压力管道材料知识

压力管道材料目录1 金属材料基础知识1.1金属的微观结构1.2金属材料的基本性能 1.3温度对金属材料的影响1.4常见元素对金属材料性能的影响2 常用金属材料2.1铸铁2.2碳素钢2.3合金钢3 压力管道常用金属材料的基本限制条件3.1一般限制条件3.2 常用材料的应用限制3.3其它方面对材料的限制4 应用标准体系4.1国际上常用的标准体系4.2国内常用的标准体系5 管道压力等级6 管道器材选用7 表面处理、防腐、涂层8 管道施工及验收规范1 金属材料基础知识金属材料的基本知识仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容。1.1 金属的微观结构1.1.1碳钢与铸铁由95以上Fe（0.054）C组成的Fe、C合金。 1）铁的内部结构将铁水缓冷到其凝固点1534以下，铁水就开始结晶，直到全部结晶成固态铁为止，温度才又继续下降。所结晶成的固体是由许多小颗粒组成，每个小颗粒具有不规则的外形，叫晶粒。每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。若将各个原子的中心用线条连接起来，组成一个空间格子，可用来说明原子排列的规律性，这种空间格子叫“晶格”。 常见的金属晶格形式： 面心立方晶格 体心立方晶格 Fe 的晶格形式15341390 体心立方排列叫铁1390910 面心立方排列叫铁910以下 体心立方排列叫铁铁 铁 铁这种在固态下晶体结构随温度发生改变的现象叫“同素异构转变”。它是钢铁能够进行多种热处理而改变其性能的重要依据。 2）碳的存在形式固溶体：就是由两种或两种以上的化学元素，在固态下互相溶解构成的单一均相物质。铁素体 碳溶解在体心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。是低碳钢在常温时的主体相。奥氏体 碳溶解在面心立方晶格Fe原子之间形成的固溶体。是碳钢在高温时的组织。渗碳体：铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体、奥氏体中时， “剩余”的碳与铁形成的铁碳化合物（Fe3C）的晶体组织。石 墨：铸铁中的C 2.06% ，奥氏体最大溶碳量2.06，剩余的C以石墨形式存在。1.1.2铁碳合金相图（相图略）铁碳合金相图 是表示不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的状态或组织的关系图。相图的作用 通过铁碳合金相图能掌握钢的组织随成分和温度变化的规律,以便能够正确制定热处理和热加工的工艺，是改变其组织，获得所需要的性能的依据。相图中有： 两个组元： 铁（Fe） 性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好渗碳体（Fe3C） 性能表现为硬而脆四个基本相：液相（L）、铁素体（）、奥氏体（）和渗碳体（Fe3C） 两个次生相：珠光体（铁素体渗碳体的两相机械混合物）具有良好的强度和硬度又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织 莱氏体（奥氏体渗碳体的两相机械混合物） 在平衡状态下：C0.8 珠光体 共析钢C0.8 渗碳体珠光体 过共析钢（ES过共析钢）GS线：C0.8的铁碳合金加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线（Ac3），或者冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度线（Ar3）。 ES线： 0.8C2.06的铁碳合金加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线（Accm），或者冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线（Arcm）。 PSK线：铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Ac1），或者冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线（Ar1）。 1.1.3碳钢的热处理 热处理：就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却以改变其组织，获得所要求的性能。按照热处理的操作及其过程所发生的组织变化的不同，将热处理分为淬火、回火、退火及化学热处理。淬火：是将钢加热至超过临界温度以上，保温一定时间后,以快速冷却,使其得不到稳定的组织。目的：是为了获得马氏体以提高工件的硬度和耐磨度。回火：是将淬火后的钢重新进行不超过临界温度（GS线）时加热，使之得到较为稳定的组织。根据对零件机械性能的具体要求回火的加热温度分为低、中、高温三种。目的：消除淬火后工件的内应力，并降低材料的脆性。钢件在淬火后，几乎总是跟着回火。退火：退火处理时用来消除钢材在焊接、铸造或锻造后遗留下来的粗晶组织和内应力，降低硬度，增加塑性和韧性，消除偏析。 完全退火将钢加热到GS线以上2030，经保温后随炉缓冷或埋在保温灰中缓冷。 