第一章 压力管道基础知识

第一章压力管道基础知识

第一节压力管道基本概念

一、压力管道的定义、工作原理及用途

1、压力管道的定义

人们在生产、生活中广泛利用管道来输送介质，管道输送已经成为与铁

路、公路、水运、航运并列的运输行业之一。在生产、生活中所使用的管道

中的部分管道是压力管道，它作为一种特殊承压设备越来越广泛的应用于石油、

石化、化工、电力等行业及城市燃气和供热工程中。

《特种设备安全监察条例》对压力管道做了明确定义：压力管道是指利用

一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力

大于或者等于O.IMPa(表压)的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有

毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径

大于25mm的管道。压力管道包括其附属的安全附件、安全保护装置和与安全保

护装置相关的设施。

2、压力管道的工作原理及用途

对单条压力管道而言，其工作原理就是依靠外界的动力或者是介质本身的驱动

力将该条压力管道源头的介质输送到该条压力管道的终点。

压力管道的主要用途就是输送流体介质，而除此用途之外还可以延伸出以下一

些功能，如储存功能(主要用于长输管道)和热交换(主要用于工业管道)

等。

二、压力管道的压力与温度

1、压力

垂直作用于物体表面单位面积上的力则应称为压强，人们习惯于将压强称

为压力，以后所说的压力实际上就是压强。

P=F/S

式中：P：压强F：压力S：受力面积

(2)、绝对压力：管道内介质的实际压力称为绝对压力，用符号“Pa”来

表©

(3)、用各种压力表测量管道介质的压力得到的压力数值称为表压力或表

压用“MPa”表示。

①、当管道内介质的压力等于大气压力时，压力表的指针指在零位，即表

压为零。

②、当管道内介质的压力大于大气压力时，压力表的指针才会转动，表上

才有读数。此时压力表的读数就是管道内介质压力超出大气压力的部分，即表

压为正压力。

③、当管道内介质的压力低于外界大气压力时，真空表的压力值即为介质

的压力低于大气压力的部分，表压为负压力或真空，简称负压。

④、绝对压力、表压力及大气压力三者之间的关系为：

P绝二P表+P大气

⑤、人们通常所说的容器压力或介质压力均指表压力。

(4)、常见压力单位

①、兆帕(MPa)：千帕(kPa)：帕(Pa)

②、千克力/厘米2(kgf/cm2)

③、巴和毫巴符号为bar和mbar

(4)、常见压力单位换算：

1兆帕(MPa)=10千克力/厘米,(kgf/cm2)=lObar

2、温度

(1)、温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的

居IJ烈程度。

“'(2)、目前国际上用得较多的温标有华氏温标(°F)、摄氏温标(°C)、型

力学温标(K)

(3)、我国使用摄氏度，其结冰点是0°C,沸点为100。C。

(4)、华氏度结冰点是32°F,沸点为212°Fo

(5)、绝对零度：当达到这一温度时所有的原子和分子热运动都将停止。是

温度的最低极限，相当于一273.15C,

(6)、使用温度：系指管道运行时，用测温仪表测得工作介质的温度。

(7)、设计温度：管道在正常工作过程中，在相应设计压力下，设定的管道

壁金属温度，其值略高于管道壁金属可能达到的最高金属温度。

三、压力管道输送的介质

1、概述

压力管道输送的介质均为流体介质，如上所述，包括气体、液化气体、蒸

汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的

液体。

气体的种类很多，常见的有空气、氮气、氧气、氯气、天然气等。蒸汽介质

则特指水蒸汽。液化气体常见的有液化烧(液化天然气、液化乙烯、液化环氧乙

烷、液化石油气等)及液氯、液氨、液氧、液氮等。

具备下述5种特性之一的液体属于压力管道介质范围。

(1)、可燃

可燃液体：《建筑设计防火规范》(GBJ16-19872001年版)中所定义的乙

类液体和丙类液体的曾用名称。乙类液体指闪点大于或者等于28c至闪点小于

60C的液体;丙类液体指闪点大于或者等于60C的液体。《石油化工企业设计防

火规范》(GB50516-19921999年版)中直接使用可燃液体的概念，指的是除液

化煌外的闪点小于28c的可燃液体和闪点大于或者等于28℃的可燃液体。

需要说明的是易燃液体是《建筑设计防火规范》(GBJ16—19872001年版)

