。

（2）合金结构钢

钢号由三部分组成，即“数字+元素+数字”，前面的两位数字表示含C的万分之几，合金元素用化学符号表示，后面的数字为合金元素的含量，以百分之几表示。

当合金元素低于1.5%时，一般只标出元素不标含量，大于1.5%，须标出2、3、4，如36Mn2Si表示平均含C量为0.36%、锰1.5~1.8%、硅0.4~0.7%的钢。

（5）不锈钢与耐热钢

不锈钢：

钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr18表示含C量为0.9%。

但含C量≤0.03%及≤0.08%者，在钢号前分别加“00”及“0”，如00Cr18Ni10、0Cr18等。

耐热钢：

钢号前面的数字表示含碳量的万分之几，钢中主要合金元素以百分之几表示，如12Cr2Mo表示含C量为0.12%，含Cr量为2%。

三压力容器的特点以及对材料的要求

（一）压力容器的特点

1温度条件：

从深冷到高温；

2压力条件：

从高真空到超高压；

3质的危害程度：

从空气到易燃易爆，从无毒介质到剧毒介质。

包罗爆、燃、毒、辐（照）、腐（蚀）、磨（损）等数千个品种。

4载荷条件的特殊：

压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；

4容器的大型化：

当前压力容器向大容量、高参数发展；

5结构的多样性：

压力容器材料的品种、规格繁多，可以分为卧式、立式容器、换热器、塔器、大型立式圆筒形贮槽、球罐、空冷器、废热锅炉，以上每一种类型设备因使用要求不同还可以有许多种不同具体结构形式。

（二）对压力容器的基本要求

1满足使用要求

承压类特种设备的结构型式、尺寸规格、使用条件（压力、温度、腐蚀介质）以及其他载荷条件是由设备在工艺装置中的功能要求决定的。

因此要求设备必须能满足生产条件下处理物料的功能要求，如：

输送、传热、传质、分离、贮存等工艺要求。

2安全可靠

确保设备安全使用的基本要求包括有设备的强度、刚度、稳定性、密封性和耐蚀性。

1）满足强度要求。

保证设备本体材料应具有足够的强度外；保证受压元件以及焊接接头的强度要求；

2）足够的刚度载荷作用下保证构件不致发生过大的变形；

3）足够的稳定性就是保证在外载荷作用下，设备或构件不致突然失去原有形状。

4）耐蚀性合理选用材料，制定合理的制造工艺。

保证在操作条件和介质的不同腐蚀类型选用相适应的设备材料以及正确的加工制造方法以保证设备的长周期安全运行。

3合理的经济成本在压力容器安全可靠的前提下，还要做到经济合理。

（三）压力容器的选材要求

压力容器作为一种焊接结构，运行条件苛刻，制造工艺也较为复杂。

其运行必须安全可靠，容器一旦破裂，后果极其严重。

因此，压力容器的可靠性与所选用钢材的性能有着密切的关系。

首先，压力容器用钢作为一种结构材料，必须具有足够的强度、塑性和韧性；其次，压力容器要经过各种成型工艺，所以，所用材料还应具有良好的热加工、冷加工和焊接性能。

此外，压力容器大多采用厚板制造，所用材料还应具有适应各种形式热处理的特性。

对于在腐蚀性介质下工作的压力容器，壳体及内件材料必须相应的耐腐蚀性和抗氢能力。

由此可见，为了保证压力容器安全可靠的运行，首先必须从材料着手，选用优质的钢材制造压力容器，满足技术条件规定的各项要求，如满足化学成分、力学性能、使用性能、无损检测等多方面的要求

容器的选材的原则也是要满足工艺过程的要求、强度要求和制造工艺要求。

1满足工艺过程的要求

1）材料对介质腐蚀性的抵抗能力，如一般碳钢难以达到在容器使用寿命内的抗腐蚀要求，必要时可以对介质具体性质选用高合金钢、有色金属或采用耐腐蚀衬里（包括高合金钢衬里、复合钢板或堆焊层、以及各类非金属材料衬里或镀层）材料。