低温退火加热至小于临界点PSK的温度而后缓慢冷却。目的是消除工件在焊接过程中所形成的内应力，以防脆裂。正火：是退火的一种变态，它与退火不同之处是在静止空气中冷却。1.1.4 常用压力管道材料使用的热处理状态1.2金属材料的基本性能金属材料的基本性能一般包括: 机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。l.2.1机械性能（5.13/P168）材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧度和硬度等。1.2.2耐腐蚀性能(化学性能)腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。 材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生; 选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效。等等。1.2.3物理性能材料的物理性能主要是指：密度(kg/m3)、导热系数、比热、熔点Tm()、线膨胀系数、弹性模量E、比重1.2.4.制造工艺性能材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：1) 切削加工性能; 2)可铸性;3)可锻性; 4)可焊性; 5)热处理性能; 1.2.5材料的经济性材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。选材的原则：1) 设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。2) 对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。3) 对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。1.3 温度对金属材料性能的影晌1.3.1金属材料在高温下的性能变化1）材料的蠕变及应力松弛材料的蠕变： 当材料的使用温度超过其熔点的(0.250.35)倍时，金属性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象:虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300350，对铬钼合金钢则为400450。应力松弛：与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时可能会出现：材料的总应变量不变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被放松了。2）材料的球化和石墨化材料的球化：在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。球化的结果：使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。 一般情况下，碳钢长期处于450以上温度环境时，就有明显的球化现象。材料的石墨化：对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象:其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨(石墨为游离的碳原子)。由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。这种现象称为材料的石墨化。一般情况下，碳钢长期处于425以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475以上时则明显出现。SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425，而GB150规范则规定其最高使用温度为450。3）材料的高温氧化金属的氧化 金属材料处于高温和氧化性介质(如空气)的环境中时，将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。1.3.2金属材料在低温下的性能变化在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性冲击功来衡量. 1.4 常见元素对金属材料性能的影晌 黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响碳素钢中，其主要影响元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素a 碳(C)在碳素钢中的作用b硅(S)在碳素钢中的作用c硫（S）、氧(0)在碳素钢中的作用d磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用1.4.2常用低合金钢中各元素对其性能的影响管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.250.45的铬钢和铬钼钢。