中所定义的甲类液体的曾用名称，指闪点小于28c的液体。在《石油化工企业

设计防火规范》(GB50516-19921999年版)中没有提出易燃液体的概念，只是

对液化煌专门做出定义，而将除液化烧外的闪点小于28c的液体归于可燃液

体。

⑵、易爆

在后险、有害物质识别时，常将易燃、易爆物质定义为引燃、引爆后在短

时间内释放出大量能量的物质。易爆液体属于易燃、易爆物质的范畴。

常用的“爆炸危险介质”的定义为：气体或液体蒸汽、薄雾与空气混合形

成爆炸混合物，且其爆炸下限小于10%,或爆炸上限与下限的差值大于或者等

于20%的介质。

(3)、有*毒

有毒液体是呈液态的有毒物质的总称。有毒物质是指以较小剂量作用于生

物体,能使生物体的生理功能或者机体正常结构发生暂时或永久性病理改变、甚

至死亡的物质。工业有毒物质的危害程度按照《职业性接触毒物危害程度分级》

GB5044—1985）分极度危害（I级）、高度危害（II级）、中度危害（ID级）和轻度危

害（IV级）。常说的剧毒流体，即相当于极度危害物质。压力管道定义中所说的

有毒液体，包括四种危害程度的有毒物质。但是，有些标准将这四种危害程度的

介质分成剧毒流体和有毒流体，此时所谓的有毒流体指除剧毒物质外的其他有

毒物质。

（4）、有腐蚀性

有腐蚀性液体是指能灼伤人体组织并对管道材料造成损坏的液体，如：硫

酸、硝酸等。

（5）、最高工作温度高于或者等于标准沸点

液体的标准沸点是指在1个大气压下的沸点，如水的标准沸点是100C。最高工

作温度等于标准沸点的液体，如表压力为零，则处在沸腾状态。

2、介质的火灾危险性

压力管道介质的火灾危险性有2种分类方法,即《石油化工企业设计防火规

范》（GB50516—19921999年版）和《建筑设计防火规范》（GBJ16-19872001

年版）。

（1）、《石油化工企业设计防火规范》（GB50516-19921999年版）的分类方

法该标准按可燃气体和液化烧、可燃气体进行火灾危险性分类。

①、可燃气体的火灾危险性分类见表1-1o

表1-1可燃气体的火灾危险性分类

类别可燃气体与空气混合物的爆炸下限举例

甲<10%（体积）乙焕、氢气、硫化氢、乙烯、甲烷等

乙>10%（体积）一氧化碳、溟甲烷

②、液化烧、可燃液体的火灾危险性分类见表1—2。

见表1-2液化烧、可燃液体的火灾危险性分类

类别名称特征举例

甲A液化煌15℃时的蒸汽压力>0.IMPa的燃类液体液化天然气、液化石油气

及其他类似的液体

B可燃液体甲A以外，闪点<28℃汽油、戊烷、二硫化碳

乙A闪点》28c至W45C丙笨、煤油

B闪点>45℃W60℃35号轻柴油。环戊烷

丙A闪点>60℃W120℃轻柴油、重柴油

B闪点>120℃蜡油、100号重油

（2）、《建筑设计防火规范》（GBJ16-19872001年版）对火灾危险性的划

分。该标准所划分的生产的火灾危险性共有甲、乙、丙、丁、戊5个生产类别,

其中火灾危险性特征部分涉及压力管道介质。

3介质的毒性危害程度

压力管道介质的毒性危害程度分级方法。

空气中最高容许浓度分别为：

极度危害（I级）<0.1mg/m3；

高度危害（II级）0.1〜<1.0mg/m3；

中度危害（III级）1.0~<10mg/m3；

轻度危害(IV级)210mg/m3.

四、压力管道的主要工艺参数及特点

1、压力管道的主要工艺参数

由于压力管道种类繁多，运行工况多样化和复杂化，通常认为压力管道的

工作参数包括以下几个方面：

(1)、设计压力

在相应的设计温度下，用以确定管道及其它元件尺寸的压力值，该压力为

管道的内压力时，称为设计内压力，为外部压力时称设计外压力。设计压力不

得低于工作过程中可能出现的由压力与温度形成的最苛刻条件下的压力。

(2)、操作压力

在稳定操作条件下，压力管道系统内介质的压力。

(3)、最大操作压力

在正常操作条件下，压力管道系统中的最大实际操作压力。

(4)、最大允许操作压力

压力管道系统遵循相关标准的规定，所能连续操作的最大压力，等于或小

于设计压力。

(5)、设计温度

压力管道在正常工作下，管壁或元件金属可能达到的最高或最低温度。设

计温度不得高于(或低于)工作过程中可能出现的由压力与温度形成的最苛刻条

件下的最高温度(最低温度)。

(6)、管输介质温度

管道输送介质在管道内输送时的流动温度。

(7)、公称直径(DN)

由字母DN和无因次整数数字组合的尺寸标志，代表管道组成件的规格。数

字反映管道组成件连接端部的孔径或外径(mm)。公称是一种数字标记，作为尺

寸、容积、额定值或其它特征的标称，不是一种精确的度量。

(8)、公称压力(PN)

