管道材料等级制定与ASME

1、管道材料等级制定与 ASME21:54工程设计/llljq 发表于2007-08-14,作者：李敬琦一、 压力管道设计常用ASME标准这里有两个标准，一个是组件尺寸型式标准（我国也有相应组件形式标准），另一个 是材料标准（我国没有对材料形成专门的标准化）。Wrought型式标准规定了组件的型式、系列、尺寸、公差、试验要求，以及该组件可采用的材 料标准等。材料标准规定了适用的对象、原材料（坯料）品种（采用锻轧或锻件Forged ）、化学成分、机械性能、制造工艺（包括焊接）、热处理、无损检 查、取样和性能检验、质量证书、标志等。1. 典型的组件型式标准1 ）钢管ANSI/ASME B36.10MA

2、NSI/ASME B36.19M无缝及焊接钢管不锈钢无缝及焊接钢管2）管件ANSI/ASMEB16.9工厂制造的钢对焊管件ANSI/ASMEB16.1承插焊和螺纹锻造管件ANSI/ASMEB16.28钢制对焊小半径弯头和回弯头3 ）阀门ANSI/ASMEB16.34法兰连接、螺纹连接和焊接连接的阀门API 599法兰或对焊连接的钢制旋塞阀API 600法兰或对焊连接的钢制闸阀API 602紧凑型碳钢闸阀API 609凸耳型对夹蝶阀4）法兰ANSI/ASMEB16.5管法兰和法兰管件ANSI/ASMEB16.36孔板法兰ANSI/ASMEB16.42球墨铸铁法兰和法兰管件ANSI/ASMEB16

3、.47大直径钢法兰API 601突面管法兰和法兰连接用金属垫片5）垫片ANSI/ASMEB16.20管法兰用缠绕式、包覆式垫片和环槽式用金属垫片ANSI/ASMEB16.21管法兰用非金属平垫片6）紧固件ANSI/ASMEB18.2.1方头和六角头螺栓和螺纹ANSI/ASMEB18.2.2方头和六角头螺母7）管件ASMEI B16.9ASME B16.11MSS-SP-432.材料标准工厂制造的锻钢对焊管件 承插焊和螺纹锻钢管件 锻制不锈钢对焊管件ASTM/ASME 材料标准主要集中收录在ASME II A篇 铁基材料，B篇 非铁基材料，C篇焊条、焊丝填充金属，D篇性能，以及一些增补内容。与压

4、力管道设计相关的典型的为A篇、D篇等。A篇的主要分类有：钢板、薄板和钢带，公称管（Pipe ），管子（Tube ），钢法兰、配件、阀门及零件，压力容器用钢板、薄板和钢带，结构钢，钢棒材，钢螺栓材料， 钢坯和锻件，钢铸件，耐腐蚀钢和耐热钢，锻轧铁、铸铁和可锻铸铁，以及方法标准 等。材料表示方法用”标准号-级别”及UNS。如304是级别。TP316 前面的TP表示管材，英文单词TUBE & PIPE的首个字母。F316前面的F表示锻件，是 FORGING 的缩写。一般在 ASME里，很多都是引用 A STM 标准，并在前面加个 S，女口 A312 被ASME 纳入后为 SA312。在ASTM 标准

5、中， A表示为A系列材料，当然还有 B、C等。美国高合金钢用 UNS牌号表示，它是按美国钢铁协会AISI的编号表示方法转过来的，比如，AISI把18-8 不锈钢记为 UNS No S 30400 （ 3代表镍铬钢），ASTM弓I用过来叫它为 304型，于是各国也跟着这么叫，成为普遍的表示法。还比如316、316L、321、347、320、904 等。ASME （或 ASTM ）对公称成分相同（UNS No 号相同）的不同钢材产品，还用不同的标准区分。比如板材SA-240 （牌号304 ），管材有213、249、312、376、430 （牌号都是 TP304 ）等，而锻件 A-182 ，牌号 F

6、304。ASTM的记法，女口 A-516 , A代表钢铁金属，516只是个序号，后面跟着年号。ASME等同采用 ASTM的记法后在最前面加S。再有，B-表示非铁基金属，如SB-409 。下面列举一些典型的ASME管道材料：1 公称管1 ） SA 106 高温用无缝碳钢公称管中、低碳钢，其等级分A、B、C三级。C唏0.25%0.35%;合金总量V 0.2%。2 ） SA 312/SA 312M无缝和焊接奥氏体不锈钢公称管适用于高温及一般腐蚀用。级别有TP304H、TH316H 、TP321H 等9种。3 ） SA 333/SA 333M 低温用无缝和焊接公称管适用于低温公称壁厚的无缝以及焊接的碳