主要影响元素：碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al杂 质 元 素：S、O、P、As、Sb、a碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。b锰(Mn)在低合金钢中的作用c铬(Cr)在低合金钢中的作用d钼(Mo)在低合金钢中的作用e 钒(V)在低合金钢中的作用f 硅(st)在低合金钢中的作用g 铝(AL)在低合金钢中的作用h硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素同在碳素钢中的作用。 1.4.3常用高合金钢中各元素对其性能的影响压力管道中常用的高合金钢为含碳量小于0.10的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。高合金钢中，其主要影响元素：碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(TI)、硅(Si)等；杂质元素：硫(S)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。a碳(C)在高合金钢中的作用b钼在高合金钢中的作用 与在低合金钢中的作用相似。c镍(Ni)在高合金钢中的作用d 钛(Ti)在高合金钢中的作用e硅(S)在高合金钢中的作用2常用金属材料2.1 铸铁2.1.1灰口铸铁2.1.2可锻铸铁2.1.3球墨铸铁2.2 碳素钢2.2.1.碳素钢的分类2.2.2普通碳素钢2.2.3优质碳素钢2.2.4高级优质碳素钢2.3 合金钢2.3.1合金钢分类2.3.2常用合金钢2.4 常用金属材料技术条件标准 2常用金属材料介绍压力管道中常用的金属材料的分类、特点、用途和表示方法金属材料:黑色金属： 通常指铁和铁的合金有色金属： 指铁及铁合金以外的金属及其合金。黑色金属根据它的元素组成和性能特点分为三大类,即铸铁、碳素钢及合金钢。2.1铸铁铸 铁：含碳量大于2.06的铁碳合金 。真正有工业应用价值的铸铁其含碳量一般为2.5%6.67%。 铸铁的主要成分除铁之外,碳和硅的含量也比较高。由于铸铁中的含碳量较高,使得其中的大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在,而是以游离的石墨存在。性能特点：是可焊性、塑性、韧性和强度均比较差,一般不能锻,但它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性能,价格便宜。用 途：常用作泵机座、低压阀体等材料；地下低压管网的管子和管件。根据铸铁中石墨的形状不同将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。2.1.1灰口铸铁：石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰口铸铁。灰口铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存,断口呈灰色，灰口铸铁也因此而得名。灰口铸铁的各项机械性能均较差,工程上很少使用。2.1.2可锻铸铁：经过长时间石墨化退火,使石墨以团絮状存在于铸铁组织中,此类铸铁称为可锻铸铁。性能特点：强度、塑性、韧性均优于灰口铸铁，其延伸率可达12%；但可锻铸铁制造工艺复杂,价格比较高。由于可锻铸铁具有一定的塑性,故可锻的名称也由此而出,其实它仍为不可锻。用 途：可锻铸铁在工程上常用作阀门手轮以及低压阀门阀体等。根据断面颜色或组织的不同,可锻铸铁又分为黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁三种。常用的是黑心可锻铸铁。2.1.3球墨铸铁：是通过在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理,并加入少量的孕育剂以促进石墨化,在浇注后直接获得具有球状石墨结晶的铸铁。性能特点：球墨铸铁的各项性能指标均优于可锻铸铁，比可锻铸铁价格便宜。用 途：可代替可锻铸铁用在较苛刻条件下。用途更广泛。铸铁命名：根据GB9439的规定铸铁的牌号表示方法： 2.2碳素钢碳素钢：含碳量小于等于2.06%的铁碳合金称为碳素钢。2.2.1.碳素钢的分类 2.2.2普通碳素钢普通碳素钢与优质碳素钢相比,由于它的有害杂质元素S、P含量相对较高,综合机械性能和耐蚀性较差,故不宜用在较重要的场合,但普通碳素钢价格便宜,故工程上常用于各种钢构架、支吊架等,而流体输送管道上使用时常给与一定的限制。 普通碳素钢根据冶炼过程的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。沸腾钢：在浇铸前不用硅和铝脱氧, 钢液中含氧量多,浇注及凝固时会产生大量CO气泡，在钢锭模内产生沸腾现象,这类钢叫沸腾钢。 沸腾钢冷凝后没有集中缩孔,因而成材率高,成本低,表面质量及深冲性能好。但因含氧量高,成分偏析大,内部杂质多,抗腐蚀性和机械性能差,.且容易发生时效硬化和钢板的分层,故不宜作重要用途。镇静钢：而脱氧较完全,浇铸时钢水在钢锭模内不产生CO气体,这类钢叫镇静钢。成材率低,成本高。