是由字母PN和无因次整数数字组合的压力标志，代表管道组成件的压力等

级，数字反映管道组成件的压力等级数值(以“bar”计)。

(9)、设计壁厚

在相应的设计内压力和公称直径下，根据选用钢管的许用应力,设计得出

满足工艺条件的管壁厚度。

2、压力管道的特点

(1k应用广泛。随着经济的发展，管道的数量越来越多。由于应用的领域

不同,各个领域所使用的压力管道又各有其特点,如化工、石化系统有大量的压

力道,它们的工作条件各种各样，工作压力由真空、负压到300MPa以上的高压

超高压。而工作温度由-200C到1000C以上，所传载的介质又多是有毒易燃、

易爆。

(2)、管道体系庞大。由多个组成件、支承件组成，任一环节出现问题都

会造成整条管线的失效。

(3)、管道的空间变化大。要么是长距离却经过复杂多变的地质条件、地形

地貌、人文环境、天气环境；要么是在一个环境里，但是其立体空间变幻莫测。

(4)、腐蚀机理与材料损伤的复杂性。易受周围介质或设施的影响，容易受

诸如腐蚀介质、杂散电流影响，而且还容易遭受第三方破坏。

(5)、失效的模式多样。

(6)、载荷的多样性。除介质的压力外，还有重力载荷以及位移载荷等。

(7)、材质的多样性。可能一条管道上就需要用几种材质。

(8)、安装方式多样。有的架空安装，有的埋地敷设。

(9)、实施检验的难度大。如对于高空和埋地管道的检验始终是难点。

(10)、压力管道元件数量多，标准多。

另外，我们在操作压力管道时，始终要注意管道是整个设备装置系统的一

部分，有时还是最主要的一部分。操作管道也要从系统的角度去考虑问题。

五、压力管道的分类

1、概述

压力管道的用途广泛，品种繁多。不同领域内使用的管道，其分类方法也不

同。一般可以按主体材料、敷设位置、输送介质特性和用途等进行分类，另

外，为便于安全监督管理，还可以按照安全监督管理的需要进行分类。

2、压力管道分类

(1)、压力管道的一般分类

①、按主体材料划分，可分为金属管道和非金属管道。金属管道又可分为

铸铁管道、碳钢管道、低合金钢管道、不锈钢管道、有色金属管道等。非金属

管道包括塑料管道、玻璃钢管道、金属复合管道、非金属复合管道。

②、按敷设位置划分，可分为架空管道、埋地管道、地沟敷设管道。

(2)、按介质压力分类,通常可分为:

①、超高压管道(>42MPa)、

②、高压管道Q0~42Mpa)、

③、中压管道管6~10MPa)、

④、低压管道(<l,6MPa)。

(3)、城镇燃气管道根据输气压力P分为:

①、高压A(2.5MPa〈PW4.OMPa)；

②、高压B(1.6MPa〈P<2.5MPa)；

③、次高压A(0.8MPaVPWl.6MPa)；

④、次高压B(0.4MPaCPWO.8MPa)；

⑤、中压A(0.2MPaVpWO.4MPa)；

⑥、中压B(0.01MPaWPWO.2MPa)；

⑦、低压(P<0.01MPa)

(4)、按介质温度分类,一般可分为:

