管道材料设计要点.docx

1、管道材料设计要点管道材料设计要点目次1 应用标准和设计标准1.1 应用标准1.2 设计标准2 材料选用2.1 材料的基本性能2.2 高温对材料选用的影响2.3 低温对材料选用的影响2.4 介质对材料选用的影响2.5 常用材料类型及特点2.6 材料选用原则3 管道组成件压力设计3.1 载荷类型3.2 选用应力及强度准则3.3 标准管道组成件3.4 非标准管道组成件4 管道组成件型式选用4.1 连接型式及选用4.2 钢管4.3 管件及分支接头4.4 法兰及法兰接头4.5 阀门5 制造技术要求（略）5.1 成形工艺5.2 热处理5.3 化学成分及机械性能5.4 检查试验5.5 其它要求1 应用标准和

2、设计标准1.1 应用标准1）应用标准的概念（系列化、标准化）。举例：无缝钢管生产参数的调整；2）三个主要参数（外径、公称压力等级、壁厚系列）。举例：55锥管螺纹和60锥管螺纹连接问题，法兰螺栓孔的尺寸问题；3）PN/CLASS及欧洲标准体系/美洲标准体系。1.2 设计标准1）常用标准规范：GB/T20801系列，GB50316，ASME B31系列，EN13480系列，SH/T3059。举例：GB/T20801的修订要点；2）安全标准，基础要求，最低要求。举例：不含管道布置，不含腐蚀方面的内容；3）非唯一性。举例：工程设计引用时才变成强制性。注意：每一个工程不宜开列所用设计标准，与法规的配套关

3、系；4）不能代替设计手册、工程规定和行业标准，给设计工程师很大的权利；5）前瞻性技术：三大类14种失效模式的评定。举例：三大类14种失效模式第I类：短期失效模式I-1：脆性断裂；I-2：韧性断裂；I-3：超量变形引起的接头泄露；I-4：超量局部应变引起的裂纹形成或韧性撕裂；I-5：弹性、塑性或弹塑性失稳（垮塌）；第II类：长期失效模式II-1：蠕变断裂；II-2：蠕变引起的机械接头超量变形或过大的载荷转移；II-3：蠕变失稳；II-4：磨蚀和腐蚀；II-5：环境助长开裂。如应力腐蚀开裂，氢致开裂；第III类：循环失效模式III-1：扩展性塑性变形；III-2：交替塑性；III-3：弹性应变疲劳

4、（中、高周疲劳）和弹塑性应变疲劳（低周）；III-4：环境助长疲劳。2 材料选用2.1 材料的基本性能1）机械性能：强度指标：强度极限b，屈服极限s，持久极限D（100000小时断裂平均值），蠕变极限n（0.01%延伸率/1000小时）。相关问题：直接作为计算参数，标准许用应力及安全系数。举例：关于0.2和1.0； 塑性指标：延伸率（5和10值），断面收缩率，非直接计算参数。举例：碳钢和不锈钢的延伸率，14%延伸率的韧性材料界限；弹性指标：弹性模量E。用于结构应力计算参数； 韧性指标：冲击功Ak。非直接计算参数，但作为材料脆性转变的一个重要判据；硬度：反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性

5、。主要用于加工变形残余应力和焊接残余应力存在程度的判断。举例：某装置用不锈钢管件的断裂，某装置冷氢管道开裂；2）化学性能：包括耐腐蚀性、高温下的组织稳定性等。举例：硫腐蚀、醋酸腐蚀等；3）物理性能：包括导电性、热涨率等；4）可加工性能：包括铸造性能、锻造性能、机加工性能、焊接性能等。举例：321材料的铸造，渗铝材料的焊接性能；5）经济性能。2.2 高温对材料选用的影响1）高温机械型破坏蠕变： 定义，防范措施。举例：P92的高温数据与低温数据关系，蠕变试验；应力松弛：定义，防范措施（补偿）。举例：高温螺栓的应力松弛问题；热疲劳：理论（温度梯度和内应力）。一般情况下由于热疲劳多数与机械疲劳共同作用

