金属压力管道选材

压力管道材料一常用金属材料的基本限制条件点击次数：990

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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倍铝合金钢

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•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。一般情况卜，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0Crl3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，应从以下儿个方面来考虑：

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13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-29〜343℃的受压或非受压管道；

2）不得用于输送介质温度高于150C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）应限用在设计压力岂）.6MPa,设计温度为。〜250℃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。〜400℃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PW0.6MPa；使用温度为0〜250℃,钢板厚度:M2mm；

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PWLOMPa；使用温度为0〜350℃；钢板厚度生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PS1.6MPa：使用温度为0〜350C；钢板厚度左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PS2.5MPa：使用温度为0〜400℃；钢板厚度440mm；

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，镒钢（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。锦钢（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卜一工作时，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；

&碳素钢、碳钵钢和钵锐钢在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。

£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、交变载荷情况卜的碳素钢材料宜是经过炉外精炼的材.料。

3.2.4倍铝合金钢

常用的铭铝合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，其使用限制条件如下：

a.碳铝钢（C-0.5M。）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F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.铭铝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.含铭12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400-550C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

"C以上温度使用；

b.奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540〜900℃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25x10-6：

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3—1常用金属材料的使用温度

材料使用温度匕

10、20-20〜425

16Mn-40-450

09Mn2V-70-100

12CrMo<525

15CrMo<550

lCr5Mo<600

低碳奥氏体不锈钢(018CrNi9,0Crl7Nil2Mo2,0Crl8Nil9Ti)-196-700

超低碳奥氏体不锈钢(00Crl9Nil0)-196-400

超低碳奥氏体不锈钢(00Crl7Nil4M。2)-196-450

0Cr25Ni20<800

法兰(flange)

高压法兰(sae法兰JBZQ4187-97)

又叫法兰盘或突缘。

使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰管件(flangedpipe

fittings)指带有法兰(突缘或接盘)的管件。它可由浇铸而成(图暂缺)，也可由螺纹连接或焊接构成。法兰联接(flange,joint)由

一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后

产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。法兰联接是一种可拆联接。按所联接的部件可分为容器法兰及管

法兰。按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。平焊法兰的刚性较差，

适用于压力p<4MPa的场合；对焊法兰又称高颈法兰，刚性较大，适用于压力温度较高的场合。法兰密封面的型式有三种：

平面型密封面，适用于压力不高、介质无毒的场合；凹凸密封面，适用于压力稍高的场合；桦槽密封面，适用于易燃、易爆、

有毒介质及压力较高的场合。垫片是一种能产生塑性变形、并具有一定强度的材料制成的圆环。大多数垫片是从非金属板裁

下来的，或由专业工厂按规定尺寸制作，其材料为石棉橡胶板、石棉板、聚乙烯板等；也有用薄金属板（白铁皮、不锈钢）将

石棉等非金属材料包裹起来制成的金属包垫片；还有一种用薄钢带与石棉带一起绕制而成的缠绕式垫片。普通橡胶垫片适用

于温度低于120C的场合；石棉橡胶垫片适用于对水蒸气温度低于450℃,对油类温度低于350C,压力低于5MPa的场合,

对于一般的腐蚀性介质，最常用的是耐酸石棉板。在高压设备及管道中，采用铜、铝、10号钢、不锈钢制成的透镜型或其他

形状的金属垫片。高压垫片与密封面的接触宽度非常窄（线接触），密封面可垫片的加工光洁度较高。

法兰分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。低压小直径有丝接法兰，高压和低压大直径都是使用焊接法兰，不同压力的法

兰盘的厚度和连接螺栓直径和数量是不同的。

根据压力的不同等级，法兰垫也有不同材料，从低压石棉垫、高压石棉垫到金属垫都有。

1.以材质划分碳钢，铸钢，合金钢，不锈钢，铜，铝合金，塑料，量珞沥，ppc等。

2.以制作方法划分可分为锻造法兰，铸造法兰，焊接法兰，卷制法兰（超大型号）

3.以制造标准划分可分为国标（化工部标准、石油标准、电力标准）、美标、德标、日标、俄标等。

国际上管法兰标准的几个体系

1、法兰连接或法兰接头，是指由法兰、垫片及螺栓三者相互连接作为一组组合密封结构的可折连接，管道法兰系指管道

装置中配管用的法兰，用在设备上系指设备的进出口法兰.