2）工艺过程要求还包括该容器是否属于高温操作或低温操作，以选用相应的抗高温或耐低温材料。

对于有换热要求的容器，应尽肯能选用热导率较大的材料。

2满足强度要求

1）合理选用材料的强度级别。

满足强度要求并非指选用材料的强度级别越高越好，而是指选择使用的材料。

如果选用材料的强度级别低，只要相应增加容器元件厚度仍能满足强度要求；

a高强度材料其焊接性能往往比较差，在焊接过程中发生种种缺陷的可能性比较大，其抵抗低循环疲劳性能、防脆断能力也比较差，在设计、制造中尤应注意避免剧烈的形状改变及种种原因引起的应力集中，因此，无原则的选用高强度材料会带来材料和制造成本的提高以及抗脆断能力的降低。

b较低强度的材料在满足强度要求同时，容器在运行中一旦发生意外，材料能产生一定适应能力，有足够的伸长率以使元件在局部屈服后发生塑性变形流动而使应力趋于均匀化，或操作者能及时发现容器的非正常现象（如法兰连接因变形过大引起的泄露，甚至在筒体或风头等部分能察觉得出的变形等端倪），以便及时采取紧急措施防止事故的进一步恶化。

材料的屈服比（ReL/Rm）也是能反映在事故起始阶段能否及时提醒操作者引起注意的一个重要指标。

3）适当的厚度

满足强度要求在设计中常采用的措施是加大受载元件的厚度，要注意随着材料厚度的增加，对同材质的材料，在轧制过程中材料的紧密程度会相应降低，出现各种缺陷的可能性随之增加，因而其力学性能、许用应力值反会降低；此外，同材质的厚材其抗性能比薄材略差；在焊接工艺、焊后热处理要求等方面，同材质的厚材也比薄材要求高。

因此，在选择材料时要注意，在能选用薄材时不要无原则的选用厚材；在因强度需要等原因（例如，高压、超高压厚壁容器）而必须采用厚壁时，能够用多层薄壁组合为所需要尺寸的厚壁时尽量采用多层薄壁，以避免要求过高的制造工艺，也提高了容器在操作中的安全性。

对于高温操作，我国现行容器标准GB150《钢制压力容器》和有关的国外容器标准只规定了可用高温的相应材料或材料的最高允许使用温度，在设计、制造中除应按照该材料的力学性能指标和制造工艺外，不在提出其他特殊要求。