7、钢、合金钢公称管。其级别有1、3、4、6、7、8、9、10、11 共 9 种。4 ） SA 335/SA 335M 高温用无缝铁素体合金钢公称管级别有 P1、P2、P5、P5c、P9、P11、P12、P15、P21、P22。5 ） SA 709/709M无缝及焊接的铁素体、奥氏体不锈钢公称管2. 钢法兰、配件、阀门及零件1 ) SA 105/SA 105M管道元件用碳钢锻件适用于室温和高温下工作的压力系统中锻制碳素钢管道构件。2)SA 182/SA 182M 高温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、锻制管配件、阀门和零件级别较多，如 F1、F2、F5、F12 1、F12 2、F304H、F316L

8、H 等。3 ) SA 234/SA 234M 中、高温用锻制碳钢和合金钢管道配件适用于最新版的 ANSI B16.9、ANSI B16.11、ANSI B16.28 及 MSS SP 79 和MSS SP 95所包括的无缝的及焊接结构的锻制碳钢和合金钢管配件；这些管配件采用中温及高温的压力管道和压力容器制造。级别有WPB、WPC、WP 1、WP 2、WPR等多种。4 ) SA 403/SA 403M 锻轧奥氏体不锈钢管配件包括了若干级别的奥氏体不锈钢合金，并分别依据所适用的ANSI或MSS尺寸及额定压力标准，使用WP或CR前缀来标志钢的级别。5 ) SA 420/SA 420M 低温用锻造碳钢

9、和合金钢管配件适用于 ANSI B16.9、ANSI、B16.11、ANSI B16.28 及 MSS SP 79 和 MSSSP 95最新版标准的锻制碳钢和合金钢无缝焊接结构管配件。等级有WPL3、WPL6、WPL8、WPL9。6 ) SA 815/SA 815M 塑性加工成形铁素体、奥氏体及马氏体不锈钢配件。3. 钢螺栓材料1 ) SA 193/SA 193M高温用合金钢和不锈钢材料适用于高温压力容器、阀门、法兰及管配件用合金钢和不锈钢螺栓材料。材料类别包 括铁素体钢和奥氏体钢，其级别如B5、B8等多种。2 ) SA 194/SA 194M高温高压螺栓用碳钢和合金钢螺母包括从M6到M100

10、的各种碳钢、合金钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢螺母。奥氏体级别，加前缀8和9 ;铁素体级别有1 , 2 , 2H , 2HM , 3 , 4 , 6 , 6F , 7 , 7M ,16。二、压力管道材料等级表内容简述管道材料等级中包含了材料规定，是针对一系列介质条件而编制的管道器材应用明细 表。它是根据管道系统中的温度和压力及腐蚀性来分类的。通过情况下，材料等级表 的内容有：1 )等级名称(或等级号)、设计条件(设计压力、设计温度和介质)、法兰公称压 力等级、材料腐蚀余量等。2)钢管外径尺寸系列信息及壁厚钢管外径尺寸系列有大小外径之分，ASME标准采用大外径。外径尺寸定位后，意味着与其相关的钢

11、管、管件、阀门、法兰、垫片、紧固件、附件等都要与之匹配。就法兰系列而言，一类是以200 C作为计算基准温度的”欧式法兰”，一类是以大约 430 C(对150LB 级则是300 C)作为基准温度的”美式法兰”。ASME标准的钢管外径尺 寸系列标准为 ANSI B36.10 、 ANSI B36.19 ，其公称直径范围为 DN6DN2000 mm 。钢管壁厚的表示方法有三种，如管表号（ SCH ）、壁厚（ mm ）、重量 （STD 、XS 、X XS） 。3 ）钢管、管件（弯头、三通、异径管、支管接头等）、阀门、法兰、垫片、紧固件 等全面一些，在标识时除了提供钢管、管件等的材料（标准）、连接形式（

12、对焊、承插 焊、螺纹连接）、表面状态（无缝、有缝）等内容外，还应提供组件型式标准。4 ）管道分支信息 即管道分支表，提供主管与支管连接应匹配的规定。通常情况下，应优先选用标 准管件，如三通 / 四通（等径、异径）、支管接头等。若出现主、支管相差太大无法选 择时，才使用非标接头形式，并需要计算是否需要进行补强等加强措施。三、 ASME B31.3 钢管壁厚计算 制定材料等级表需要计算的内容有两种情形，其一是前面提到的开孔补强计算，其二 是这里提及的钢管（含弯头等）的强度计算。ASME B31 系列钢管壁厚计算的公式有多种，对于石化项目必须按 B31.3 管道规范 中的方法进行强度计算。强度计算需