但镇静钢中气体含量低,时效倾向小,钢镜中气泡、疏松较少,质量较好。半镇静钢：进行中等程度脱氧,介于沸腾钢和镇静钢之间的钢叫。普通碳素钢的表示方法和代号按GB700标准 压力管道中常用的普通碳素结构钢牌号为Q235A(F、b)、Q235B(F、b)、Q235C、Q235D四种,这些牌号的质量要求是顺次提高的。材料标准为GB700。2.2.3优质碳素钢优质碳素钢中的有害杂质元素S、P比普通碳素钢低,不仅如此,二者的冶炼方法也多有不同,普通碳素钢多用成本最低转炉冶炼,而优质碳钢则采用平炉或纯氧顶吹转炉冶炼,脱氧较好,杂质含量较低,故其综合机械性能、耐蚀性等均优于普通碳素钢。优质碳素钢与高级优质碳素钢相比,价格不高,且是工程上应用最广泛的碳素钢。优质碳素钢的表示方法和代号按GB221标准： GB/T699给出了优质碳素钢的化学成分和机械性能要求。该标准共列出了08F、10F、15F、08、10、20、25、70Mn等31种材料牌号；压力管道中常用的牌号为08、10、20三种。2.2.4高级优质碳素钢高级优质碳素钢各方面性能略优于优质碳素钢,但价格较高，工程上用的并不多。一般情况下,如果采用优质碳素钢不能满足使用条件要求时，将考虑选用相应的合金钢而不用高级优质碳素钢。高级优质碳素钢在优质碳素钢的牌号后加A2.3合金钢合金钢：为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能,通常有意识地向钢中加入一些合金元素,由此得到的钢就叫合金钢。 2.3.1合金钢分类 表21合金钢分类(用途)第一层第二层分类第三层分类特点及用途合金钢合金结构钢低合金钢1低碳型合金钢，合金元素总量一般3；2强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可；3用于中高温、抗氢、抗高温硫腐蚀等。调质钢1中碳型合金钢，合金元素含量较低；2强度较高；3用于高温螺栓、螺母材料等。弹簧钢1含碳量比调质钢高；2经调质处理，强度较高 抗疲劳强度较高；3用于弹簧材料。滚动轴承钢1高碳型合金钢，合金含量较高；2具有高而均匀的硬度和耐磨性；3用于滚动轴承。合金工具钢量具钢1高碳型合金钢，合金元素含量较低；2具有高的硬度和耐磨性，机加工性能好，稳定性好；3用于量具材料。特殊性能钢不锈钢1低碳高合金钢；2抗腐蚀性好；3用于抗腐蚀、部分可做耐热材料。耐热钢1低碳高合金钢；2耐热性能好；3用于耐热材料、部分可做抗腐蚀材料。低温钢1低碳合金钢，根据耐低温程度合金元素有高有低；2抗低温性好；3用于低温材料（专用钢为镍钢）。合金元素因溶于铁素体中起固溶强化作用,从而提高了材料的硬度和强度,但同时却使其韧性和塑性相对降低。材料在低温下强度一般略有提高,但塑性和韧性则下降很多,通过添加一些合金元素可提高材料在低温下的塑性和韧性。奥氏体不锈钢由于含有较多的合金元素又具有单一的奥氏体组织,故它具有较好的抗氧化腐蚀性能和高温使用性能。工程上,奥氏体不锈钢常用于多种腐蚀工况和高温工况。合金钢的优点合金钢与碳素钢相比,它具有较高的强度,较好的耐热性,较好的耐低温性能,较好的耐腐蚀性能等优点,甚至有些生产环境采用碳素钢是满足不了要求的。故合金钢是压力管道中常用的也是很重要的材料。2.3.2常用合金钢压力管道中常用的合金钢有低合金钢、调质钢、不锈钢、耐热钢和低温钢。其它钢种有时也会偶尔碰到在此不再作进一步的介绍。a.低合金钢低碳型合金钢，合金元素总量一般3；强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可；低合金钢有碳锰系、碳锰钒系、铬钼系、铬钼钒系 碳锰系和碳锰钒系 GB/T1591给出了化学成分和机械性能要求;l 材料牌号为Q295A（B）、Q345AE、Q390AE、Q420AE、Q460CE;l 用于常温及以上温度时，可用A、B或C级；用于2040 时，可用C或D级l 表示方法及代号同普通碳素钢铬钼系和铬钼钒系 GB/T3077给出了化学成分和机械性能要求;l 材料牌号主要为12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV；l 它们常用作抗氢腐蚀、抗高温硫或硫化氢腐蚀和耐热(次高温)等材料例如,12CrMo和15CrMo常用于550以下的高温工况,或用于320以下的临氢工况;12CrlMoV常用于575以下的高温高压蒸汽介质。l 表示方法及代号b.调质合金钢l 中碳型合金钢，合金元素总量一般3；l 它的含碳量较高，强度高，可焊性差；l GB/T3077给出了化学成分和机械性能要求;l 材料牌号为40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25CrMoVA 等l 用于螺栓、螺母材料l 表示方法及代号同低合金钢中的铬钼系和铬钼钒系 c.不锈钢不锈钢特点l 合金元素含量比较高,均超过10,有的高达50%甚至更多；l 它含有大量的合金元素,故其耐热、耐蚀等性能大大优于碳素钢和低合金钢,但随之而来的是其价格也远远高于碳素钢和低合金钢。分类（按常温的组织不同）奥氏体型奥氏体-铁素体双相型铁素体型马氏体型沉淀硬化型表示方法常用不锈钢1）奥氏体不锈钢根据其含碳量的不同分为高碳型、低碳型(C0.08)、和超低碳型；常温为单一奥氏体组织，消除了组织间的电位差,故有利于抗电化学腐蚀；它含有大量耐蚀合金元素，抗高温化学腐蚀；具有良好的机械性能和可焊性；价格较高。