压力管道知识1

压力管道

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+（0.05-4%）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1534C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

♦be的晶格形式

1534℃~1390℃体心立方排列叫8铁

1390℃~910℃面心立方排列叫Y铁

910℃以下体心立方排列叫a铁

a铁Y铁<=>8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。

1.13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。

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。

1.2.1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pGg/m'）、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。

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（0.25〜0.35）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，考虑微发生的起始温度为300〜350c对铭铝合金钢则为400〜450a

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。

♦般情况下，碳钢长期处于450C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425c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.

2常用金属材料

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。

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可将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁三类。

铸铁命名：根据GB9439的规定铸铁的牌号表示方法：

QT400-15QT450-10

I_____延伸率（％）

最低抗拉强度（MPa）

----------“球铁”汉语拼音第一个字母

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

a.按化学成分

/-普通碳素钢(PW0.05%S<0.05%)

b.按品质分类物质碳素钢(PW0.04%SW0.04%)10,15,20,25

高级优质钢(PWO.03%SW0.02%)

C平炉钢普碳钢、低合金钢、优质碳素钢

冶炼设备转炉钢普碳钢

电炉钢优质钢和合金钢

C.冶炼方法＜

r沸腾钢A3F

脱氧程度

、J镇静钢A3

、半镇静钢18Nbb（18银半）

’结构钢

d.按用途J承压用钢（压力容器用、锅炉用钢）

I工具钢

特种用途钢

r铸钢

锻钢用锻造方法生产的各种锻材和锻件。锻钢的质量和机械性能都优于铸钢，能承

e.按成型方法受大冲击力的作用，用于重要的受力零件。

Jr热轧钢

轧钢＜

V冷轧钢

、冷拔钢

2.2.2普通碳素钢

♦普通碳素钢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。

♦普通碳素钢根据其冷炼过程的脱氧程度不同可分为沸腾钢、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。

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。

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。

普通碳素钢的表示方法和代号发GB700标准

Q235AF

II।——F沸腾钢，b半镇静钢，镇静钢省略

——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

I-----------材料的屈服强度,MPa。分别为195、215、235、255、275五个等级

I---------------"屈”字汉语拼音第一个字母。

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，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G822/标准:

XXXXXXX

।-------特殊用途标记，R压容用钢；g锅炉用钢；D低温用钢

如为沸腾钢或半镇静钢淌应加“F"或"b"

-------含镒元素的量达到0.7%以上时，或特意加入的其它元素，为该元素的化

学符号，如Mn、Si等(16MnR)

I-------------------两位数字,表示钢中平均含碳量的万分之几如：10、20、25、35等

I-------------------------“ZG”表示铸钢，铸钢以外的生产方法不表示。

2.2.4高级优质碳素钢

其各方面性能略优于优质蹑钢，但价格较高，高级优质碳素钢在优质■钢的牌号后加A

2.3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。

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。

2.3.1合金钢分类

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。

a.低合金钢

低碳型合金钢，合金元素总量一般生3%；强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，

可焊性尚可；低合金钢有碳镒系、碳镒钿系、铭钥系、铭钥钮系

♦碳镒系和碳镒机系

♦铭钥系和铭钥铀系

XXXXXXXXX

一特殊用途标记，同优质碳钢部分。对高级优质合金钢，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。数字为一位数时则用一个数字

表示，含量不足1.5%时可省略不注。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。

两个字母“ZG”铸钢，铸钢以外的生产方法不表示。

b.调质合金钢

c.不锈钢

♦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

!Crl8Ni9Ti0Crl8Ni900Crl8Nil8

-合金元素表示方法同低合金钢

।----------------含碳量千分之几（一位数表示）

C<0.1%用“0”表示“低碳”

<0.03%用“00”表示“超低碳”

♦常用不锈钢

1）奥氏体不锈钢

2）奥氏体一铁素体型不锈钢

3）铁素体型不锈钢

4）马氏体不锈钢

5）沉淀硬化型不锈钢

d.耐热钢

e.低温用钢（银钢）

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。

世界各国应用标准大体上分为两大类。

♦管子一一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）

♦法兰：欧式法兰和美式法兰

压力等级：PN0.10250.61.01.6254.06310.016.025.040.0MPa欧式法兰

(DIN)

压力等级：PN2.05.06.810.015.025.042.0MPa美式法兰（ANSI）

CL15030040060090015002500Psi

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。

♦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。

2）以钢管壁厚尺寸表示中国、ISO、日本部分钢管标准采用

3）是以管子重量表示管壁厚度

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

以管法兰标准为例，常用的标准就有国家标准（GB）、机械行业标准（JB）、石化行业标准（SH）

和化工行业标准(HG)等。这些标准各有各自的温度-压力表、密封面尺寸和接管尺寸,相互之

间互换性差，有些甚至不能配套使用。

4.2.1石化行业应用标准体系

♦管子尺寸系列标准(SH3405)基本属于“大外径系列”

SH3405等效采用了IS04200标准，故当DNW1100mm时,它能与ANSIB36.1/36.19标准

配套使用。

SH3405直径范围和壁厚分级:

序号钢管类别公称直径范围壁厚分级

1奥氏体不锈钢无缝钢管10〜400Sch5s、Schl0s>Sch20s>Sch40s、Sch80s

2碳素钢、合金钢无缝钢管10〜600Sch20、Sch30>Sch40>Sch60>Sch80>SchlOO、

Schl20>Schl40>Schl60>XXS

3奥氏体不锈钢焊接钢管80-10002.0~12mm

4碳素钢、合金钢焊接钢管150〜20004.0~18mm

♦法兰标准(SH3406)：属于“美式法兰"