①、高温管道(>200℃)、

②、常温管道(一29~200℃)、

③、低温管道(-29℃)。

(5)、按介质毒性分类，

①、剧毒管道(极度危害)、

②、有毒管道(非极度危害)、

③、无毒管道。

(6)、按介质燃烧特性分类，

①、分为可燃介质管道、

②、非可燃介质管道。

(7)、以介质腐蚀性分类，

①、强腐蚀性介质管道、

②、腐蚀性介质管道、

③、非腐蚀性介质管道。

（8）：按毒性、燃烧特性等特征对流体进行分类，分为A1类流体、A2类流体、

B类流体、D类流体、C类流体。然后根据流体分类方便地提出内部为相应介质

管道的要求。

①、A1类流体：指剧毒流体，在输送过程中如有极少量的流体泄漏到环境

中，被人吸入或与人体接触时，能造成严重中毒，脱离接触后，不能治愈。相当

于现行国家标准《职业性接触毒物危害程度分级》（GB5044）中I级（极度危害）

的毒物。

②、A2类流体：指有毒流体，接触此类流体后，会有不同程度的中毒,

脱离接触后可治愈：相当于现行国家标准《职业性接触毒物危害程度分级》

（GB5044）中H级（高度、中度、轻度危害）的毒物。

③、B类流体:该类流体在环境或操作条件下是一种气体或可闪蒸产生气体

的液体,这些液体能点燃并在空气中连续燃烧。

④、D类流体：指不可燃、无毒、设计压力小于或等于LOMPa和设计温度

高于一20~186c之间的流体。

⑤、C类流体：指不包括D类流体的不可燃、无毒的流体。

《工业金属管道设计规范》（GB50316-2000）采用该种分类方法。

（9）、按管道用途分类，

①、长输油气管道、

②、城镇燃气管道、

③、热力管道、

④、工业管道（包括工艺管道、公用工程管道）、

⑤、动力管道、

⑥、制冷管道。

六方仝监督管理的介举

（-X压力管道安全管理与监察规定的分类说明

1、为满足安全监督管理的需要，《压力管道安全管理与监察规定》将压力

管道按其用途划分为长输管道（GA类）、公用管道（GB类）和工业管道（GC类），并

给出了定义。长输管道是指产地、储存库、使用单位间的用于输送商品介质的

管道（具体讲就是：跨越地、市输送商品介质的管道；跨越省、（自治区、直辖

市）输送商品介质的管道）；公用管道是指城市或乡镇范围内的用于公用事业或

民用的燃气管道和热力管道;工业管道是指企业、事业单位所属的用于输送工艺

介质的工艺管道、公用工程管道及其他辅助管道的工业管道。

2、在《压力管道安全管理与监察规定》之后颁布的《特种设备目录》将压

力管道作为一个种类，分成长输（油气）管道（输油管道、输气管道）、公用管

道（燃气管道、热力管道）和工业管道（工艺管道、动力管道和制冷管道）3个类

另!J。

3、《压力管道安全管理与监察规定》中所称的长输管道与《特种设备目录》

所称的长输（油气）管道的含义基本相同。油气田集输管道、发电厂的动力管道

和液化石油气储配站站内管道一般划为工业管道的范围。

（二）、压力管道安全技术规范对各类压力管道进行了分级,具体规定如下：

1、长输（油气）管道的分类分级

长输(油气)管道为GA类,分为GA1级和GA2级。

(1)、GA1级是指满足符合下列条件之一的长输管道：

①、输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力p>1.6MPa的管道；

②、输送有毒、可燃、易爆液体介质，输送距离L2200km,且管道公称

直径DN2300mm的管道；

③、输送浆体介质,输送距离LN50km且管道公称直径DNN150mm的管道。

注:输送距离是指产地、储存库、用户间的用于输送商品介质管道的直

接距离。

一(2),GA2级是指满足符合下列条件之一的长输管道：

①、输送有毒、可燃、易爆气体介质，设计压力p《L6MPa的管道；

②、GA1中b)范围以外的长输管道；

③、GA1中c)范围以外的长输管道。

2、公用管道的分类分级

公用管道为GB类，分为GB1级和GB2级。

①、GB1级为燃气管道

②、GB2级为热力管道

3、工业管道的分类分级

工业管道为GC类，目前有两种分级方法，一种是《压力容器压力管道设计

单位资格许可与管理规则》的分级方法，将工业管道划分为GC1级、GC2级。另

一种是《压力管道安装单位资格认可实施细则》和《在用工业管道检验规程》(试

用)的分级方法,将工业管道划分为GC1级、GC2级和GC3级。这两种分级方法的

主要区别是后一种分级方法中将第一种分级方法中的GC2级工业管道又划出一

部分管道做为GC3级。

4、《在用工业管道检验规程(试用)》的分级方法如下：

(1)、符合下列条件之一的工业管道为GC1级：

①、输送GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》中规定的毒性程度为

极度危害介质的管道；

②、输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16c《建筑设计防

火规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体，并且设计压

力p24.OMPa的管道；

③、输送可燃流体介质、有毒流体介质,设计压力P24.OMPa,且设计温度

t2400℃的管道；

④、输送流体介质并且设计压力P210.OMPa的管道。

(2)、符合下列条件之一的工业管道为GC2级：

①、输送GB50160《石油化工企业设计防火规范》及GBJ16《建筑设计防火

规范》中规定的火灾危险性为甲、乙类可燃气体或甲类可燃液体,并且设计压力

p<4.OMPa的管道；

②、输送可燃流体介质、有毒流体介质,设计压力P<4.OMPa,并且设计温

度t2400℃的管道；

③、输送非可燃流体介质、无毒流体介质,设计压力P<10.OMPa,并且设计

温度t2400℃的管道；

④、输送流体介质，设计压力P<10.OMPa,并且设计温度t<400℃的管道。

(3)、符合下列条件之一的GC2级工业管道划分为GC3级:

①、输送可燃流体介质、有毒流体介质，设计压力pVLOMPa,并且设汁温

度t《400℃的管道；

②、输送非可燃流体介质、无毒流体介质,设计压力p<4.OMPa,并且设计

温度tV400C的管道。

压力管道元件也是《特种设备目录》中所列的一个种类。在安全监督管理

中,还对压力管道元件进行品种、级别的划分以便于分级管理。

第二节压力管道材料

一、金属基本性能

（一）、使用性能

（力学性能、物理性能、化学性能）决定了材料的应用范围，使用的可靠性

和使用的寿命

1、物理性能

（1）、重度重度是物体重量和其体积的比值；金属的重度即是单位体积金

属的重量，符号用Y表示，计算公式如下：

Y=G/V（克力/厘米,

式中G—物体的重量（克力）；

V一物体的体积（厘米？

Y一物体的重度（克力/厘米）

一般将重度小于6（克力/厘米，的金属称为轻金属，重度大于6（克力/厘

米9的金属称为重金属。

（2）、熔点

金属或合金的熔化温度，称为熔点。金属都有固定的熔点。

属于难熔的金属（一般指熔点高于1650℃）有鸨、铝、铭、钮等，属于易

熔的金属有锡、铅、锌（一般指熔点低于1000C）等。

（3）、热膨胀

金属和合金受热时，它的体积会增大，冷却时则收缩。金属的这种性能称

为热膨胀性。热膨胀的大小，用线胀系数或体胀系数来表示。线胀系数的计算

公式如下：

a=（LI-L0）/LOT

式中L0一膨胀前长度（厘米）

L1一膨胀后长度（厘米）

T一升高的温度（C）；

a一线膨胀系数（厘米/厘米0C）

（4）、导热性：金属在加热或冷却时能够传导热能的性质称力导热性。为

比较金属的导热性，设导热最好的银的导热率为L则铜的导热率为0.9,铝

为0.5,铁为0.18,汞为0.02等。金属导热性的具体数值用金属的导热

系数人表示。即规定在每1厘米,的金属面积上，以每厘米长的金属在每秒升温

一度时所传导的热量卡作标准。导热系数的单位是卡/厘米•秒•℃导热性好

的金属散热也好，在制造散热器、热交换器等零件时，就要注意选用导热性好

的金属。

（5X导电性金属能够传导电流的性能，称为导电性。导电性的好坏，用

电阻系数表示，电阻系数越小，导电性就越好。导电性最好的是银，其次是铝,

（6）、磁性金属能导磁的性能，称为磁性。具有导磁能力的金属都能被磁

铁吸引。如铁、银、钻等都较高的磁性，也称为磁性金属。但对于某些金属来

说，磁性也不是固定不变的，当温度升高，金属或合金的磁性会消失，如铁在

770C以上就没有磁性。

2、化学性能：

（］）、耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸汽等介质腐蚀的能力，称为耐腐蚀性。

（2）、热安定性

金属在高温下对氧化的抵抗能力称为热安定性。

（二）、工艺性能

对制造成本、生产效率、产品质量有很大的影响。

1、铸造性

金属能否用铸造方法制成优良铸件的性能，包括金属的液态流动性，冷却

时的收缩率和偏析倾向等。

2、锻压性

金属能否用锻压方法制成优良锻压件的性能。锻压性一般与材料的塑性及

其塑性变形抗力有关。

3、可焊性

金属是否容易用一定的焊接方法焊成优良接头的性能。可焊性好的金属能

获得没有裂叛气孔等缺陷的焊缝，并且焊接接头具有一定的机械性能。

4、切削加工性

金属材料是否易于被刀具切削的性能，称为切削加工性。切削加工性能

好的金属对使用的刀具磨损量小，切削用量大，加工表面也比较光洁。

二、力学性能

承压类特种设备材料的力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性、韧性等

指标。（一）、应力和应变

1、外力：从设备外部施加到设备上的力。

2、内力：存在于设备内部，大小和外力相等，方向相反的力。

3、应力：物体在外力作用下而变形时，其内部任一截面单位面积上的内力

4、应变：物体在外力作用下，其形状尺寸发生相对变化。

5、载荷与变形：当金属材料受外力作用时，这种外力称为载荷（或称负荷、

负载）；受外力后形状改变，称为变形。载荷因其作用性质不同，可以分为静载

荷、冲击载荷和交变载荷等。

（1）、静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷。

（2）、冲击载荷是指突然增加的载荷。

（3）、交变载荷是指大小或方向作周期性变换的载荷。材料受载荷作用后

的变形，可分为拉伸、压缩、剪切、扭转和弯曲等。图1-1是金属材料在不同

载荷作用下的变形情况。图1-2是钾钉受剪切载荷的情况

压缩

图1-1金属在受载时的变形分类图卜2钾钉受剪切载荷

6、四种基本变形形式：

(1)拉伸或压缩：杆受一对大小相等，方向相反的纵向力，力的作用线与杆

轴线重合。

(2)剪切：杆受一对大小相等，方向相反的横向力，力的作用线靠得很近。

(3)扭转：杆受一对大小相等，方向相反的力偶，力偶作用面垂直于杆轴线。

(4)弯曲：杆受一对大小相等，方向相反的力偶，力偶作用面是包含轴线的

纵向面。

7.其他

(1)应力的种类：剪切应力，弯曲应力和交变应力。

当承压类特种设备壳体的形状发生变化或厚度改变时，会在不连续出及其

附近产生剪切应力和弯曲应力。

在长期交变应力下工作的承压类特种设备有些会出现疲劳和破坏现象。

在承压类特种设备3,构件的截面尺寸发生突变，往往是缺陷引起的。这

些缺陷统称为缺口，包括：表面损伤、焊缝咬边、气孔、夹渣、未焊透、未熔