6、，故这里略；2）高温冶金不稳定型破坏在高温下，由于金属原子的活动能力加强，会引起金属结构组织上的一系列变化，从而导致材料的性能变化，这样的变化有时可直接导致构件的破坏，有时则成为构件其它破坏型式的诱因。这种金属组织随环境而变化的特性叫做冶金不稳定性。再结晶：对于变形加工或焊接构件，当没有进行适当的热处理时，或所采取的热处理（如固溶处理）不能得到常温平衡组织时，会在金属内残留一些不稳定的畸形结构或组织。在高温下，这些畸形组织会因原子得到能量而使金属发生再结晶，或形成新的相结构。在外力的作用下，这样的再结晶过程会发生不稳定的结构突变，使金属构件在再结晶过程中承载能力降低，甚至导致金属构件的强度破坏

7、。同样，在足够高的温度下，会使一些材料的细小晶粒发生长大，而粗大的晶粒组织本身就表现出较差的综合机械性能。如果这样的晶粒长大过程发生在有较大外力的情况下，也会引起构件的破坏。举例：高温吊架的焊接，H及不锈钢的晶粒度控制。金属间的原子迁移及集聚：在高温环境下，金属内某些过饱和的原子或迁移能力较强的元素会因获得能量而发生迁移并可能发生集聚，某些微量元素也会发生迁移或从晶内析出，不稳定的化合物会发生分解以致改变了金属的相机构或组织，外界环境中的一些元素的渗入，等等。金属在高温下发生的所有这些变化都会对其性能带来一些影响，或者导致金属材料的强度下降，或者导致材料的韧性下降，或者导致材料抗腐蚀性能下降。

8、举例：碳钢、低合金钢的石墨化（425/427）。珠光体的球化（P11/540）。铬钼合金钢的回火脆性（400左右，杂质元素磷/P、锡/Sn、砷/As、锑/Sb引起）。碳钢和不锈钢材料不能接触堆放。金属间的相沉淀：在高温环境下，随着金属内一些原子的迁移，会形成一些次生相，如奥氏体高温合金在高温下形成的相、相及拉氏相等拓扑密排相。此类次生相有时是弥散在原组织内，有些则沉淀在微观空穴内或晶界上，对金属的性能将产生一定的影响，或者导致金属材料的抗蠕变性能下降，或者导致材料的韧性下降，或者导致材料抗腐蚀性能下降，等等。举例：铁素体不锈钢的475脆性（350550，复杂的铬-磷化合物，二次铁素体）。高温高

9、合金钢的相脆性（540900，相为铁原子和铬原子比例大致相等的铁-铬化合物，其性能硬而脆，硬度达68.5HRC）。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀（427871）。3）高温化学不稳定型破坏就腐蚀的动力学来说，温度是导致金属腐蚀的一个重要因子，尤其是高温下，金属元素更加活泼，因此，金属的高温腐蚀更是严重。就高温环境来说，有时是金属在高温下直接与腐蚀介质发生化学反应而引起金属的失效，有些则是金属在高温下金属表现出来的冶金不稳定性、化学不稳定性和机械性能变化的交互作用的结果而引起构件的失效。产生高温-化学不稳定型破坏的型式很多，常见的有：金属在高温氧环境中的腐蚀，金属在高温化学介质（酸、碱、盐）环境中的腐蚀，

10、金属在高温环境中由于发生冶金不稳定性而在高温或非高温下发生的腐蚀，金属在高温环境中与低熔点金属接触而产生的物理腐蚀，等等。举例：锅炉给水的氧腐蚀。烧焦管道的氧腐蚀。高温硫腐蚀。高温氢腐蚀。某制氢转化炉的炉管开裂。4）常用材料的温度限制（不考虑腐蚀因素）材 料使 用 温 度10、20-2042516Mn-4045009Mn2V-7010012CrMo52515CrMo5501Cr5Mo600低碳奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni10Ti等）-196700超低碳奥氏体不锈钢（00Cr19Ni10）-196400超低碳奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2）-

11、1964500Cr25Ni20800铝及防锈铝合金-2002002.3 低温对材料选用的影响1）相关的概念：低温脆性及脆断：电子云团活动直径，原子势能，宏观表现为强度升高、韧性下降。举例：低温下的许用应力取值解释；脆性转变温度及冲击功：材料由韧性材料转变成脆性材料的临界温度。冲击功与冲击韧性的概念，裂纹形成功和裂纹扩展功，冲击功与材料强度有关。举例：不同温度下的冲击功取相同的评定值解释。按钢级给出冲击功评定指标；影响材料冲击功的因素：除材料和使用温度外，还有材料厚度、应力水平、材料缺陷。举例：ASME T8委员会的试验结论。材料缺陷的限制。2）GB/T20801应用时应注意的问题最低使用温度和