对于低温操作，由于材料的抗脆断性能不仅和材料的化学组成有关，而且和材料的厚度、所受的应力水平等因素有关，所以在低温容器选材时，应对这些因素做出综合评定。

我国现行容器标准GB150仍采用夏比V性缺口冲击功（CVN）作为衡量钢材能否适应低温操作以防止脆断的主要标准。

关于对材料抗脆断性能的综合评定，将在本书第11章中作进一步阐述。

满足制造工艺要求主要是指成形加工工艺（冲压、旋压和卷制）以及焊接工艺。

一般而言伸长率在一定程度上能反映冲压、旋压或卷制工艺的适应程度，而含碳量或碳当量在一定程度上能反映焊接工艺性能的要求。

总之，材料的强度等级越高，其含碳量或碳当量都较高，延塑性相对较差，焊接工艺性能也较差。

一般而言，压力容器用钢的伸长率要求达17%以上，而有关规程、规范都规定了用于焊制压力容器钢材的含碳量要求，如我国规定含碳量应不大于0.25%，

（四）《固定式压力容器安全监察规程》对压力容器材料的要求

（五）压力容器常用材料标准

1压力容器专钢材

钢板

GB713-2008锅炉和压力容器用钢板；

GB3531-2008低温压力容器用低合金钢板；

GB19189-2003压力容器用调质高强度钢板；

列入《固定式压力容器安全监察规程》中引用标准的材料。

如：

GB150-1998中引用的材料

GB/T699-1999优质碳素结构钢；

GB/T700-1988碳素结构钢等。

2）钢管

GB/T9948-1988石油裂化用无缝钢管

列入《固定式压力容器安全监察规程》中引用标准的材料。

如：

GB150-1998中引用的材料

GB/T8163-1999输送流体用无缝钢管

GB3087-1999低中压锅炉用无缝钢管

GB5310-1995高压锅炉用无缝钢管

GB6479-2000高压化肥设备用无缝钢管

GB/T13296-1991锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管

锻件：

JB4726-2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件

JB4727-2000低温压力容器用低合金钢锻件

JB4728-2000压力容器用不锈钢锻件

2焊接材料：

JB/T4747-2002压力容器用钢焊条订货技术条件

GB/T983-1995不锈钢焊条

GB/T984-1985堆焊焊条

GB/T5117-1995碳钢焊条

GB/T5118-1995低合金钢焊条

GB/T14957-1994熔化焊用钢丝

GB/T14958-1994气体保护焊用钢丝

四压力容器材料的管理与使用

1目的与适用范围

为保证压力容器原材料、零部件、安全附件、外协件、外购件采购和质量控制，特制定本程序。

本程序适用于压力容器原材料、零部件、安全附件、外协件、外购件的质量控制。

2引用（接口）文件

2.1QM01—2007压力容器制造质量手册

2.2QCP01-02记录控制程序

2.3QCP01-06焊接质量控制程序

2.4QCP01-14不合格品控制程序

2.5WI01-01产品标识和可追溯性规定

2.6WI01-15焊接材料管理规定

2.7WI01-19理化试验规定

2.8WI01-23压力容器材料检验工艺

3职责

3.1材料责任工程师负责组织编制材料采购计划，选择评价合格供方，签订供货合同（质量保证协议、验证方法协议和处理质量争端的方法）。

负责材料标记管理、材料复验、材料代用、保管、发放工作。

3.2技术部按设计图样要求提出材料消耗定额和采购技术要求（必要时）。

并负责对材料代用进行会签。

3.3质检部负责材料检验和材料质量证明资料的收集、归档工作。

3.4无损检测室、理化室负责材料复验工作。

4工作程序

采购材料质量控制程序见图04-1《材料零部件控制程序图》

5工作内容

5.1采购订货

5.1.1采购文件编制

5.1.1.1供应人员根据合同、图样以及工艺文件、材料消耗定额、采购技术要求（必要时）、库存台帐等编制采购计划，经材料责任工程师审核，主

管领导审批后组织实施。

5.1.1.2采购计划内容主要包括：

材料名称、规格型号、材质、数量、技术规范、质量标准、特殊要求等。

5.1.1.3顾客财产需用计划

a供应人员根据合同、技术部提供的材料定额及技术文件编制顾客财产需用计划。

b顾客财产需用计划应包括产品详细描述及需要时间信息等，由材料责任工程师审核，主管领导审批，报顾客批准。

