基本压力管道材料知识讲座-华中科大讲义

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+(0.05—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

♦Fe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

910C以下体心立方排列叫a铁

a铁Y铁6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（a）、奥氏体（Y）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：

C=0.8%珠光体共析钢

C<0.8%铁素体+珠光体亚共析钢（GS亚共析钢线）

00.8%渗碳体+珠光体过共析钢（ES过共析钢）

GS线：（X0.8%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：0.8%<C<2.06%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）o

PSK线：铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Acl）,或者冷却时奥

氏体向珠光体转变的温度线（Ari）o

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：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，儿乎总是

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。

完全退火一将钢加热到GS线以上20~30℃,经保温后随炉缓冷或埋在保温

灰中缓冷。

低温退火一加热至小于临界点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。

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P（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（0.25〜0.35）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，考虑蠕变发生的起始温度为300〜350C,对铭铝合金

钢则为400〜450℃。

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450ro

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)、神⑹、镖(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)、碑(As)、睇(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%的碳钵钢、硅钢、

铭铝钢、铭铝钢钢和铭铝钢铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25%〜0.45%

的铭钢和铭铝钢。

主要影响元素：碳(0、铢(Mn)、铭(Cr)、Mo、V、Si、Al

杂质元素：S、0、P、As>Sb、

a碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。

b镒(Mn)在低合金钢中的作用

c铭(Cr)在低合金钢中的作用

d钥(Mo)在低合金钢中的作用

e钢(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⑸、氧(0)、磷(P)、碑(As)、睇(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%的铭钥、铭银、铝银钥耐热钢

和不锈钢。

高合金钢中，其主要影响元素：碳(C)、铭(Cr)、钥(Mo)、银(Ni)、钛(TI)、硅

(Si)等；

杂质元素：硫⑸、磷(P)、神(As)、睇(Sb)等。

a碳(C)在高合金钢中的作用

b铝在高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。

c镇(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U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"的名称也由此而出淇实它仍为不可锻。

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：

QT400-15QT450-10KTH330-8

I____延伸率(％)

__________最低抗拉强度(MPa)

------------“球铁”汉酬音第一t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

‘工业纯铁CW0.04%的Fe、C合金

低碳钢CW0.25%的钢(强度低茎性好焊接性能好Q235-A、20g>20用于管道压容)

a.按化学成型中碳钢00.255.60%的钢.强度及塑性适中，用于紧固件和锻件如：35钢

(含嵌量)高碳钢00.60%的钢强度和硬度高、建性差，可制作弹簧、钢丝绳等.如

、65Mn(c=0.62~0.7)

r甲类钢A按机械性能供应钢Al,A2,A3-A7

(普通碳素钢.乙浜钢B按化学成分供应的钢BLB2,…B7等

(PS0.05%

SW0.05%)[特美钢C按机械性能+化学成分C1,C2,C3-C

<

b.朝质分类演(PW0.04%S<0.04%)10,15,20.25

【高级(PW0.03%SW0.02%)

r平炉钢普磔钢、低合金钢、优质碳素钢

’冶炼设备.转炉钢普碳钢

电•

c.m^<

「沸腾钢A3F

.镇静钢A3

ISNbb(18

结构钢

d按用途I承压用钢在力容器用、锅炉用钢)

］工具钢

I特种用途钢

r\高级铸钢S、P^O.04%

II优级铸钢S,P40.05%

/铸钢jIII普通级铸钢S、PC0.0686

一般阀门均为他钢，一般应注明级别，不注为III级.适用于制造一型形状复杂,

I难以进行铸造和切削加工成形而又要求较高的强胸塑性的零件.

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.

?

「热轧钢表面质量及尺寸精度粒差，不能轧制细、薄的钢材.主要用来生产

.1型钢、钢管、钢板等大型钢材.

轧钢］冷轧钢与热轧相比，表面光洁、尺寸精确、机械性能好.常用来轧制表

面质量优良和尺寸精确的板、管、带等细薄产品.

I冷拔钢以蒸轧钢为原料，在冷态下进行多次拉拔而成的各种钢材.特点：精度高、

表面质量好.主要用于生产钢丝和小直径园钢和钢管.

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•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疫G8700标准

Q235AF

।一F沸腾钢，b半镇静钢，镇静钢省略

一质量等级号A级不做冲击试验巨级做常温v形缺口冲击试验；

C,D两缓常用在重要场合下

----硼的屈眼强度,MPa.分别为195、215、235、255、275五个等级

-----------"屈”字漏拼音第一个字母。|

♦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GB700o

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皮G822/标准:

08F

I—沸赛钢

万分之几“C”|

20g(25g)

II-锅炉钢

I_C:0.17~0.24%

XXXXXXX

।------特殊用途标记，R压容用姻；g锅炉用钢；D低温用钢

如猛监钢或半镇静钢商应加“产或-V

------含钵元素的量达到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、SiW(16MnR)

I____两国断字演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U矽卜的生产方法不表示.

♦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2—1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，合金元素总量一般生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。

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。

合金钢

1高碳型合金钢，合金元素含量较低；

合金工具钢量具钢2具有高的硬度和耐磨性，机加工性能好，稳定性好；