GB1220标准共给出了33种奥氏体不锈钢的材料牌号,而常用的材料牌号有0Cr18Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、00cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)、0Cr23Ni13等。 高碳奥氏体不锈钢 含碳量较高(C=0.040.12)，高温强度较高，常用作耐热钢； 超低碳型奥氏体不锈钢 含碳量较低(C0.03)，不易产生晶间腐蚀倾向，常用作耐蚀钢；强度较低，不应在高温下使用。 低碳型奥氏体不锈钢 含碳量(C0.08，性能介于高碳和超低碳之间；2）奥氏体一铁素体型不锈钢 常温组织为奥氏体+铁素体组织； 由于含有硅、铝等合金元素,加之它具有双相组织，故它抗氯化物引起的晶间腐蚀和 应力腐蚀性能明显优于奥氏体型不锈钢。 具有良好的综合机械性能和可焊性； 常代替奥氏体型不锈钢用于容易发生晶间腐蚀的工作环境。 但该种材料制造工艺复杂,成本较高,价格约是奥氏体型不锈钢的(3-4)倍,故这种材料在工程上应用的并不普遍； GB1220标准给出了0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi、00Cr18Ni5Mo3Si2共3种奥氏体一铁素体型不锈钢的材料牌号。3）铁素体型不锈钢 常温组织为铁素体组织。 由于它的平均含铬量大于11.7%,可在材料表面形成一层致密的Cr氧化薄膜，能有效地保护材料免遭腐蚀。但其防腐性能不如奥氏体型不锈钢， 焊接性能比较差； 常用在腐蚀性较弱的环境。在压力管道中应用的不多,而在压力容器中常用作复合材料的复层； GB1220标准共给出了7种铁素体型不锈钢的材料牌号,常用的材料牌号有00cr12和0Cr13Al。4）马氏体不锈钢 合金含量与铁素体型不锈钢类似； 碳含量较高，具有较高的硬度和耐磨性，耐蚀性较弱； 常被用于手术刀，压力管道中碳素钢和铬钼钢阀门的阀杆和阀芯； GB1220标准共给出了18种马氏体型不锈钢的材料牌号,常用的材料牌号有1cr13和2Cr13、3Cr13。5）沉淀硬化型不锈钢 指可以进行沉淀硬化处理的奥氏体或马氏体不锈钢； 有很高的强度和硬度，耐蚀接近奥氏体不锈钢， 压力管道中用作螺栓和螺母材料； GB1220标准共给出了3种材料牌号, 0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al.e.耐热钢 除超低碳不锈钢和双相不锈钢外，大多数不锈钢都可作为耐热钢； GB1221标准共给出了40种耐热钢的材料牌号，常用的牌号有：奥氏体型：0Cr18Ni9(304)、0Cr17Ni12Mo2(316)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、0Cr25Ni20(310)、0Cr23Ni13等；铁素体型：00cr12和0Cr13Al等；马氏体型：1Cr5Mo、1cr13和2Cr13、3Cr13等；沉淀硬化型：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等 工程上常用的耐热合金钢还有Cr2Mo、Cr9Mo等材料,但GB1221标准中却没有列入。Cr2Mo、Cr9Mo材料和1Cr5Mo一样,属于低碳型合金钢,常温下可获得铁素体和珠光体组织但容易淬硬而出现马氏体组织。这类钢有较高的热强性,常用于350-650且腐蚀性不强的工况下，如动力系统的高温蒸汽管道。它还有一定的抗高温硫腐蚀和高温氢腐蚀的能力。这类钢焊接性较差,容易出现延迟裂纹,一般焊后要进行热处理。f.低温用钢(镍钢) 具有面心立方晶格的金属材料(如铜Cu、镍Ni、奥氏体钢等)一般没有低温冷脆现象,是最好的低温用材,故含铜、镍等元素的合金钢常用于低温工况。 晶粒越细钢材的低温冲击韧性越好,故一般铁素体钢要正火处理后使用。杂质元素硫(S)、磷(P)、氧(O)都将降低钢材的低温冲击韧性,一般要严格控制。 我国的低温用钢有：16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb，奥氏体不锈钢。 2.4 常用金属材料技术条件标准 (1)GB/T699一1999优质碳素结构钢技术条件主要对10、20、25、35等优质碳素钢的牌号及化学成分、冶炼方法、交货状态、力学性能、试验要求等作出了规定。(2)GB/T700-88碳素结构钢主要对Q195、Q215、Q235、Q255等碳素结构钢的生产和试验等要求作出了规定。是碳素结构钢的技术条件。(3)GB/T1220-92不锈钢棒对不锈钢棒的尺寸、外形、技术要求、试验方法等作出了规定。它是包括0Cr18Ni9、00Cr19Nil0、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2等奥氏体不锈钢，0Cr13等铁素体不锈钢,1Cr13、2Cr13等马氏体不锈钢和0Crl7Ni14Cu4Nb等沉淀硬化型等各种不锈钢的技术条件。(4)GB/T1221-92耐热钢棒对耐热钢棒的尺寸、外形、技术要求、试验方法、验收规则等作出了规定。