压力管道材料部分压力管道材料部分本文由 beyond6722440 贡献doc 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。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（0.054）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 11 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 12 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： Cu、 Al、 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？ 15341390 体心立方排列叫 铁 1390910 面心立方排列叫 铁 910以下 体心立方排列叫 铁 铁 铁 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 13 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（） 、奥氏体（）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) C0.8 渗碳体珠光体 过共析钢（ES 过共析钢） GS 线：C2.06% 合金为铸铁 当 C4.3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 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（150250）用于高硬度及耐磨零件。 作用：消除脆性和内应力。HRC=5963 中温回火（300450）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=4454 高温回火（500650）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=2335 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 2030，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 3050。 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 11 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 b 和屈服极限 s，高温时还要考虑蠕变极限 n 和高温持久极限D. 强度极限 b 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 s 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 0.2 表示。 蠕变极限 n 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 D 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 n 和高温持久极限 D 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 、断面收缩率 。 韧性指标 包括的参数主要有材料的冲击韧性 k 和冲击功 AK 等。 延伸率 是指试样发生拉伸破