合、裂纹等。应力集中的严重程度和缺口的大小有关。其中以裂纹引起的应力

集中最为严重。

(3)承压类特种设备的工作压力

试验表明；对对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半，而对球

形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力和直径下，球

形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。

(二)、金属的强度

强度：金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。

抗拉强度6b,屈服强度8s是评价材料强度性能指标的两个最重要的指

标。

1、拉伸试样进行拉伸试验时，采用如图厂3所示的拉伸试样。试样可分

为长短两种，长试样Lo/do=10；短试样Lo/do=5。一般工厂采用的试样直径d0=10

毫米。

拉伸试样放在拉伸试验机上，按规定标准加载，随着载荷增加，试样产生

伸长变形直至断裂，如图『4所示

B

至

闻

伸长量△/mm

图1-3钢的标准拉伸试样图图1-4低碳钢的拉伸曲线图

2、低碳钢的拉伸试验

根据载荷与变形量的相应变化可绘出曲线图，称为拉伸曲线图。低碳钢的

拉伸曲线吼低碳钢拉伸时可分为三个阶段：

⑴、弹性变形（弹性变形：外力卸去后能够恢复的变形）阶段。当作用在

试样上的裁荷在一定限度之内时，载荷与伸长量成正比例，外力去除后，试样

恢复原来的形状和尺寸。当载荷超过Pp而不大于Pe时，试样的伸长不再与外

力成正比关系，但还属于弹性变形阶段，即当外力去除后变形立即消失。

⑵、弹性变形一塑性变形（塑性变形外力卸去后不能恢复的变形）阶段。S

点出现的水平线段表示在载荷不变的情况下试样继续伸长；即材料丧失了抵抗

塑性变形的能力，称为材料的屈服，发生塑性变形后，由于内部结构变化，产

生加工硬化，要使金属继续变形，必须再增加载荷，这样载荷继续增加，试样

则均匀伸长。达到b点开始出现缩颈变形,变形集中在缩颈处。

⑶、塑性变形一断裂阶段。由于缩颈出现后截面剧烈减小；试样不足以抵

抗外力的作用，因此在B点发生断裂。根据拉伸曲线上各种特殊点的外力与原

截面的关系，可以测定材料的强度指标。

3、强度指标：试样受到外力作用时，在其内部产生大小与外力相等而方向

相反的相互作用力，称为内力。单位截面积上的内力称为应力，拉伸时的应力

用符号。表示。

应力的计算式为：

。=P/F（公斤力/毫米,）

式中；。一应力（公斤力/毫米,）；

P一外力（公斤力）；

F一横截面面积（毫米2）。

拉伸曲线上各特殊点出强度计算如下：

（1）.抗拉强度

ob=Pb/F。（公斤力/毫米2）

式中；。b一应力（公斤力/毫米2）；

Pb—外力（公斤力）；

F。一横截面面积（毫米2）。

承压设备在选用金属材料时不允许超过它的抗拉强度/3。材料的强度极

限越高，能承受的应力越大。

（2）.比例极限：材料承受外力的作用，载荷与变形成正比时的最大应力，

称为比例极限；

计算公式如下

op=Pp/Fo（公斤力/毫米2）

式中；。P一比例极限（公斤力/毫米2）；

Pp一试样受载与变形成正比时能承受的最大载荷（公斤力）外力；

F。一横截面面积（毫米2）

（3）.屈服强度：在载荷不增加的情况下仍能发生明显塑性变形时的应力

计算公式如下

os=Ps/Fo（公斤力/毫米D

式中；。s—屈服强度公斤力/毫米2

Ps一试样受载与变形发生明显塑性变形时的载荷（公斤力）外力；

F。一横截面面积（毫米2）

有许多金属或合金材料，并没有明显的屈服现象发生，为表明这些材料的

屈服极限，规定以试样产生伸长量为试样长度的0.2%时的应力作为材料的“条

件屈服强度，用来。0,2表示。

屈服极限是选用金属材料时非常重要的机械性能。承压设备材料所受的应

力，一般都应小于屈服强度否则就会产生明显的塑性变形。

⑷.许用应力：材料允许使用的最大应力。用［。］表示。

⑸.屈服比：是屈服点与抗拉极限强度的之比。

（二）、金属的塑性

塑性信指材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。

伸长率和断面收缩率是评价材料塑性性能指标的两个重要的指标。

1.延伸率延伸率是试样拉断后标距增长量与原始标距长度之比值的百分

率，即

5-L）…

式中；L。一试样的原始标距长度（毫米）；

L一试样拉断后标距长度（毫米）；

2.断面收缩率：是试样断口面积的缩减量与原截面面积之比值的百分率。

即

甲

=(Fo-F.)FoX100%

式中F0——拉伸前试样的截面积《毫米,）

艮一试样断后细颈处最小截面积（毫米,）

中一断面收缩率。

3、6和▽是材料的重要性能指标。它们的数值越大，材料的塑性越好。如

果材料具有良好的塑性，则可避免材料在压力加工过程中发生开裂而破坏；而

普通铸铁的塑性差，因而不能进行压力加工，只能进行铸造。同时，由于材料具

有一定的塑性，故能保证材料不致因稍有超载而突然断裂，增加了材料使用的

安全可靠性。大小。

4.冷弯试验：是焊接接头力学性能试验的主要项目

弯曲试验可以考核焊接接头的主要项目包括：焊缝和热影响区的塑性、内

部缺陷、焊缝的致密性、焊接接头不同区域协调变形能力。

用冷弯试验衡量材料在室温时的塑性。试验时，试样在规定的冷弯条件下