13、要的条件为设计条件（温度、压力）、材料许用 应力、钢管外径（或内径）、质量系数（也称焊接接头系数）、温度影响系数，此外 还要考虑材料腐蚀余量、加工裕量等。壁厚计算的结果是进行钢管（及弯件）壁厚选 用标准尺寸的依据。这种方法与容器壁厚选用的方法基本一致。弯头等管件的壁厚也 有计算方法，但是在通常情况下，是以直管的计算为依据选用标准厚度即可。而开孔 补强计算方法就与容器的完全一致了。四、选材与腐蚀 进行材料等级表制定需要考虑的事项有多种，除了前面提及材料满足强度要求只是其 中之一，还要考虑操作介质的性质、操作工况等引起材料的各种腐蚀。就腐蚀形式而言，根据腐蚀发生的机理可划分为化学腐蚀、电化学腐蚀和

14、物理腐蚀三 类。根据腐蚀形态可划分为均匀腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三类。其中局部腐蚀又可 分为电偶腐蚀（如碳钢与不锈钢接触并处于电解质环境中）、点蚀（如对奥氏体不锈 钢材料的应用要注意氯离子的含量）、缝隙腐蚀、晶间腐蚀（如高温时奥氏体不锈钢 产生的晶界贫铬）。因此就需要了解材料的耐腐蚀性能，并查询金属腐蚀相关手册等资料。五、铁碳合金相图 管道材料等级表的技术主要在对材料性能的掌握上，因此各设计院通常是由机械专业 的人来进行此方面的工作。而材料的关键技术又与了解其本质铁碳合金相图是密切 相关的。铁碳合金相图是以温度为纵坐标， 碳含量 （组元） 为横坐标。 表示在接近平衡条件 （铁 -石墨）和亚稳条

15、件（铁碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二 元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。相图在金属加工和工程应 用中是一个很重要的工具，从相图中可以查到合金的溶点和凝固点，根据相图可以确 定合金热加工时的加热温度和热处理温度，由此可以预测合金的性能。该相图中有两个组元，即Fe和Fe3C。其中，Fe的性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好；Fe3C为具有复杂晶格结构的间隙化合物，其性能表现为硬而脆。四个基本相，即液相（L ）、铁素体（a）、奥氏体（Y）和渗碳体（Fe3C）;此外还有一个次生相珠光体（P）。其中，铁素体为碳在a-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格，溶碳量

16、较少，室温溶碳量为0.008% ，属常温组织；奥氏体为碳在Y-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构，溶碳量较大，属高温组织，奥氏体具有良好 的塑性，故金属热变形加工多是在这种相状态下进行的；渗碳体为金属键及化学键的 结合物，属于常温组织；珠光体为铁素体和渗碳体的混合物，既具有很好的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，属常温组织。含碳量大于2.06% 的合金及温度下的S-Fe在工程上无太大意义。（铁-碳相图略）相图中，A点为纯铁的溶点（1534 C） , C点为奥氏体和渗碳体的共晶点（1130 C）,D点为渗碳体的熔点（1600 C）, S点为铁素体和渗碳体的共析点（723 C）。GS线（A

17、3线）为亚共析钢（ C0.8% ）加热（称 Ac3线）或冷却（称 Ar3线）时铁 素体与奥氏体转变的终了温度线（称Ac3线）。ES线（A cm线）为过共析钢（0.8%C2.06%）加热（称 Accm线）或冷却（称 Arcm线）时渗碳体与奥氏体转变的终了温度线。PSK （A1线）为加热（称 Ac1线）或冷却时（称 Ar1线）珠光体与奥氏体转 变终了的温度线。从相图可以看出，亚共析钢（常温组织a +P）共析钢（常温组织 P）-过共析钢（常温组织P+ Fe3C）铸铁（常温组织Fe3C）随含碳量的变化，表现出的材料塑性、韧性与强度、硬度的变化关系。另外，从相图可以看出，对同一材料，在从高温到常温转变的过程中，会得到不同的 组织形式。对于影响材料中不理想的组织通过热处理（如退火、正火、淬火、回火、 调质等）来处理，以此达到材料性能要求。即将材料加热到临界温度（A3、A1、A cm ）以上3050 C、保温、冷却等来得到不同的转变组织。退火冷却是在炉内缓冷的过程；可达到细化晶粒、消除偏析、降低硬度而提高塑性和韧性的目的。正火较退火冷却速 度快一些（空气中冷却）。淬火是冷却时间最快的一种（水冷），用于提高材料硬度和耐磨性。了解铁碳合金相图