球墨铸铁实体保持架优于黄铜保持架.doc

球墨铸铁实体保持架优于黄铜保持架我国轴承行业一直采用铜合金制造实体保持架。自去年以来，铜价持续大幅上涨，严重影响了轴承的生产成本和使用客户的采购成本。为稳定轴承价格，提高轴承使用性能，轴承行业积极采用球墨铸铁代替铜合金制造实体保持架。目前，调心滚子、四列圆柱、深沟球、角接触、推力等类型轴承实体保持架，根据用户意见，均以球墨铸铁制造。经技术理论分析、装机测试以及用户反映，球墨铸铁实体保持架的抗拉强度、伸长率、硬度、耐磨性、减振性等都优于铜保持架。从化学成份分析和力学性能比较，制造实体保持架，球铁明显优于铜合金。球铁QT40018主要化学成分：含碳C3.603.90%；含硅Si2.503.20%；含锰Mn0.300.50%；含硫S0.03% ；含镁Mg0.030.06%；稀土0.020.05%；含磷P0.050.07%。铜合金ZCuZn40Pb2 的主要化学成分是：含铜Cu5863%；含铅Pb0.50.25%;含铝AI0.20.8%；余量为锌Zn，杂质总量小于1.50%。球墨铸铁QT40018与铜合金ZCuZn40Pb2两种材料在力学性能比较：球铁QT40018强度极限b400MPa，屈服极限0.2250 MPa，延伸率18%，硬度160190HB；而黄铜ZCuZn40Pb2强度极限b250MPa，屈服极限0.2120MPa，延伸率15%，硬度80100HB；由此可见球墨QT40018材料的抗拉强度明显高于铜合金ZCuZn40Pb2，韧性（伸长度）也好于黄铜，硬度适中。通过对球铁保持架进行测试，其值均大于18%，一般在18%25%之间，最高在32%，韧性完全可以满足保持架的要求，球墨铸铁保持架的耐磨性非常好，比铜合金高出10倍以上，而且在使用中自润滑能力强，具有比钢还好的吸振性，屈服强度比钢还要高，同时有良好的耐热性。球墨铸铁的优良性能，还来自于配料、冶炼中的严格控制。冶炼时选择好的球化剂，使石墨呈球状。石墨分布为：球状+团絮状，球化级别不低于4级，球化率大于85%。材料基体的铁素体不低于85%，珠光体不大于15%。冶炼时进行良好的育孕处理不仅削弱白口倾向，还可以改善石磨的结晶条件，使石墨的球经变小，数量增多，形状圆整，分布均匀。保持架毛坯采用低温退火，退火工艺为：加热温度（74020），保温时间根据铸件壁厚决定，通常为26小时，保温后炉冷至600以下，出炉空冷。严格控制化学成分，在QT40018的基础上适当提高碳的上限含量，含碳量上调为3.604.00%；降低硅的上限含量，由2.503.20%调整为2.503.00%，对提高保持架的韧性效果好。为保证球铁保持架的成品质量，质检部门加大检查验收力度。每批抽取12件成品检验其化学成分；按国标GB231规定检验硬度值在160190HB之间；金相组织符合GB9441规定，球化级别不低于4级，基体为铁素体，含量大于85%；磷化膜牢固且均匀一致；保持架表面不允许有气孔、锈蚀；断口组织致密，无宏观缩孔、气孔等。球墨铸铁实体保持架经过一年多的装机使用，无论在振动、扭曲等何种恶劣的工作环境中，球墨铸铁保持架在可*性、寿命上明显优于铜保持架，至今没有发生任何故障。 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 金属材料的基本知识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。 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 Fe 的晶格形式 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 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。 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。 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。 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（相图略） 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。 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） 在平衡状态下： C0.8 珠光体 共析钢 C0.8 渗碳体珠光体 过共析钢（ES过共析钢） GS线：C0.8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： 0.8CPSK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）。 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。 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。 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。 低温退火加热至小于临界点PSK的温度而后缓慢冷却。 