专题三、典型工业管道材料

材料的使用性能-力学性能-塑性 2.塑性：指在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形 而不破坏其完整性的能力。一般用断后伸长率A%和/或 断面收缩率Z%来表示；延伸率A和断面收缩率Z的值越大， 说明材料的可塑性或变形能力越大。



按冶炼方法分类 1）按炉种分类 ①平炉钢：酸性平炉钢；碱性平炉钢。 ②转炉钢：酸性转炉钢；碱性转炉钢。 或底吹转炉钢；侧吹转炉钢；顶吹转炉钢。 ③电炉钢：电弧炉钢；电渣炉钢；感应炉钢；真空自耗炉 钢；电子束炉钢。 2）按脱氧程度和浇注程度分： 沸腾钢（F）；半镇静钢（b）； 镇静钢（Z）；特殊镇 静钢（TZ）。
江苏省特检院南通分院 杨刘平



来自百度文库
1.材料的基础知识 1.1材料的基础术语 1.2材料的分类 1.3材料的性能 2.压力管道常用材料 2.1常用的黑色金属材料 2.2常用的有色金属材料 2.3非金属材料 3.标准、规范对压力管道用材的要求


近几十年来,随着经济的发展以及能源结构的转变, 压力管道已成为工业生产、人民生活中广泛使用的一类 特种设备。压力管道的安全运行与生产、生活关系极为 密切,保证压力管道的安全运行的意义重大。 由于压力管道安装的场所常为室外露天,环境多变, 而管道运输的又往往是最高工作压力大于或者等0.1MPa （表压），介质为气体、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。所以,压力管道往往受外界条件和内部介 质的影响较大,工况条件复杂多变,相应的对材料的要求 也存在较大差异。


球墨铸铁：碳以球状石墨分布则称球墨铸铁，其机 械性能、加工性能接近于钢。 钢：含碳量在0.02%-2.06%之间的铁碳合金称为钢。 为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。 钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷， 以及其他的Nb、V、Ti、Cr、Mo等合金元素。




按化学成份：




碳素钢简称“碳钢”：除铁、碳外主要含有少量Si、 Mn、S、P 杂质， 总含量不超过2％，按含碳量分 为： 低碳钢——含碳量小于0.25％ 中碳钢——含碳量0.25~0.6％ 高碳钢——含碳量大于0.6％



合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它一些合金 元素Cr、Ni Mo、W、V、B 等。根据添加元素不同， 并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、 耐磨、耐腐蚀、耐低/高温、无磁性等特殊性能。 按合金元素不同分为： 低合金钢——合金总含量小于5％ 中合金钢——合金总含量5~10％ 高合金钢——合金总含量大于10％




按用途分类 1）建筑及工程用钢：普通碳素结构钢；低合金结构钢； 钢筋钢。 2）结构钢：机械制造用钢；弹簧钢；轴承钢 3）工具钢：碳素工具钢；合金工具钢；高速工具钢。 4）特殊性能钢：不锈耐酸钢；耐热钢；电热合金钢；耐 磨钢；低温用钢；电工用钢。 5）专业用钢：如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉、压力容器 用钢、农机用钢等。


使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠 性和使用寿命 工艺性能决定了材料被加工的难易程度，它对制 造成本、生产效率、产品质量有重要影响




使用性能 对于使用性能-物理性能 物理性能：是金属固有的属性，包括密度、熔点、 导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。由于材料用 途不同，对其物理性能要求也有所不同。例如，飞 机零件常选用密度小的铝、镁、钛合金来制造；设 计电机、电器零件时，常要考虑金属材料的导电性 等。 金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影 响。例如，高速钢的导热性较差，锻造时应采用低 的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；
通常在压力管道设计、安装过程中，所选用的金属 材料大多以力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握 金属材料的力学性能是非常重要的。 材料的使用性能-力学性能-强度 1.强度是指金属材料在外力作用下抵抗变形或断裂的 能力。钢的强度指标有抗拉强度和屈服强度、疲劳 强度、蠕变强度等。而其中以抗拉强度和屈服强度 为钢材最常用的强度指标。强度指标的单位按国际 单位制，单位为MPa（兆帕）。
1.2金属材料的分类 1.2.1分类方法 1.）按品质进行分类； 2.）按化学成分进行分类； 3.）按成型方法； 4.）按金相组织； 5.）按用途； 6.）按冶炼方法； 7.）按供货状态；