12、免冲击试验温度的关系：可能不发生脆性转变可保证不发生脆性转变。举例：碳钢材料的温度下限。奥氏体不锈钢的温度下限与免冲击试验的温度下限关系；免除冲击试验的条件因素：用曲线表示的厚度影响，用曲线和数据表表示的应力水平的影响，小尺寸试样的影响，焊接因素的影响，热处理、元素等方面的影响。举例同上；其它注意问题：小尺寸冲击试样的温度降量，用侧向膨胀量作为不锈钢的评定值。举例：解释冲击功和侧向膨胀量对不锈钢韧性评定的差异（奥氏体不锈钢冷变形后的韧性表现，1.6屈服极限下的表现数据）。2.4 介质对材料选用的影响1）洁净要求。举例：食品管道，医药管道，粉料输送管道。2）其它。举例：高压氧气管道。见表2.4。

13、表2.4 不受流速限制的金属厚度和氧气压力条件工程合金最小厚度不受限压力*黄铜合金未指定21 MPa (3000 psig)钴合金钨铬钴合金6未指定3.6 MPa (500 psig)钨铬钴合金6B未指定3.6 MPa (500 psig)铜未指定21 MPa (3000 psig)铜镍合金未指定21 MPa (3000 psig)铁铸件，非不锈型灰铸铁3.18 mm (0.125) 0.27 MPa (25 psig)球墨铸铁3.18 mm (0.125)0.45 MPa (50 psig)耐蚀镍型D23.18 mm (0.125)2.2 MPa (300 psig)铁铸件，不锈型CF-3/

14、CF-8,CF-3M/CF-8M,CG-8M3.18 mm (0.125)1.4 MPa (200 psig)CF-3/CF-8,CF-3M/CF-8M,CG-8M6.35 mm (0.250“) 2.0 MPa (290 psig)CN-7M3.18 mm (0.125)2.6 MPa (375 psig)CN-7M6.35 mm (0.25)3.6 MPa (500 psig)镍合金耐盐酸镍基合金C-276 未指定5.3 MPa (750 psig)铬镍铁合金600 未指定6.9 MPa (1000 psig)铬镍铁合金6253.18 mm (0.125)8.7 MPa (1250 psi

15、g)铬镍铁合金X-750未指定6.9 MPa (1000 psig)蒙乃尔合金400未指定21 MPa (3000 psig)蒙乃尔合金K-500未指定21 MPa (3000 psig)镍200未指定21 MPa (3000 psig)不锈钢，精制304/304L, 316/316L, 321, 3473.18 mm (0.125)1.4 MPa (200 psig)304/304L, 316/316L, 321, 3476.35 mm (0.250)2.0 MPa (290 psig)Carpenter镍铬合金钢20 Cb-33.18 mm (0.125)2.6 MPa (375 psig

16、)4103.18 mm (0.125)1.8 MPa (250 psig)4303.18 mm (0.125)1.8 MPa (250 psig)X3镍铬钼13-43.18 mm (0.125)1.8 MPa (250 psig)17-4PH (老化)3.18 mm (0.125)2.2 MPa (300 psig)锡青铜未指定21 MPa (3000 psig)2.5 常用材料类型及特点（略讲）1）普通碳素钢/GB/T700铁碳合金。五大元素：铁、锰、硅、硫、磷。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

17、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一定的限制。2）优质碳素钢/GB/T699铁碳合金。五大元素：铁、锰、硅、硫、磷。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的转炉冶炼，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，故这类钢是工程上应用最广泛的碳素钢。3）低合金钢/GB/T1591铁碳合金+锰。五大元素：铁、锰、硅、硫、磷。强度和耐温性能优于碳素钢。ASTM无此分类。举例：16Mn材料（略