弯到规定的角度，一般根据试样弯曲表面有无裂纹或折断等破坏情况来评定材

料的质量。冷弯条件依材料及试样的厚度不同而异，在材料的有关技术标准

中加以规定。因此，冷弯试验的目的仅为在一定的弯曲条件下比较材料的塑性。

图『5为钢板的冷弯性能试验。

图1-5180・冷弯试验

弯心直径越大，冷塑性变形的能力愈差；弯心直径越小塑性越好。

下面举例说明强度、塑性的计算方法。

例题：有一根钢试棒，原始长度100毫米，直径10毫米。作拉伸试验时,

载荷增加至2669公斤力时开始出现屈服现象；载荷达4710公斤力时，试样被

拉断。结果测得在变形后长度是H6毫米，细颈处直径是7.75毫米。试求钢

试样的屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率。

解：（1）求试样的截面积

居』手，毫米）

瓦＞=314：以上78.5（超米

（2）求屈承强度

』=黯=%（公斤力/亳米与

（3）求抗息强度

G-彳黑a60（公斤力/敬米今

（4）求显伸率

占=蚱4*100%,。=116（毫米），％='：100（豪米）

&fb

3=

（5）求收缩细颈面积'

招,翠，居=7.75（毫米），

（6）求断面收缩率

吗=三艮誓竺『47.1（毫米D

jJ=78Q-471x100%=40%

V78.5

（三）硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度,是衡量

材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破

坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。

1、布氏硬度：

明=索公斤力/毫米9

式中P——压力载荷（公斤力）,

F—压痕面积（毫米'）；

HB—布氏硬度值。

压痕面积的计算如下：

F=nl>2

2、布氏硬度与强度也有着如下的近似关系:

ob=0.36HB（低碳钢）

它随着不同金属材料以及.热处理情况而有所不同。低碳钢0.36,高碳钢

0.34,调质合金钢o.325.

布氏硬度试验的优缺点：

①、优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正

火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

②、缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径

的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试验。

3、洛氏硬度：(HR)测试当被测样品过小或者布氏硬度(HB)大于450

时，就改用洛氏硬度计量。试验方法是用一个顶角为120度的金刚石圆锥

体或直径为1.59mm/3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由

压痕深思求出材料的硬度。根据实验材料硬度的不同，可分为三种不同标

度来表示：

HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度极高的材料。

例如：硬质合金。

HRB是采用lOOKg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬

度较低的材料。例如：退火钢、铸铁等。

HRC是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的

材料。例如：淬火钢等

洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算

公式为：

匹=。0^2

式中：C-常数一般取0.2h-压痕深度

1-1加上初载荷后压头的位置

2-2加上初载荷+主裁荷后压头的位置

3-3卸去主载荷后压头的位置

he:卸去主教的弹性恢复

4、洛氏硬度试验的优缺点：

①、优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；压痕较小，可

在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，因而广泛用于热处理质量的检验。

②、缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的

不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的

硬度值彼此之间没有联系，也不能直接进行比较。

（四）、冲击韧性

1、冲击韧性是指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗能量大小的特性。

冲击韧性是对材料的化学成分、冶金质量、组织状态内部缺陷以及试验温度等

比较敏感的一个质量指标。冲击韧性指标用AK表示，试样缺口的形式有U型和

V型两种。

冲击试验示意图1一摆锤2一试样3一机架L指针：5；一刻度盘

试验时把标准试样安放在试验机的两支点中间，使试样的缺口背向的冲击

方向，然后把摆锤抬到一定高度H,摆锤由高处落下将试样击断，并自由回升

到高度h,根据，摆锤的重量和冲击前后的高度差可以计算出冲断试样消耗的功;

