压力管道全书 (3).doc

压力管道材料部分 前言 管道材料是整个管道设计过程中的基础部分，它直接影响到压力管道的可靠性和经济性。在一个石油化工生产装置中，管道材料的费用约占整个工程投资的十分之一，而管道的材料设计涉及到管道器材标准体系的选用、材料选用、压力等级的确定、管道及其元件型式的选用等内容。 由于压力管道安全管理刚刚起步,许多从事这方面工作的技术人员对这一事物还不太了解,技术基础工作也比较薄弱。从压力管道设计认证过程中发现,一些设计单位尤其是在管道材料和管道应力方面以前考虑的较少, 因此压力管道的材料部分我们就从最基础的知识讲起，重要的不是您在本次学习班上学到了某一个知识点，而是要搞清一个设计思路，设计的每一个环节都有依据、有标准可寻。 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 金属材料的性能首先取决于它的元素组成，其次它也将受微观组织、加工方法、热处理方式等因素的影响，而工程选材主要是依据材料的性能而进行的。作为材料工程师，有必要对影响材料的有关基本知识有所了解，并能够对材料的加工方法、热处理、检查试验等提出适宜的要求，从而能够选用到既可靠又经济的材料。 有关金属材料的基本知识今天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1534℃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。 图1－1 金属的晶格 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 图1－2 金属的面心立方晶格和体心立方晶格 ◆面心立方晶格 是在立方体的8个顶点和六个面的中心处各为一个原子所占据如Al、Cu、Ni等 ◆体心立方晶格 是在立方体的8个顶点和立方体中心处各为一个原子所占据如Cr、W、Mo、Mn、V等 金属的变形，实质上就是其晶格的变形或移动。 在外力的作用下，金属内部的晶格首先将发生伸长或歪扭变形，如果去掉外力，变形的晶格将恢复正常的稳定位置，此时的金属变形称为弹性变形。 如果施加的外力足够大，以致超过了原子间的结合力，金属内部的晶格将发生错位或滑移，移位后的原子将和新位置上的原子发生“粘结“，此时就说金属发生了塑性变形。 如果再增大外力，使它能够克服整个金属断面上所有晶格滑移所需要的力，此时金属的塑性变形量将快速增加，直到金属的断裂。 对单晶体来说，晶格的变形拉伸或扭转或移位总是优先在原来结合力较小的面间进行，或者是沿原子密度最大的几何面称为晶面发生。对于每种晶胞来说，这种面越多，晶体变形越容易，表现出来的金属塑性越好。面心立方晶胞变形面较多，体心立方晶胞较少，故具有体心立方晶胞结构的金属强度最高，面心晶胞则较低。 ◆ Fe属于面心立方晶格还是体心立方晶格 1534℃～1390℃ 体心立方排列叫δ铁 1390℃～910℃ 面心立方排列叫γ铁 910℃以下 体心立方排列叫α铁 α铁 γ铁 δ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 钢铁是一种Fe、C合金，C是以怎样的形式与Fe构成合金呢 在铁的晶格中，原子之间是有一定空隙的，碳原子半径较小，可以嵌在Fe的晶格中构成固溶体。它不破坏Fe的晶格结构。 ◆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。 体心立方晶格Fe原子之间空隙小，溶碳能力小，室温溶碳0.006％，723℃溶碳最大0.02％。强度和硬度低，韧性和塑性好。 ◆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。 面心立方晶格Fe原子之间空隙大，溶碳能力最大2.06％。C的大量溶入，使其具有一定的强度和硬度，良好的塑性。 ◆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。（其硬度极高，塑性几乎零。渗碳体含C 6.67％，熔点1600℃） ◆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 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。 图1－3 铁碳合金相图 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（а）、奥氏体（γ）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） 1 C一般铸铁碳素钢合金钢奥氏体不锈钢。 2可铸性 它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺陷的倾向性。常用的金属材料中铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。 3可锻性 它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。一般情况下，金属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。脆性材料无可锻性。 4可焊性 它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。 5热处理性能金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。 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。 对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。 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 金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。 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。通常把这种变形称做材料的蠕变。 ◆一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300～350℃，对铬钼合金钢则为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。材料的这种现象称做应力松弛。应力松弛实际上是蠕变发生的另一种表现形式。 高温下工作的螺栓常因应力松弛而导致法兰泄漏，所以此时应选用抗蠕变能力高的铬钼钢材料作为高温螺栓材料。对于加工残余应力和焊接残余应力，由于应力松弛而使其减弱或释放，从而可减缓或消除它们带来的不利影响。 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450℃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425℃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。为安全起见，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。 ◆以碳钢为例，当它处于570℃的空气中时，会产生FeOFe304 Fe203氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。 ※一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下如烧焦时才可能这样做。常用材料的抗氧化极限温度列于表1-2。 表1-2 常用金属材料的抗氧化极限温度 钢材牌号 抗氧化极限温度℃ 碳素钢 12CrMo 15CrMo 1Cr5Mo 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2 0Cr25Ni20 ≤560 ≤590 ≤590 ≤650 ≤850 ≤1100 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，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性冲击功的限制。 1.4 常见元素对金属材料性能的影晌 应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于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 压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25～0.45的亚共析钢。 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、砷b、锑Sb等杂质元素 a 碳C在碳素钢中的作用 1）碳素钢随含碳量的增加，其强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。 2当含碳量大于0.25时，碳钢的可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25的碳钢。 3含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。 b硅S在碳素钢中的作用 1 判断其脱氧程度。为了保正碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量应≮0.1。 ◆硅是碳素钢中的常见元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲合力仅次于铝和钒，而强于Mn、Cr、V，所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。 2起到提高硬度和强度的作用。硅含量超过3％时，将显著地降低钢塑性、韧性和可焊性。 c硫（S）、氧0在碳素钢中的作用 硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物如FeS、FeO型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是S的存在常引起材料的热脆。 