18、）。4）合金钢/GB/T3077为了提高钢的通过有意识地向碳素钢中加入一些合金元素，可显著改变并获得期望的机械性能、工艺性能或物理化学性能，由此得到的钢就叫合金钢。常见合金元素：锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）、硅（Si）、铝（Al）等。举例：常见合金元素对材料性能的影响（略）。举例：关于1Cr、2Cr、5Cr、9Cr钢及应用。5）不锈钢及耐热钢/GB/T1220和GB/T1221奥氏体不锈钢由于有较多的合金元素，又具有单一的奥氏体组织，故它具有较好的抗腐蚀性能和高温使用性能。工程上，奥氏体不锈钢常用于多种腐蚀工况和高温工况。问题与举例：304、304L、316、316L、321、

19、321H、347、347H、310奥氏体不锈钢如何区别选用（重点）。2.6 材料选用原则1）基本原则满足操作条件的要求；满足材料加工工艺和工业化生产的要求；符合既使用又经济的要求。2）普通碳素钢的应用限制沸腾钢应限用在设计压力0.6MPa，设计温度为0250的条件下，并不得用于易燃或有毒流体的管道，也不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中；镇静钢应限用在设计温度为0400范围内。当它用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时，本体硬度应不大于HB160，焊缝硬度应不大于HB200，并对本体和焊缝进行100%无损探伤；用于压力管道的沸腾钢和镇静钢，其含碳量不得大于0.24%。3）优质碳素钢的应用限制在均

20、匀腐蚀介质环境下工作时，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；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。锰钢（如16Mn）不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中；碳素钢在427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427（有的规范如锅炉规范则规定该温度为450）；临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。含碳量大于0.24%（0.25%，0.3%）的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件；用于低温、高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料宜是经过炉外

21、精炼的材料。4）铬钼合金钢碳钼钢(C-0.5Mo)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；在均匀腐蚀环境下工作时，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；临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性；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；应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用；在400550温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题；铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。5）不锈钢及耐热钢含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400550温度区间内长期工作时，应考

22、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（370）以上温度使用；含铬16%以上的高铬不锈钢和含铬18%以上的高铬镍不锈钢在540900温度区间长期工作时，应考虑防止发生相析出，从而引起室温下材料的脆化和高温下材料蠕变强度的下降。这种现象可以通过将其加热至1000以上进行退火处理来消除。有资料指出，相析出一般发生在铁素体不锈钢中，对于奥氏体不锈钢，只要控制其铁素体含量（一般为38）即可避免。对于常用的奥氏体不锈钢，除铸件外，其铁素体含量一般不会超过上述值；奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过

23、540900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（C0.03）奥氏体不锈钢；不锈钢在接触湿的氯化物等介质时，有应力腐蚀开裂和点蚀的可能；奥氏体不锈钢与铅、锌或它们的化合物在其溶点温度以上接触时，有晶间腐蚀破坏的敏感性；奥氏体不锈钢使用温度超过525时，其含碳量应大于0.04%。3 管道组成件压力设计3.1 载荷类型1）压力载荷内压、外压或最大压差（设计压力应与对应的设计温度一起作为荷载条件）。内压是单体管道组成件和管系应力都要应用的载荷条件，而外压主要为单体管道组成件的压力设计条件，尤其是大直径管道组成件的压力

24、设计；2）重力荷载管道组成件、隔热材料以及由管道支承的其他重力荷载。如阀门自重、小型设备自重、仪表元件自重等。该载荷主要应用与管系的力学计算；流体重量（包括液压试验）以及寒冷地区的冰、雪重量。举例：南方的冻雨导致的输电电线超载。该载荷主要应用与管系的力学计算。3）动力荷载风荷载。一般为管系力学计算用；地震荷载。一般为管系力学计算用，但引起的附加力/力矩将用于重要阀门、管道组成件的强度校核。举例：主蒸汽隔离阀；流体流动导致的冲击、压力波动和闪蒸等；由机械、风或流体流动引起的振动；流体排放反力。4）温度荷载温度变化时因管道约束产生的荷载；因温度剧变或分布不均匀产生的温差应力，如厚壁管或流体分层流动

25、可能导致的温差应力；温度变化时因膨胀系数不同所产生的荷载，如双金属管、夹套管、非金属衬里管等；5）端点位移引起的荷载管道支吊架或管道连接设备发生位移时引起的荷载。3.2 许用应力及强度准则1）力学设计的概念：利用各种规则建立一个SSA，S为广义计算压力值，SA为广义许用应力值。S可以是单一性质的应力值，也可以是组合的应力值，也可以是不同性质产生的应力值。举例：简单拉伸应力，按强度理论推出的组合应力，位移应力，疲劳应力等。SA为对于与上述不同应力值的判断对比值，根据一定的规则给出。举例：基本许用应力和安全系数，许用应力幅（许用位移应力值），疲劳强度等。2）持续载荷情况下的强度准则内压，拉应力：S