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。 1.1.4 常用压力管道材料使用的热处理状态 1.2金属材料的基本性能 金属材料的基本性能一般包括: 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（5.13/P168） 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。 1.2.2耐腐蚀性能(化学性能) 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。 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。 1.2.3物理性能 材料的物理性能主要是指： 密度(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; 2)可铸性;3)可锻性; 4)可焊性; 5)热处理性能; 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。 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 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(0.250.35)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。 一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300350，对铬钼合金钢则为400450。 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。 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。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。 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. 1.4 常见元素对金属材料性能的影晌 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 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 b硅(S)在碳素钢中的作用 c硫（S）、氧(0)在碳素钢中的作用 d磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用 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0.250.45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 c铬(Cr)在低合金钢中的作用 d钼(Mo)在低合金钢中的作用 e 钒(V)在低合金钢中的作用 f 硅(st)在低合金钢中的作用 g 铝(AL)在低合金钢中的作用 h硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素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，其主要影响元素：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 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 d 钛(Ti)在高合金钢中的作用 e硅(S)在高合金钢中的作用 2常用金属材料 铸铁、碳素钢及合金钢。 2.1铸铁 铸 铁：含碳量大于2.06的铁碳合金 。 性能特点：是可焊性、塑性、韧性和强度均比较差,一般不能锻,但它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性能,价格便宜。 用 途：常用作泵机座、低压阀体等材料；地下低压管网的管子和管件。 根据铸铁中石墨的形状不同可将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁三类。 铸铁命名：根据GB9439的规定铸铁的牌号表示方法： QT400-15 QT450-10 15延伸率（） 400最低抗拉强度（MPa） QT “球铁”汉语拼音第一个字母 2.2碳素钢 碳素钢：含碳量小于等于2.06%的铁碳合金称为碳素钢。 2.2.1.碳素钢的分类 a. 按化学成分 普通碳素钢 （ P0.05 S 0.05%） b.按品质分类 优质碳素钢（P0.04 S 0.04%）10，15，20，25 高级优质钢（P0.03S 0.02%） 平炉钢 普碳钢、低合金钢、优质碳素钢 冶炼设备 转炉钢 普碳钢 电炉钢 优质钢和合金钢 c.冶炼方法 沸腾钢 A3F 脱氧程度 镇静钢 A3 半镇静钢 18Nbb（18铌半） 结构钢 d.按用途 承压用钢(压力容器用、锅炉用钢) 工具钢 特种用途钢 铸钢 锻钢 用锻造方法生产的各种锻材和锻件。