公称压力：PNLO、PN2.0(CL150)>PN5.O(CL3OO)>PN6.8(CL400)、PN10.0(CL600),

PN15.0(CL900)>PN25.0(CL1500)、PN42.0(CL2500)8个等级

法兰密封面：当DNW600时，凸台面、凹凸面、全平面、樟槽面、环槽面5种

DN2650时，凸台面1种

法兰型式：当DNW600时，平焊、对焊、承插焊、螺纹连接、松套5种

DN2650时对焊1种

♦石化行业应用标准体系中的常用标准

4.2.2化工行业应用标准体系

♦管子尺寸系列标准(HG20553)A系列：属于“大外径系列”

B系列：属于"小外径系列"

♦法兰标准同时包含欧式法兰和美式法兰

欧式法兰(HG20592〜HG20605)

压力等级:PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0等10个等级

法兰型式：板式平焊、带颈平焊、带颈对焊、整体式、承插焊、螺纹、对焊环松套、平

焊环松套、法兰盖、衬里法兰等10种

密封面型式：突面、凹凸面、桦槽面、环连接面、全平面等5种。

美式法兰标准(HG20615-HG20626)

公称压力：PN2.0、PN5.0、PN11.0、PN15.0、PN26.0和PN42.06个压力等级

法兰型式：带颈平焊、带颈对焊、整体法兰、承插焊、螺纹、松套等6种，

密封面型式突面、凹凸面、梯槽面、环连接面、全平面等5种型式。..

♦化工行业应用标准体系中的常用标准

5管道压力等级

管道的压力等级包括两部分：

以公称压力表示的标准管件的公称压力等级；

以壁厚等级表示的的标准管件的壁厚等级。

管道的压力等级：通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管

道承压特性的参数叫做管道的压力等级。而习惯上为简化描述，常把管道

中管件的公称压力等级叫做管道的压力等级。

5.1设计条件

工程上，工艺操作参数不宜直接作为压力管道的设计条件，要考虑工艺操作的波动、相

连设备的影响、环境的影响等因素，而在工艺操作参数的基础上给出一定的安全裕量作为设

计条件。这里所说的设计条件主要是指设计压力和设计温度。

管道的设计压力:应不低于正常操作时，由内压（或外压）与温度构成的最苛刻条件下的压力。

最苴刻条件j是指导致管子及管道组成件最大壁厚或最高公称压力等级的条件。

设计压力确定：考虑介质的静液柱压力等因素的影响，设计压力一般应略高于由（或）外压与

温度构成的最苛刻条件下的最高工作压力。

5.1.2设计温度

管道的设计温度:应不低于正常操作时；由内压（或外压）与温度构成的最苛刻搽件下的踱。

最苛刻条件指导致管子及管道组成件最大壁厚、最高公称压力等级或最高材料等级的条件。

设计温度的确定：考虑环境、隔热、操作稳定性等因素的影响，设计温度应略高于由内压

（或外压）与温度构成的最苛刻条件下的最高工作温度。

5.3.2腐蚀余量

腐蚀余量是考虑因介质对管道的腐蚀而造成的管道壁厚减薄，从而增加的管道壁厚值。

它的大小直接影响到管道壁厚的取值，或者说直接影响到壁厚等级的确定。

5.3.3管子及其元件的制造壁厚偏差

管子及其元件在制造过程中，相对于其公称壁厚（或者叫理论壁厚）都会有正、负偏差,

因此在确定管子及其元件公称壁厚时一定要考虑可能出现的负偏差值。

6管道器材选用

压力管道的管子及其元件的选用包括应用标准、材料标准、结构形式、连接形式等内容的选定。它是

管道压力等级内容的延伸。

6.1管子

在我国的钢管制造标准中，有结构用钢管和流体输送用钢管之分。

6.1.1焊接钢管

6.1.2无缝钢管

无缝钢管是采用穿孔热轧等热加工方法制造的不带焊缝的钢管。必要时，热加工后的管子

还可以进一步冷加工至所要求的形状、尺寸和性能。目前，无缝钢管（DN15一

600）是石油化工生产装置中应用最多的管子。

6.2管件

6.3法兰及紧固件

法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构，压力管道中应用很普遍也是一种

很重要的连接形式。通常，法兰、螺栓与垫片三者共同构成一个密封副，三者共同作用，相

辅相承，才能保证接头的良好密封。

盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓关系比较密切，常与它们

配合使用。

6.3.1法兰

a.法兰种类

♦结构型式管道法兰按与管子的连接方式分为以下六种基本类型：平焊、对焊法、承

插焊、松套、螺纹法兰和整体法兰。

♦密封面型式法兰密封面有全平面、凸台面、凹凸面、桦槽面、环槽面等五种。

♦法兰代号

不同的标准其法兰的密封面及型式的名称、代号略有区别。见表6—1、表6—2。

表6-1密封面名称及代号对照表

序号SH3406-96HG20592—20635-97JB/T74〜90—94GB9112-2000

1全平面（FF）全平面（FF）平面（FF）

2凸台面（RF）突面（RF）凸面突面（RF）

3凹凸面（MF）凹凸面（MFM）凹凸面凹凸面（MF）

4梯槽面（TG）梯槽面（TG）梯槽面梯槽面（TG）

5桦槽面（TG）环连接面（RJ）环连接面环连接面（RJ）

表6—2结构型式代号对照表

序号SH3406-96HG20592—20635-97JB/T74-90-94