26、St。St为计算温度下的许用拉伸应力；内压或重力载荷，剪应力：S0.8St。St为计算温度下的许用拉伸应力；重力载荷，压应力：S1.6St。St为计算温度下的许用拉伸应力；外压，满足稳定性要求，且SSt。St为计算温度下的许用拉伸应力；内压+位移应力：SSII。SII为计算温度下的许用应力幅；交变载荷的应力：SSA。SA为计算温度下的疲劳极限；3）临时载荷情况下的强度准则按相关规则作为一种工况计入持续载荷的计算中；每次变动时间不超过10h, 且每年累计变动时间不超过100h，计算应力可超过许用值的1.33倍；每次变动时间不超过50h, 且每年累计变动时间不超过500h，计算应力可超过许用值的1

27、.2倍。举例：安全阀放空管道的压力变化。反应系统的瞬时飞温。3.3 标准管道组成件1）具有温度-压力额定值的管道组成件此类管道组成件包括法兰、阀门等。按相关的标准给出的P-T表选择。但应注意：当量设计压力。对高度危害介质的最小压力等级限制。举例：丙烯晴管道的最小法兰压力等级。2）直管按上述的强度准则计算确定。但应注意以下几个方面：注意腐蚀速率应用的准确性。举例：权威数据，试验数据，检测数据；就近上靠到标准系列值，但有特例。举例：无缝钢管的成形与壁厚系列的关系。3）标准管件许用压力值的概念及应用。目前国内存在的问题。国外的常用做法。3.4 非标准管道组成件几种压力设计方法1）数学分析方法。相关规

28、范（比如GB/T20801-3和ASME B31.3第304节）给出了许多数学分析方法。举例：开孔补强常用的方法；2）有限元分析方法。根据相关规范如ASME VIII卷、GB150等给出的规则进行计算和判断。举例：国外管件厂常用的方法；3）验证性压力试验方法。举例：验证性试验方法的局限性和弊端；4）实验应力分析方法。费时、费力，用于非常特殊但又必须进行精确压力设计的场合。4 管道组成件型式选用4.1 连接型式及选用1）焊接常用的焊接连接有对焊和承插焊之分。对焊是DN50的管道及其元件常用的一种连接型式。对于DN40的管子及其元件，因为它的壁厚一般较薄，采用对焊连接时错口影响较大，容易烧穿，焊接

29、质量不易保证，故此时一般采用承插焊连接。但下列几种情况例外：对于DN40、壁厚大于等于SCH160的管道及其元件，因其壁厚已比较厚，采用对焊连接时前面所述的问题已不存在或表现已不显著，故也常用对焊连接，毕竟对焊连接的接头性能比承插焊（角焊）好，而且也便于内部无损探伤。有关对焊与角焊的优缺点对比将在第十章介绍；有缝隙腐蚀介质（如氢氟酸介质）存在的情况下，即使DN40、壁厚SCH160，也采用对焊连接，以避免缝隙腐蚀的发生。此时为了不至于因为管子和管件的壁厚太薄而焊漏或烧穿，在焊接施工时常采用小焊丝直径、小焊接电流的氩弧焊进行焊接，而不用一般的电弧焊；对润滑油、封油管道等，当采用承插焊连接时，其接头缝隙处易积存杂质而对机械设备产生不利影响，此时也应采用对焊连接。焊接方法同上；对于复合、衬里管子和管件，也不能采用承插焊连接。关于衬里管子和管件的连接方法见第三章第五节介绍；粒料和粉料输送管道，要求管道系统的流通通道比较光滑，故也不宜采用承插焊连接；剧烈循环工况条件，也不宜采用承插焊连接。2）螺纹连接螺纹连接也多用于DN40的管子及其元件之间的连接。它属于可拆卸连接，常用于不宜焊接或需要可拆卸的场合。螺纹连接与焊接相比，其接头强度低，密封性能差，因此在石油化工生产装置的管道上使用时，常受下列条件的限制：螺纹连接的管件应采用锥管螺纹；螺纹连接不推荐用在大于200