按品质进行分类 普通钢：P≤0.045% S≤0.050%（如普通碳素结 构钢Q235等）； 优质钢：P≤0.040% S≤0.040%（如优质碳素结 构钢20#、45#钢等）； 高级优质钢：P≤0.035% S≤0.030%（比优质钢 更优质，一般在钢号后加A以 示区别，如08A等）




1.材料的基础知识 1.1材料学的几个基本概念 金属：是指金属元素或以金属元素为主构成的具有 金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属 化合物和特种金属材料等。是一种具有光泽（即对 可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、导热 等性质的物质。 非金属：由非金属元素或化合物构成的材料，常常 指金属以外的其它材料，如高分子材料、陶瓷材料 以及由其两种以上非金属构成的复合材料。





1.3金属材料性能 为合理使用压力管道材料，充分发挥其作用， 必须掌握各种材料所具备的性能。对于金属材料而 言，材料性能一般包括使用性能和加工工艺性能两 个方面。 使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现的性 能，包括材料的 物理性能 化学性能 力学性能



工艺性能：是指材料承受各种冷、热加工的能力。 冷加工性能，如冷冲压、弯曲成型、加工硬化； 热加工性能，如焊接、热处理、热压成型等。




1.2.4焊接钢管分类 按材料成分：碳素钢焊接钢管、合金钢焊接钢管和 不锈钢焊接钢管; 按成型焊接方法分：直缝高频焊接钢管（HFW）、 直缝埋弧焊接钢管（SAWL）、螺旋缝埋弧焊接钢管 （SAWH ）、激光焊接钢管（LW）、氩弧焊接钢管 （TIG）、等离子焊接钢管„„.. 按用途分：石油天然气输送管道用、油气井油管/ 套管用、普通流体输送管道用、桩用„„；

选用压力管道的材料，要求它具有较高的强度，保 证管道承受压力等载荷和减小管道的壁厚。但是， 高强度钢往往塑性和韧性都较差，焊接时也较容易 产生裂纹等缺陷。同时，某些介质的应力腐蚀，对 高强度钢也比较敏感。例如液氨、硫化氢等的应力 腐蚀都与材料的强度有密切关系。因此必须根据管 道的使用条件（压力、温度、介质特性等）选用合 适的强度，在保证塑性韧性和可焊性的前提下，力 求提高材料的强度级别。




而材料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又 如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所 选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。 对于使用性能-化学性能 化学性能：金属在化学介质作用下所表现出来的性 能，包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。 对于腐蚀介质中或在高温下工作的管道，由于比在 空气中或室温时的腐蚀更为强烈，故在设计这类管 道时应特别注意金属材料的化学性能，要采用化学 稳定性良好的合金。




1.1抗拉强度：是金属由均匀塑性变形向局部集中 塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下 的最大承载能力。 抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉 伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的， 但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中 变形；对于没有（或很小）均匀塑性变形的脆性材 料，它反映了材料的断裂抗力。 抗拉强度符号为Rm（旧国标规定抗拉强度符号为 σ b），单位为MPa。



复合材料：是由两种或两种以上不同性质的材料， 通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具 有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短， 产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成 材料而满足各种不同的要求。 黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属。如钢、 生铁、铁合金、铸铁等。 有色金属：狭义的有色金属又称非铁金属，是铁、 锰、铬以外的所有金属及其合金的统称，如铝及铝 合金、铜及铜合金、钛及钛合金。