它是包括奥氏体耐热不锈钢、铁素体耐热钢和1Cr5Mo马氏体耐热钢等的技术条件。(5) GB/T1591-94低合金高强度结构钢对低合金高强度结构钢的牌号和技术要求、试验方法、检验规则等作出了规定。标准包括了Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等牌号低合金高强度结构钢的制造检验要求。(6) GB/T3077-1999合金结构钢技术条件主要用于直径或厚度不大于250mm的合金结构钢热扎和锻制条钢。其化学成分亦适用于钢坯及其制品。此技术条件包括了石油化工管道常用的12CrMo、15CrMo、35CrMo、40Cr等常用合金钢牌号。3常用金属材料的基本限制条件3.1一般限制条件3.1.1满足操作条件的要求3.1.2满足材料加工工艺和工业化生产的要求3.1.3符合既使用又经济的要求3.2常用材料的应用限制3.2.1铸铁3.2.2普通碳素钢3.2.3优质碳素钢3.2.4铬钼合金钢3.3常用材料的使用温度 3常用金属材料的基本限制条件工程上的实际应用环境条件是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。就常见的选材条件来说，要想在这里逐一给出其选材结论是不现实的，它也正是各个设计院或工程公司一直致力研究的问题。在这里将换一种方式，以材料为主体，应用金属理论、腐蚀理论以及工程理论来确定各种常用材料的使用限制条件。工程上，压力管道选材除了要确定材料牌号外，还要确定材料标准，因为不同的材料标准，对材料质量的要求是不一样的。3.1一般限制条件在进行工程材料选用时，首先应遵循下列一些原则。3.1.1满足操作条件的要求a根据操作条件判断该管道是不是压力管道，属于那一类压力管道。不同类别的压力管道因其重要性不同，发生事故带来的危害程度不同，故对材料的要求也不同。一般情况下，高类别的压力管道(如一类压力管道)从材料的冶炼工艺到最终产品的检查试验都比低类别的压力管道要求高。b.应考虑操作条件对材料的选择要求。不同的材料对同一腐蚀介质的抗腐蚀性能是不相同的。在腐蚀环境中，选用材料应避免灾难性的腐蚀形式(如应力腐蚀开裂)出现，而对均匀腐蚀，一般至少应限定在耐腐蚀级，即最高年腐蚀速率不超过0.5mm；c.介质温度也是选用材料的一个重要参数。因为温度的变化会引起材料的一系列性能变化，如低温下材料的脆性，高温下材料的石墨化、蠕变等问题。很多腐蚀形态都与介质温度有密切的关系，甚至是腐蚀发生的基本条件。因此压力管道的选材应满足温度的限制条件。3.1.2满足材料加工工艺和工业化生产的要求a理想的材料应该是容易获得的，即它应具有良好的加工工艺性、焊接性能等。例如，对于一些腐蚀环境，选用碳钢和不锈钢复合制成的压力管道及其元件来代替纯不锈钢材料无疑是经济适用的，但由于许多制造厂的复合工艺不过关，使用中屡次出现问题，从而给复合材料的应用带来了限制，尤其是碳钢与0Cr13的复合板材因现场焊接质量不容易保证，以致工程上不敢使用或者说不敢大量使用它。b.工程上的材料应用是系列化、标准化的。它不像在实验室中，可以做到少量、理想化的材料应用。将材料标准化、系列化便于大规模生产，减少材料品种，从而可以节约设计、制造、安装、使用等各环节的投入，同时也将大大降低生产成本。所以工程上应首先选用标准材料，对于必须选用的新材料，应有完整的技术评定文件，并经过省级及其以上管理部门组织技术鉴定，合格后才能使用。对于必须进口的材料，应提出详细的规格、性能、材料牌号、材料标准、应用标准等技术要求，并按国内的有关技术要求对其进行复验，合格以后才能使用。3.1.3符合既适用又经济的要求这是一个很原则的问题，实际操作起来是很复杂的。它要求材料工程师须运用工程学、材料学、腐蚀学等方面的知识综合判断。这样的问题有时是可以定量计算的，有时则是不可以定量计算的。一般情况下，应从以下几个方面来考虑： a.腐蚀方面1）对于局部腐蚀，若通过其它措施(如工艺防腐措施)能防止或控制局部腐蚀的发生，特别是突然性、灾难性的局部腐蚀发生，就可以采用价格比较低的材料。否则，必须选用高级但价格高的材料。2）对均匀腐蚀，在腐蚀环境比较恶劣的情况下，若选用低级但价格便宜的材料，其腐蚀速率可能会很大，短时间内就必须更换材料；而用耐腐蚀比较好、价格比较高的材料，其腐蚀速率可能会较小，从而维持一个比较长的生产周期。进行综合的技术经济评定，此时采用高级材料也许更经济些。反之，如果腐蚀环境比缓和，此时选用低级材料虽然其腐蚀速率比较大，但其价格便宜，进行经济核算后，此时采用低级材料也许更经济些。总之这一类型的材料选用是应进行经济核算。3）对于同一个腐蚀环境，若选用高级材料时遭受的腐蚀可能是危险性较大的局部腐蚀，而选用低级材料时遭受的腐蚀可能是具有较大腐蚀速率的均匀腐蚀。此时就应考虑选用低级材料并辅以其它防腐措施。 b.材料标准及制造方面压力管道的类别与材料标准和制造要求并没有一个完全一一对应的关系，这就要求材料工程师应用有关知识来综合考虑。许多材料标准和制造标准中，都有若干供用户确认的选择项。1） 这些选择项中，有些是一般的项目，当用户没有指定时，制造商将按自己的习惯去做。例如，钢管的供货长度、供货状态等都属于这类项目。2）有些项目则是附加检验项目，这些检验项目不是必需的，只有用户要求时制造商才做。也就是说，用户可以根据使用条件不同，追加若干检验项目以便更好的控制材料的内在质量。