2压力管道材料部分

2压力管道材料部分
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C6.67％，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<2.06%
取含碳量为0.8的Fe、C合金，它在1600℃时是液态（1点），将合金冷却至点2时，液相中将有首批奥氏体晶体核析出。

当温度降至3点时，全部液态合金均被转变成奥氏体。

继续降低合金的温度至s
点（723℃）以下时，合金就会从单一的奥氏体组织转变成铁素体和渗碳体两相组织。

在这个两相组织中渗碳体占11％、铁素体89％，这种特定比例的渗碳体、铁素体是在723℃以下一起从奥氏体中析出的，所以把它当作一种组织看待，并称它为珠光体又叫共析钢。

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）
C>0.8％渗碳体＋珠光体过共析钢（ES过共析钢）
GS线：C<0.8％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％PSK线：铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Ac1），或者冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线（Ar1）。

以20钢为例根据铁碳合金相图来看一下其结晶过程：
20钢在①点以上时为液体（L），冷却至稍低于①点的温度时开始从液相中结晶出δ铁；冷却至②点温度以下时，生成奥氏体；继续冷却至③点以下时发生奥氏体向铁素体的转变；至④点以下温度时，剩余的奥氏体转变成珠光体。

故20钢常温得到的组织为铁素体＋珠光体（α＋P）
2)C>2.06%合金为铸铁
当C＝4.3％时，合金有最低的结晶温度（1130℃），结晶时，从
液态合金中同时析出奥氏体和渗碳体。

这种具有特殊比例的奥氏体和渗碳体共晶混合物称为莱氏体。

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。

如亚共析钢加热超过GS以上30-50℃，保温后全部转变为奥氏体，而后在水或油中冷却，由于冷却速度很快，碳来不及析出，奥氏体就转变马氏体（马氏体是含碳过饱和的α固溶体）。

由于其中含碳量的过饱和，它的含碳量与原来的奥氏体中的含碳量相同。

因而使体心立方晶格歪扭成体心正方晶格，硬度很高，但很脆。

由于马氏体转变时体积要膨胀，零件内有较大的内应力，不能直接应用，必须进行回火。

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、高温三种。

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，几乎总是跟着回火。

低温回火（150～250℃）用于高硬度及耐磨零件。

作用：消除脆性和内应力。

HRC=59～63
中温回火（300～450℃）用于需要足够的硬度，高弹性极限并保持一定韧性的零件。

HRC=44～54
高温回火（500～650℃）要求综合机械性能高的零件（高强度、弹性、塑性及韧性），内应力完全消除。

HRC=23～35
淬火后高温回火可使钢获得良好的综合机械性能，所以把这种热处理称为调质处理。

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—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。

对亚共析钢加热保温后得到细小均匀奥氏体组织，缓冷后得到细小的铁素体和珠光体；消除前一工序所形成的不均匀或粗大组织，得到细而均匀的组织.降低硬度,改善切削性能.
低温退火—加热至小于临界点PSK的温度而后缓慢冷却。

这种退火主要用于焊接结构.其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。

正火时的加热温度对亚共析钢为GS线以上30～50℃。

由于正火的冷却速度较退火为快，正火后一般都可以得到较细的珠光体组织。

机械性能比退火后的珠光体高。

一般不重要的机械零件，常以此为最终的处理。

还可作为淬火前的预处理，由于它细化组织可降低淬火时
的变形与裂纹，以提高淬火质量。

1.1.4常用压力管道材料使用的热处理状态
表1－1常用压力管道材料使用的热处理状态材料牌号热处理状态材料牌号热处理状态
Q235
20
16Mn
12CrMo正火
正火
正火
正火＋回火或调质15CrMo
1Cr5Mo
35CrMoA
0Cr18Ni9正火＋回火或调质
正火＋回火或调质
调质
固溶
1.2金属材料的基本性能
材料的性能究竟都包括那些内容呢?
我们有必要先介绍一下材料的基本性能和反映这些性能的参数指标，才能更好地去分析理解有关的金属理论，并有意识地采取措施以获得所希望的性能，或者根据材料的基本性能去指导工程设计选材。

金属材料的基本性能一般包括以下五个方面:
机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。

l.2.1机械性能
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)强度指标
材料的强度指标是决定其许用应力值的依据。