2、国际上管法兰标准的几个体系

1）欧洲法兰体系：德国DIN（包括苏联）

a、公称压力：0.1,0.25,0.6,1.0,1.6,2,5,4.0,6.4,10.0,16.0,25.0,32.0,40.0,Mpa

b、公算通径：15~600mm

c、法兰的结构型式：平焊板式、平焊环松套式、卷边松套式、对焊卷边松套式、对焊环松套式、对焊式、带颈螺纹连接

式、整体式及法兰盖

d、法兰密封面有：平面、凹面、凹凸面、梯槽面、橡胶环连接面、透镜面及膜片焊接面

e、苏联于1980年发布的OCT管法兰同录标准与德国DIN标准相似，不再追述

2）美洲法兰体系：美国ANSIB16.5《钢制管法兰及法兰管件》ANSIB16.47A/B《大直径钢制法兰》

a、公称压力:150psi（2.0Mpa）,300psi（5.0Mpa）,400psi（6.8Mpa）,600psi（10.0Mpa）,900psi（15.0Mpa）,

1500psi（25.0Mpa）,2500psi（42.0Mpa）,

b、公算通径：6~4000mm

c、法兰的结构型式：条焊、承插焊、螺纹连接、松套、对焊及法兰盖

d、法兰密封面：凹面、凹凸面、梯槽面、金属环连接面

3）***JIS管法兰：在石油化工装置中一般仅用于公用工程，在国际上影响较小，在国际上没有形成独立体系。

3、我国钢制管法兰国家标准体系GB

1）公称压力：0.25Mpa~42.0Mpa

a、系歹！J1：PN1.0,PN1.6,PN2.0,PN5.0,PN10.0,PN15.0,PN25.0,PN42（主系列）

b、系列2：PN0.25,PN0.6,PN2.5,PN4.0

其中PN0.25,PN0.6,PN1.0,PN1.6,PN2.5,PN4.0共6个等级的法兰尺寸系属于以德国法兰为代表的欧洲法兰体系,

其余为美国法兰为代表的美洲法兰体系。

在GB标准中，从属于欧洲法兰体系的公称压力级最大的为4Mpa,从属于美洲法兰体系的公称压力级最大为42Mpa»

2）公称通径：10mm-4000mm

3）法兰的结构形式：

整体法兰

单元法兰

a、螺纹法兰

b、焊接法兰对焊法兰

带颈平焊法兰带颈承插焊法兰板式平焊法兰

c、松套法兰对焊环松套带颈法兰对焊环松套板式法兰平焊环松套板式法兰板式翻过松套法兰

d、法兰盖（盲孔法兰）

e、旋转法兰

f、锚固法兰

g、堆焊/覆焊法兰

4）法兰密封面：平面、凹面、凹凸面、梯槽面、环连接面

二、仪表常用的管法兰标准体系

1、DIN标准

1）常用压力等级：PN6,PN10,PN16,PN25,PN40,PN64,PN100,PN160,PN250

2）法兰密封面：raisedfaceDIN2526c突面法兰groouedacc.DIN2512N梯槽面

2、ANSI标准

1）常用压力等级：CL150,CL300,CL600,CL900,CL1500

2）法兰密封面：ANSIB16.5RFflanges突面法兰

3、JIS标准：不常用

1）常用压力等级：10K,20K

法兰连接种类

板式平焊法兰

带颈平焊法兰

带颈对焊法兰

承插焊法兰

螺纹法兰

法兰盖

带颈对焊环松套法兰

平焊环松套法兰

环槽面法兰及法兰盖

大直径平板法兰

大直径高颈法兰

八字盲板

对焊环松套法兰

旋转法兰

锚固法兰

堆焊/覆焊法兰

法兰连接

法兰（flange）连接就是把两个管道、管件或器材，先各自固定在一个法兰盘上，两个法兰盘之间，加上法兰垫，用螺栓紧固

在一起，完成了连接。有的管件和器材已经自带法兰盘，也是属于法兰连接。法兰连接是管道施工的重要连接方式。

法兰连接使