但提出了这些特殊要求就意味着产品价格的上升，有些检验项目如射线探伤的费用是很高的。如何追加这些附加检验项目，应结合使用条件和产品的价格综合考虑，有时要把握好这个尺度是很难的。c.新材料、新工艺应用方面积极采用新材料，支持新材料、新工艺的开发和应用，可以有效地降低建设投资，又能满足生产工艺对材料的要求。例如：用渗铝碳钢代替不锈钢用于抗硫和有机酸的腐蚀；用碳钢与不锈钢的复合材料代替纯不锈钢材料；用焊接质量有保证的有缝钢管代替无缝钢管；等等。3.2常用材料的应用限制3.2.1铸铁常用的铸铁有可锻铸铁和球墨铸铁两种。一般限制条件：1）使用在介质温度为-29343的受压或非受压管道；2）不得用于输送介质温度高于150或表压大于2.5MPa的可燃流体管道；3)不得用于输送任何温度压力条件的有毒介质；4)不得用于输送温度和压力循环变化或管道有振动的条件下。实际上，可锻铸铁经常被用于不受压的阀门手轮和地下管道；球墨铸铁经常被用于工业用管道中的阀门阀体。3.2.2普通碳素钢限制条件：a. 沸腾钢1) 应限用在设计压力0.6MPa，设计温度为0250的条件下；2) 不得用于易燃或有毒流体的管道；3) 不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中；b. 镇静钢1) 限用在设计温度为0400范围内。2) 当用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时，本体硬度及焊缝硬度应不大于HB200，并对本体和焊缝进行100无损探伤；c. 用于压力管道的沸腾钢和镇静钢1)含碳量不得大于0.24%。2) GB700标准给出了四种常用的普通碳素结构钢牌号，即：Q235A(F、b)， Q235B(F、b)、Q235C、Q235D。其适用范围如下：Q235-AF钢板：设计压力P0.6MPa；使用温度为0250，钢板厚度12mm；不得用于易燃，毒性程度为中度、高度或极度危害介质的管道。Q235-A 钢板： 设计压力P1.OMPa；使用温度为0350；钢板厚度16mm；不得用于液化石油气、毒性程度为高度或极度危害介质的管道。Q235-B 钢板：设计压力P1.6MPa；使用温度为0350；钢板厚度20mm；不能用于高度和极度危害介质的管道。Q235-C 钢板：设计压力P2.5 MPa；使用温度为0400；钢板厚度40mm；3.2.3优质碳素钢优质碳素钢是压力管道中应用最广的碳钢，对应的材料标准有：GB/T699、GB/T8163、GB3087、GB5310、GB9948、GB6479等。这些标准是根据不同的使用工况而提出了不同的质量要求。它们共性的使用限制条件：a.输送碱性或苛性碱介质时应考虑有发生碱脆的可能，锰钢(如16Mn)不得用于该环境；b.在有应力腐蚀开裂倾向的环境中工作时，应进行焊后应力消除热处理，热处理后的焊缝硬度不得大于HB200。焊缝应进行100无损探伤。锰钢(如16Mn)不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中；c.在均匀腐蚀介质环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，如果核算结果证明选用碳素钢是合适的，应给出足够的腐蚀余量，并采取相应的其它防腐蚀措施；d.碳素钢、碳锰钢和锰钒钢在425及以上温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的可能性，因此限制其最高工作温度不得超过425 (锅炉规范则规定该温度为450)；e.临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。f.含碳量大于0.24%的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件；g.用于-20及以下温度时，应做低温冲击韧性试验；h.用于高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料宜是经过炉外精炼的材料。 3.2.4铬钼合金钢 常用的铬钼合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，其使用限制条件如下：a.碳钼钢(C-0.5Mo)在468温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的倾向，因此限制其最高长期工作温度不超过468；b.在均匀腐蚀环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，同时给出足够的腐蚀余量；c.临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性；d.在高温H2+H2S介质环境下工作时，应根据Nelson曲线和Couper曲线确定其使用条件；e.应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用；f在400-550温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题。