1.2.3无缝钢管分类 按材料成分：碳素钢无缝钢管、合金钢无缝钢管和不锈 钢无缝钢管; 碳钢：如10、20钢; 合金钢：如12CrMo（A30122）、20MnMoB（A72202） 不锈钢：如06Cr19Ni10（S30408）、10Cr17（S11710）。 按制造工艺分：热轧（挤压、扩）钢管和冷拔（轧）无 缝钢管。 按用途分：锅炉压力容器用、石油天然气输送用、油气 井油管/套管用、低压流体输送用„„；



纯铁：纯度很高的铁，化学纯铁含碳量几乎为零，工业 纯铁含碳量<0.02%。 纯铁是很软的，一般不应用到实 际中。 铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金， 统称为铁碳合金。如钢和生铁。 生铁：把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量2.06 ％～4.3％（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的 铁碳合金称为生铁。生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没 有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方 法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰 口铁和球墨铸铁。也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把 铸造生铁简称为铸铁。





如化工设备的管材常采用不锈钢来制造，而锅炉和 电站设备的一些管道材料则常选用耐热钢来制造等 等（抗氧化性）。 对于使用性能-力学性能 力学性能：金属材料的力学性能又称机械性能，是 材料在力的作用下所表现出来的性能。 力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非 常重要的影响。 金属材料的力学性能指标主要有：强度、塑性、硬 度、韧性、疲劳强度等。

按供货状态分类 热轧态；正火态；冷轧态（冷拉 态）；退火态；锻钢；铸钢；预硬化态。 材料牌号的表示方法和含义见GB/T221-2008《钢铁 产品牌号表示方法》







1.2.2压力管道用管材分类 按材料属性分：金属管和非金属管； 根据金属的颜色和性质等特征，将金属分为黑色金 属和有色金属。 按用途分：锅炉压力压力器用钢管、石油天然气输 送管道用钢管、 油气井油管/套管用钢管、低压流 体输送用钢管、结构用钢管„„ 按制造工艺分：无缝钢管和焊接钢管。 其他分类方法……


白口铁：碳以渗碳体（Fe3C）形态分布的生铁称为 白口铁；其断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机 械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。 灰口铁：碳以片状石墨形态分布的生铁称为灰口铁， 其断口呈银灰色，由于石墨质软并有润滑作用，因 而这 种生铁具有良好的易切削、耐磨和铸造性能 等优点。但是，由于有片状石墨的存在，降低了它 的抗拉强度，使它不能锻轧，只能用于制造各种铸 件，如铸造机床床座、铁管等。因此，通常把这种 生铁叫做铸造生铁。





按成形方法分类 锻钢；铸钢；热轧钢；冷拉钢； 按金相组织分类 1）退火状态的： 亚共析钢（铁素体+珠光体） 共析钢（珠光体） 过共析钢（珠光体+渗碳体） 莱氏体钢（珠光体+渗碳体） 2）正火状态的： 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 奥氏体钢。 3）相变或部分发生相变的。

衡量强度性能的指标主要是抗拉强度和屈服强度。 屈服强度小于300MPa称为低强度钢，一般是低碳钢 材料；屈服强度在300～550MPa之间的称为中强度 钢，一般是低合金钢材料。屈服强度高于600MPa～ 1000MPa的高强度低合金钢在超高压管道中使用。 因为高强度钢焊接性能明显下降，极易产生焊接裂 纹。




1.2屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服 极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。 对于有屈服现象（屈服平台）的材料，通常分为上 屈服强度和下屈服强度。上屈服强度，用符号ReH 表示，是指试样发生屈服而力首次下降前的最高应 力；下屈服强度，用符号ReL表示，是指在屈服期 间，不计初始瞬间效应时的最低应力。 对于无明显屈服现象出现的金属材料，通常用规定 塑性延伸强度Rp、 规定总延伸强度Rt、规定残余 延伸强度Rr来表示，如Rp0.2，Rt0.5，Rr0.2。