硫和磷常是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。 d磷P、砷As、锑Sb在碳素钢中的作用 磷、砷、锑在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性。 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％的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25％～0.45％的铬钢和铬钼钢。 主要影响元素碳C、锰Mn、铬Cr、Mo、V、Si、Al 杂 质 元 素S、O、P、As、Sb、 a碳C在低合金钢中的作用同碳素钢部分。 b锰Mn在低合金钢中的作用 1 锰与铁形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。它使材料的延展性有所降低; 2 增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量应在1％～2； 3）锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数量的锰； 4）锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好； 5）锰对钢的焊接性有不利的影响； c铬Cr在低合金钢中的作用 铬在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度为12.5％。 1） 铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。 2）显著提高钢的脆性转变温度，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加下降。 c.在含铬的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。 d钼Mo在低合金钢中的作用 钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体;当含量较高时，则形成特殊碳化物。 1 钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。 2 钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。 3 钼还可有效地抑制渗碳体在450℃650℃工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。 4钼在钢中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。 5）钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。 ◆一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。 e 钒V在低合金钢中的作用 钒在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度约1.35。 钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。 1 钒增加钢的热强性和对蠕变的抗力。钒能有效地固定钢中的碳和氮，并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒，即使在高温下，聚合长大也极缓慢.。 ◆一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12CrlMoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。 2 含钒钢在热处理中，能提高晶粒粗化的温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等，尤其是它能提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性，因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。 3 由于钒对碳的固定作用，在高温下，对抗氢腐蚀脱碳和脆化是有益的。 ◆在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右，过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用，过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。 f 硅st在低合金钢中的作用 硅作为杂质元素时，它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同。 作为合金元素时一般应不低于0.4，硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。 1 硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用 ◆在常见元素中仅次于磷，而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。但硅含量若超过3时，将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。 2当硅含量达到一定值时，它对钢的抗腐蚀性能有显著的增强作用。 ◆ 硅含量为15～20的硅铸铁是很好的耐酸材料，对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定，但在盐酸和王水的作用下稳定性很小，在氢氟酸中则不稳定。 3提高钢在高温时的抗氧化性。含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成SiO2薄层。 g 铝AL在低合金钢中的作用 1）时能提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。因此，铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中，得到了广泛的应用。 2）铝在铁素体及珠光体钢中，当它的含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。 3）当铝含量达到一定量时，可使钢产生钝化现象，使钢在氧化性酸中具有抗蚀性，但使钢的焊接性变坏。 4）铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。铝含量在4左右的钢，在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。 5）铝对钢在水蒸汽、氯气、特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。 h硫S、氧0、磷P、砷As、锑Sb等杂质元素在低合金钢中的作用 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％的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。 高合金钢中，主要影响元素碳C、铬Cr、钼Mo、镍Ni、钛TI、硅Si等； 杂质元素硫S、磷P、砷As、锑Sb等。 a碳C在高合金钢中的作用 碳也是高合金钢中的强化元素，但不是主要强化元素，此时的强化元素主要是合金元素。为了满足高合金钢的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能的要求，它的含碳量一般不大于0.1。 对于铬镍或铬镍钼奥氏体不锈钢，它的含碳量一般不大于0.08。当其含碳量小于等于0.03时，由于含碳量较低，高温强度也较低，故不宜用于525℃及以上的温度环境中。作为高温下耐热用的高合金钢，其含碳量应大于等于0.04％，但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。 b钼在高合金钢中的作用 与在低合金钢中的作用相似。 c镍Ni在高合金钢中的作用 它是奥氏体不锈钢中的主加元素。 镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化。 1 镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能。 ◆含镍量超过一定值的碳钢，其低温脆化转变温度显著降低，而低温冲击韧性显著提高，因此镍钢常用作低温材料。一般情况下，含镍达到3.5的镍钢可以在-100℃低温下使用；含镍达到9的镍钢可在－196℃超低温下使用。含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳性能。 2 镍是有一定抗腐蚀能力的元素，对酸、碱、盐以及大气均具抗蚀能力 ◆镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆。在高温时镍将与一氧化碳化合形成NiCO4气体而由合金中逸出，从而在材料中留下孔洞。 3）在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化。 镍不增加钢对蠕 变的抗力，因此一般不作为热强钢中的强化元素。钢的强度必须靠其它元素如钼、钨、钒、铁、铝来提高。 d 钛Ti在高合金钢中的作用 钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧的亲合力也极强，是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素，正因为这样，含钛的高合金钢不宜用作铸件。 1） 由于钛能固定碳，有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。 2） 钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。 e硅S在高合金钢中的作用 1）各种奥氏体不锈钢中加入约2的硅，可增强它们的高温不起皮性 2）在铬、铬铝、铬镍、等钢中加入硅，都将提高它们的高温抗氧化性