计算公式如下：

Ak=G（H-h）/F

式中H——冲击前摆锤上升高度（米）

h——冲断试样后摆锤上升高度（米）

G—-摆锤重量（公斤力）

F一一试样的横截面积

2、脆性转变温度冲击韧性与试验温度有关，有些材料在室温20℃左右

试验时，并不显示脆性，而在，比较低的温度（低碳钢在-45℃）下可能会发

生低温脆性断裂，材料由塑性状态转变为脆性状态的温度叫做“脆性转变温度”。

3、钢材的脆化

（1）.冷脆化；金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性。

⑵.热脆性；钢材长时间停留在400—500C后再冷却到室温，冲击韧度值会

有明显下降，这种现象称之为钢材的热脆性。

⑶.氢脆；钢中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。钢中的

氢主要来源三个方面

①、冶炼过程中溶解在钢水中的氢

②、焊接过程中由于水或油污在高温下分解出来的氢溶解在钢材中

③、工作介质中的氢进入钢中。氢致断裂只发生在TOO—150℃的温度范围

内。

（4）.苛性脆化；苛性脆化一般都发生在受压元件的聊接和涨接处。

(5).应力腐蚀脆性断裂；由于拉应力与介质腐蚀联合作用引起的低应力脆性

断裂

叫做应力腐蚀。应力腐蚀产生的必要条件：

①.元件承受拉应力的作用

②.具有与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境

③.材料对应力腐蚀的敏感程度。对钢材而言应力腐蚀的敏感性与的成分、

组织

及热处理情况有关。

在交爰载荷的作用下材料发生破裂的现象叫做疲劳。

1、金属材料在无数次重复的交变载荷作用下，而不致破裂的最大应力，称

为疲劳强度，或称疲劳极限。

2、金属材料的疲劳强度，与其化学成分、表面状态、组织结构、夹杂物多

少、分布情况以及应力分布等有一定关系。

3、若零件表面进行热处理、强化处理，或零件表面精细加工和避免断面的

急剧改变，都能提高零件的疲劳强度。

4、一般钢铁的弯曲疲劳强度值只有抗拉强度的一半左右。

(六)承压类特种设备的工作压力

1、对对圆筒形容器来讲，环焊缝受力只是纵焊缝的一半。

2、而对球形容器来讲由于不存在切向应力，只有经向应力。故在相同压力

和直径下，球形容器的壁厚比圆筒形容器的壁厚大约可以减少一半。

3、一般情况下压力管道以环焊缝为主。

三、压力管道常用金属

(一)常用金属材料分类

有黑色金属：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。

(二)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%o

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。

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、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。

(1)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。

(2)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。

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。

（1）性能特点：球墨铸铁的各项性菖缩标均优于可锻■，比可睇铁价格便宜。

（2）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：

QT400-15QT450-10KTH330-8

QT400-15

I____延伸率（％）

_______最低抗拉强度（MPa）

।“球铁”汉语拼音第一个字母

（三）碳素钢含碳量小于等于2.0%的铁碳合金称为碳素钢。

1、碳素钢的分类

（1）按化学成分

工业纯铁C<0.04%的Fe、C合金

低碳钢CW0.25%的钢（强度低塑性好焊接性能好Q235-A、20g、20用

于压力管道）。

中碳钢C>0.25~0.60%的钢。强度及塑性适中，用于紧固件和锻件如：35

钢。

高碳钢C>0.60%的钢强度和硬度高、塑性差，可制作弹簧、钢丝绳等。如

65Mn（C=0.62~0.7）

（2）普通碳素钢

Q——钢材屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母；

A、B、C、D-分别为质量等级；

F——沸腾钢"沸''字汉语拼音首位字母；

Z——镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；

TZ——特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。

在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ”符号可以省略。

Q235AF

F:沸腾钢，b半镇静钢，镇静钢省略

A：质量等级号,A级不做冲击试验,B级做常温V形缺口冲击试验;C、

D两级常用在重要场合下

235：屈服强度235MPa：分别为195、215、235、255、275五个等级

Q：“屈”字汉语拼音第一个字母。

（3）按品质分类

优质碳素钢（PW0.04%SW0.04%）

高级优质钢（PW0.03%S/0.02%）

（4）脱氧程度

①、沸腾钢A3F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。

②、镇静钢A3而脱氧较完全,浇铸时钢水在钢锭模内不产生CO气体遗獭叫镇静

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。

③、半镇静钢A3b进行中等程度脱氧,介于沸腾钢和镇静钢之间的钢

（四）、优质碳素钢：

1、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。

2、优质碳素钢与高级优质碳素钢相比,价格不高,是工程上应用最广泛的碳

素钢。

3、优质碳素钢的表示方法和代号

20g（25g）

II—锅炉钢

____C:0.17〜0.24%

4、压力管装中常用的牌号为08、10、20三种。

（五）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A

四、合金钢

1、合金钢分类见表1—3

表1-3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

1.低碳型合金钢，合金元素总量一般*3%；

低合金钢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。

1.中碳型合金钢，合金元素含量较低；

调质钢2.强度较高；

3.用于高温螺栓、螺母材料等。

合金结构钢

1含碳量比调质钢高；

弹簧钢2经调质处理，强度较高抗疲劳强度较高；

3用于弹簧材料。

合金钢

1高碳型合金钢，合金含量较高；

滚动轴承钢2具有高而均匀的硬度和耐磨性；

3用于滚动轴承。

1低碳高合金钢；

不锈钢2抗腐蚀性好；

3用于抗腐蚀、部分可做耐热材料。

特殊性能钢

1低碳高合金钢；

耐热钢2耐热性能好；

3用于耐热材料、部分可做抗腐蚀材料。

1低碳合金钢，根据耐低温程度合金元素有高有低；

低温钢2抗低温性好；

3用于低温材料(专用钢为银钢)。

2、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。

3、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。

合金钢表示方法及代号

XXXXXXX

III特殊用途标记,同优质碳钢部分。对高级优质合金钢,

L在其后加“A”

主要合金元素符号及其含量,其中前两位为元素符号，

后两位数字为该合金元素的平均百分比含量。数字为

-------------位数时则用一个数字表示,含量不足1.5%时可省略

1不注。有多个合金元素时则依次按此规则填写。

-----------------两位数字,表示钢中平均含碳量的万分之几。

125Cr2MoVA

1——高级优质合金钢

合金元素含量＜1.5%X仅标合金元素

1.5~2.49%标“2”

2.5~3.49%标“3”

3.5~4.49%标“4”

17~19.00%标“18”

--------------含碳量25/10000(两位数字表示)

4^不锈钢

(1)不锈钢特点

①、合金元素含量比较高,均超过10%,有的高达50%甚至更多；

②、它含有大量的