5.1.2采购合同

5.1.2.1采购合同必须签订书面合同。

5.1.2.2采购合同的内容，必须符合有关规定及采购计划的要求，并注明质量标准及技术条件、验证方法、交货期、交货地点等条款，其内容完整、具体、准确。

5.1.2.3采购合同应有处理质量争端的规定，应规定处理常规和非常规问题的程序、规定、措施，疏通双方在处理争议问题时的联系通道。

5.1.3合格供方的评审

5.1.3.1评审的组织由材料责任工程师组织质检、技术人员对供货量大、供货频繁或重要材料的供方进行调查评价。

5.1.3.2评审的内容根据采购材料的质量要求，考察供方的供货能力和质量保证能力。

其主要内容为：

企业的资质、生产能力、人员技术状况、质量保证能力、主要业绩、售后服务等。

资质要求如下：

a压力容器所使用的安全阀、爆破片装置必须在取得相应的特种设备制造许可证的单位且经本公司质量评审的单位采购；

b压力容器所用封头必须在取得国家质量技术监督局颁发的特种设备制造许可证（A3）的单位且经本公司质量评审的单位采购；

c压力容器所用管件（阀门、法兰等）必须在取得国家质量技术监督局颁发的特种设备制造许可证（压力管道）（相应产品资质）的单位且经本公司

质量评审的单位采购；安全附件的采购，其供方必须持有省级以上（含省

级）安全监察机构批准的定点厂家的产品。

5.1.3.3合格供方的选择

a由材料责任工程师组织对多个材料供方进行综合对比评价、筛选出适合的

供方，形成“材料供方评价报告”。

b“材料供方评价报告”由主管采购厂长批准后生效。

c材料采购的供方由材料责任工程师从合格的供方中选定。

5.1.3.4对合格供方的控制

a为确保合格供方（包括外协外购件厂）能够长期、稳定地提供所需合格产品，应在每年4月底前对已供货的合格供方进行一次评价，主要考核供货（加工）产品的质量及供货期满足要求的状况、售后服务情况等确定是否仍可作为合格供方，将考核结果以书面形式记出评价报告，归入其档案。

b建立和保存合格供方档案。

合格供方产品结构发生变更时，应予以重新评价和确认。

c当发现合格供方（包括外协厂）产品质量下降时，应以质量信息反馈的形式要求限期整改。

如到期仍达不到要求，由材料责任工程师组织评审人员审议，报请公司主管领导批准，取消其合格供方资格。

d供应部负责建立并保存合格材料供方的档案资料包括：

营业执照、法人资格、组织机构代码以及其他资质证明材料、材料供方评价报告及有关的证实材料等。

5.1.4采购订货

5.1.4.1供方（包括外协外购件厂）必须从合格的供方中选择。

5.1.4.2对于技术难度大或加工工艺复杂的部件或第一次合作的供方应以派驻现场检查员的方式进行监制。

5.1.4.3焊接材料的采购程序按QCP01—06《焊接质量控制程序》规定执行。

5.2验收复验入库

5.2.1材料质量证明书审查采购的材料（包括外协件）产品质量证明书项目齐全、准确符合要求；材料（包括外协件）质量证明书的内容是否符合有关标准。

5.2.1.1对于压力容器专用钢板如果直接从材料制造单位供货时，钢板质证书的份数，由双方协商；如果由非材料单位供货时，每张钢板都需要出具质证书；

5.2.1.2对于从国外进口的钢板，其他材料如锻件、管子等应当取得制造单位提供的质量证明书原件或者加盖材料供应单位检验公章和经办人章的复印件；

5.2.1.3安全阀、爆破片装置应当具备符合相关标准的产品质量证明，并在产品上装设牢固的金属铭牌；

5.2.1.4应当对所取得的压力容器材料质量证明书的真实性和一致性负责。

5.2.2实物检查

5.2.2.1采购材料（包括外协件）和顾客财产的验证

a当组织或顾客要求在材料供方货源处验证时，应在采购文件中予以明确。

b现货供应即时付款的材料，采购人员应到现场检查材料的外观质量、标

识、材质证明书、使用说明书、数量等是否符合要求，质证书与实物是否相符，合格后方可付款提货。

5.2.2.2对主要受压元件或有特殊要求的材料（包括外协件），质检部应编制“采购材料检验工艺”由产品检验责任工程师审核，质保工程师批准后实施。

5.2.2.3材料计划（采购）员是材料质量第一把关者,在提货时,应该对其进行检查,认为合格后方可提货。

5.2.2.4材料（包括外协件）到货后,材料计划员应与保管员办理交接手续,并将材料质量证明书交保管员,保管员负责将实物置放在待检区内,对其数量进行检查，填写“到货材料检验单”，连同采购合同、材料质量证明文件一并交质检部材料检验员验收。