设计中常用的有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切的强度极限σb和屈服极限σs，高温时还要考虑蠕变极限σn和高温持久极限σD.
●强度极限σb指材料在外力的作用下，由开始加载到断裂时为止所能承受的最大应力。

它是反映材料抵抗大量均匀塑性变形的强度指标。

●屈服强度σs指材料在外力的作用下，由开始加载到刚出现塑性变形时所承受的应力。

它是反映材料抵抗微量塑性变形的强度指标。

对某些材料，在加载试验时，其应力应变图中没有明显的屈服平台，此时就以产生0.2％塑性变形时的应力作为该种材料的屈服极限，并用σ0.2表示。

●蠕变极限σn指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后产生的塑性变形量为1%时的应力。

●高温持久极限σD是指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后发生断裂时的应力。

蠕变极限σn和高温持久极限σD均是高温下材料抵抗破坏的强度指标。

2）弹性指标
弹性指标是稳定性计算的主要依据，它包括的参数主要有弹性模量E等。

弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。

它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。

3）塑性指标和韧性指标
塑性指标和韧性指标是材料受冲击载荷作用时的主要设计依据，也是低温或超低温条件下对材料使用性考核的一个重要指标。

塑性指标包括的参数主要有材料的延伸率δ、断面收缩率ψ。

韧性指标包括的参数主要有材料的冲击韧性αk和冲击功AK等。

延伸率δ是指试样发生拉伸破坏时，产生的塑性变形量与原试样长度比值的百分数。

根据所选试样长度是试样直径的5倍还是10倍，延延率δ分别有δ5和δ10两个数据。

一般情况下，δ5<5%的材料为脆性材料。

断面收缩率ψ是指试样发生拉伸破坏时，其缩颈处的横截面积缩小量与试样原横截面积比值的百分数。

冲击功AK是指试样在进行缺口冲击试验时，摆锤冲击消耗在试样上的能量。

它是反映材料抗冲击载荷破坏的性能指标，或者说是反映材料韧性的一个性能指标。

4）疲劳强度
疲劳强度是指材料在交变应力的作用下，发生破坏时的最大应力，通常用疲劳持久极限来衡量，即材料在交变应力的作用下，经过无数次(一般规定大于106次～107次)的应力循环也不会导致疲劳破坏时的最大应力。

它是反映材料抗交变应力破坏的强度指标。

5）断裂韧度
断裂韧度是指材料在受力状态下，内部的裂纹刚刚扩展时其裂纹应力强度因子达到的临界值。

如果应力强度因子超过这一临界值(即断
裂韧度)，裂纹将会扩展而导致材料断裂。

断裂韧度是判断材料内部裂纹危险性的一个指标，该指标常被用在断裂力学设计中，或者用于在役压力管道的可靠性和剩余寿命的评估上。

6）硬度
硬度是指材料抵抗外物压入的能力，或者说是材料抵抗局部塑性变形的能力。

材料硬度高时，其耐磨性也好。

材料的硬度除了与其化学成分有关外，还与它的热处理状态、金相组织、加工或焊接残余应力等有关，故工程上常用检查硬度的办法检验材料热处理的效果，也用来检验焊接残余应力的存在程度。

一般情况下，材料的布氏硬度与其强度的近似关系：
低碳钢：σb＝0.36HB
高碳钢：σb＝0.34HB
调质合金钢:σb＝0.325HB
1.2.2．耐腐蚀性能(化学性能)
金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。

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。

石油化工生产过程中所处理的物料大多数是对金属材料有腐蚀的物质，因此材料对介质的抗腐蚀性就成了选择材料的重要依据。

◆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。

应力腐蚀材料在腐蚀与应力的同时作用下产生的腐蚀。

它只发生于一些特定的“材料－环境”体系，如“奥氏体不锈钢－Cl－”，“碳钢－NO3－”，当然还必须存在应力（外力、或焊接、冷加工等产生的残余应力）
均匀腐蚀是由于空气中的氧或其它条件在金属表面进行全面腐蚀而产生可溶性盐，随着时间的延长，壁厚则减少。

1.2.3物理性能
材料的物理性能主要是指：
密度ρ(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：它是反映金属及合金进行冷机械切削加工难易
程度的一个指标。

常用金属材料的切削加工性能:铝合金及镁合金>铜合金>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FeO+Fe304+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。