g. 铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。 3.2.5不锈耐热钢 压力管道中常用的不锈耐热钢材料标准主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制条件如下：a.含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400-550温度区间内长期工作时，应考虑防止475回火脆性破坏，这个脆性表现为室温下材料的脆化。因此，在应用上述不锈钢时，应将其弯曲应力、振动和冲击载荷降到敏感载荷以下，或者不在400以上温度使用；b.奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540900温度区间时，应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。当有还原性较强的腐蚀介质存在时，应选用稳定型(含稳定化元素Ti和Nb)或超低碳型(C0.0.03%)奥氏体不锈钢；c.不锈钢在接触湿的氯化物时，有应力腐蚀开裂和点蚀的可能，应避免接触湿的氯化物，或者控制物料和环境中的氯离子浓度不超过2510-6；d. 奥氏体不锈钢使用温度超过525时，其含碳量应大于0.04，否则钢的强度会显著下降。 3.3常用材料的使用温度 表31 常用金属材料的使用温度材 料使用温度10、2016Mn09Mn2V12CrMo15CrMo1Cr5Mo低碳奥氏体不锈钢（018CrNi9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni19Ti）超低碳奥氏体不锈钢（00Cr19Ni10）超低碳奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2）0Cr25Ni20-20425-40-450-70-100525550600-196-700-196-400-196-4508004应用标准体系4.1国际上常用的标准体系4.1.1德国及前苏联应用标准体系4.1.2 美国应用标准体系(ANSI)4.1.3 日本应用标准体系(JIS)4.1.4国际标准化组织（ISO）的应用标准体系4.1.5英国和法国应用标准体系 4.2国内常用的标准体系4.2.1石化行业应用标准体系4.2.2化工行业应用标准体系4.2.3机械行业应用标准体系4.2.4国家应用标准体系4.2.5 压力管道应用标准体系配伍 4 应用标准体系目前，大多数压力管道及其元件都进行了系列化，并有相应的应用标准作支持。因此压力管道材料设计时首先要考虑的问题就是压力管道及其元件标准系列的选用。应用标准体系。一个管系（路）中各元件所用系列标准的集合。这些标准应包括管子系列标准、管件系列标准、法兰及其连接件系列标准、阀门标准等。这些标准通过一定的规则在一个管系中得到应用，它们之间相互衔接、相互配合，从而确定了管道及其元件的基本参数。这些标准中尤其以管子标准和法兰标准最具代表性，它们是其它应用标准的基础。下面以管子标准和法兰标准为主，介绍应用标准。目前，世界上各国应用的标准体系有很多，不同的国家不同的行业有不同的应用标准和标准体系，它们之间有些相差很多，无法配套使用和互换因而给使用者带来不少麻烦。因此，压力管道设计的第一步就是选择应用标准体系，并作为设计的统一规定，以免各相关专业因采用不能互换的其它标准体系而导致错误。 世界各国应用标准大体上分为两大类。管子-即钢管外径系列分为国际通用系列（大外径系列） 英制管； 国内常用系列（小外径系列） 公制管（或米制管） DN152025324050658010012515020025030035040045050060022273442486076891141401682192733243564064575086101825323845577389108133159219273325377426480530630 法兰：欧式法兰和美式法兰压力等级：PN 0.1 0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 40.0 MPa 欧式法兰（DIN）压力等级：PN 2.0 5.0 6.8 10.0 15.0 25.0 42.0 MPa 美式法兰（ANSI） CL 150 300 400 600 900 1500 2500 Psi由此可以看出，无论是法兰还是管子，上述两个系列或两个体系是不能混合使用的。 ANSI 美国国家标准化组织ASTM.American Society of Testing Materials, 美国材料实验协会 钢管壁厚表示方法 钢管壁厚表示方法有管子表号、钢管壁厚尺寸和管子重量三种方法1）是以管子表号Sch表示壁厚。管子表号是管子设计压力与设计温度下材料许用应力的比值乘以1000,并经圆整后的数值。即: SchP/t1000ANSI B36.10壁厚等级：Sch10、Sch20、Sch30、Sch40、Sch60、Sch80、Sch100、Sch120、Sch140、Sch160十个等级;ANSI B36.19壁厚等级：Sch5s、Sch10s、Sch40s、Sch80s四个等级;2）以钢管壁厚尺寸表示 中国、ISO、