5.2.2.5材料检验员依据采购合同、材料（包括外协件）质量证明文件对材料标识、外观质量、尺寸和包装状态等项目进行检查材料表面标记与质量证明书是否一致，表面质量和规格尺寸是否符合规定要求，确认无误后，由材料检验员给出材料自编号，在“到货材料检验单”上签字，交材料责任工程师确认。

5.2.2.6材料责任工程师应仔细审核材料质量证明文件的内容和验收记录，检查其项目是否齐全，是否符合要求，然后在验收入库通知单上签字确认。

保管员按进货顺序和WI01-01《产品标识和可追溯性规定》中有关要求，将自编号标识在材料上，由材料检验员确认，并标上确认号。

5.2.2.7安全附件必须随带产品质量证明书，其中安全阀质量证明书的内容

以及安全阀金属铭牌的内容必须符合《压力容器安全技术监察规程》规定。

5.2.3材料复验

5.2.3.1符合下列情况之一者应进行复验：

1用于制造第Ⅲ类压力容器的Ⅳ级锻件；

1）设计图样要求或用户要求复验的；

2）境外材料制造单位制造的材料；

3）本公司不能确定材料真实性或对材料的性能和化学成份有怀疑的；

5.2.3.2复验内容

1）锻件应按压力容器锻件JB4726~4728—2000标准规定的项目进行复验，其项目按下表规定。

锻件级别

检验项目

检验数量

Ⅳ

拉伸和冲击（σb、σs、δ5、Akv）

逐件检查

超声检测

逐件检查

2）钢板必须进行复验。

复验内容为：

a表面质量检验逐张检验钢板表面质量以及材料标志；

b理化性能检验按炉复验钢板的化学成分；按批复验钢板的力学性能、冷弯曲性能，各项性能指标符合相应的标准；

c超声波检验用于制造压力容器壳体的碳素钢和低合金钢钢板，凡符合下列条件之一的，而钢厂当钢厂未提供超声检验保证书时，应逐张张进行超声检测：

盛装介质毒性程序为极度、高度危害的压力容器。

合格等级应不低于Ⅱ级;在湿H2S腐蚀环境中使用的压力容器,合格等级应不低于Ⅱ级;设计压力大于10MPa的压力容器，合格等级应不低于Ⅱ级。

GB150第2章和附录C、GB151《管壳式换热器》及其他国家标准和行业标准中规定应逐张进行超声检测的钢板。

5.2.3.3复验工作程序：

供应部保管员负责材料取样、办理试件的加工、复验委托手续，复验后由材料责任工程师对其结果进行确认。

复验报告供应部存一份，质检部材料检查员存一份。

5.2.3.4复验结果判定

材料责任工程师依据相关材料标准对复验结果作出判定。

5.2.4材料代号编制及其标识详见WI01-01《产品标识和可追溯性规定》

5.2.5材料入库

5.2.5.1材料保管员接到质检部材料检查员下达的“合格材料入库通知单”

后，办理入库手续和标记移植，材料检查员要对标记移植进行确认并在实物上打上检验员钢印。

需复验的材料复验完成后，经材料责任工程师确认。

5.2.5.2保管员及材料检验员要各自建立材料入库、发放台帐。

5.2.5.3材料质证书由保管员暂时保管，材料用完后，交质检部资料员保管。

5.2.5.4不合格品的处理

1）不合格的材料应立即表示隔离。

按QCP01-14《不合格品控制程序》执行。

2）顾客财产发现有丢失、损坏或不适用情况时应按以下程序处置：

a按规定进行状态标识，并进行隔离；

b以“顾客财产信息反馈联络单”的形式报告顾客，同顾客协商解决；

5.3材料的保管

5.3.1保管质量检查

5.3.1.1材料存放区应有明显的标识，按材料的种类、材质、规格，分待检区、已检合格区、已检待处理区、已检不合格区四类分别存放，以防误用。

5.3.1.2钢材的存放条件，必须满足材料管理要求，防止锈蚀，

5.3.1.3焊材的存放区应有除湿设备，以保证相对湿度≤60%，焊接