锻钢的质量和机械性能都优于铸钢，能承受大冲击力的作用，用于重要的受力零件。 e.按成型方法 热轧钢 轧钢 冷轧钢 冷拔钢 2.2.2普通碳素钢 普通碳素钢不宜用在较重要的场合,但普通碳素钢价格便宜,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。 普通碳素钢根据其冶炼过程的脱氧程度不同可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。 沸腾钢：在浇铸前不用硅和铝脱氧, 钢液中含氧量多,浇注及凝固时会产生大量CO气泡，在钢锭模内产生沸腾现象,这类钢叫沸腾钢。 镇静钢：而脱氧较完全,浇铸时钢水在钢锭模内不产生CO气体,这类钢叫镇静钢。 半镇静钢：进行中等程度脱氧,介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。 普通碳素钢的表示方法和代号按GB700标准 Q 235 A F F沸腾钢，b 半镇静钢，镇静钢省略 质量等级号,A级不做冲击试验,B级做常温V形缺口冲击试验; C、D两级常用在重要场合下 材料的屈服强度,MPa。分别为195、215、235、255、275五个等级 “屈”字汉语拼音第一个字母。 2.2.3优质碳素钢 优质碳素钢中的有害杂质元素S、P比普通碳素钢低,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,且是工程上应用最广泛的碳素钢。 优质碳素钢的表示方法和代号按GB221标准： XX XX XX X 特殊用途标记，R 压容用钢；g锅炉用钢；D低温用钢 如为沸腾钢或半镇静钢,尚应加“F”或 b 含锰元素的量达到0.7以上时,或特意加入的其它元素，为该元素的化学符号，如Mn、Si等(16MnR) 两位数字,表示钢中平均含碳量的万分之几如：10、20、25、35等 “ZG”表示铸钢,铸钢以外的生产方法不表示。 2.2.4高级优质碳素钢 其各方面性能略优于优质碳素钢,但价格较高，高级优质碳素钢在优质碳素钢的牌号后加A 2.3合金钢 合金钢：为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能,通常有意识地向钢中加入一些合金元素,由此得到的钢就叫合金钢。 合金钢的优点 合金钢与碳素钢相比,它具有较高的强度,较好的耐热性,较好的耐低温性能,较好的耐腐蚀性能等优点,甚至有些生产环境采用碳素钢是满足不了要求的。故合金钢是压力管道中常用的也是很重要的材料。 2.3.1合金钢分类 2.3.2常用合金钢 压力管道中常用的合金钢有低合金钢、调质钢、不锈钢、耐热钢和低温钢。 a.低合金钢 低碳型合金钢，合金元素总量一般3；强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可；低合金钢有碳锰系、碳锰钒系、铬钼系、铬钼钒系 碳锰系和碳锰钒系 铬钼系和铬钼钒系 XX XX XXXX X 特殊用途标记,同优质碳钢部分。对高级优质合金钢,在其后加“A” .主要合金元素符号及其含量,其中前两位为元素符号,后两位数字为该合金元素的平均百分比含量。数字为一位数时则用一个数字表示,含量不足1.5时可省略不注。有多个合金元素时则依次按此规则填写。 两位数字,表示钢中平均含碳量的万分之几。 两个字母“ZG”铸钢,铸钢以外的生产方法不表示。 b.调质合金钢 c.不锈钢 分类（按常温的组织不同） 奥氏体型；奥氏体-铁素体双相型；铁素体型；马氏体型；沉淀硬化型 表示方法 1Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni9 00Cr18Ni18 合金元素表示方法同低合金钢 含碳量千分之几（一位数表示） C0.1% 用“0”表示“低碳” 0.03% 用“00”表示“超低碳” 常用不锈钢 1）奥氏体不锈钢 2）奥氏体一铁素体型不锈钢 3）铁素体型不锈钢 4）马氏体不锈钢 5）沉淀硬化型不锈钢 d.耐热钢 e.低温用钢(镍钢) 2.4 常用金属材料技术条件标准 3常用金属材料的基本限制条件 工程上的实际应用环境条件是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。 3.1一般限制条件 在进行工程材料选用时，首先应遵循下列一些原则。 3.1.1满足操作条件的要求 3.1.2满足材料加工工艺和工业化生产的要求 3.1.3符合既适用又经济的要求 a.腐蚀方面 b.材料标准及制造方面 c.新材料、新工艺应用方面 3.2常用材料的应用限制 3.2.1铸铁 一般限制条件： 1）使用在介质温度为-29343的受压或非受压管道； 2）不得用于输送介质温度高于150或表压大于2.5MPa的可燃流体管道； 3)不得用于输送任何温度压力条件的有毒介质； 4)不得用于输送温度和压力循环变化或管道有振动的条件下。 实际上，可锻铸铁经常被用于不受压的阀门手轮和地下管道；球墨铸铁经常被用于工业用管道中的阀门阀体。 3.2.2普通碳素钢 限制条件： a.沸腾钢 1)应限用在设计压力0.6MPa，设计温度为0250的条件下； 2)不得用于易燃或有毒流体的管道； 3)不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中； b.镇静钢 1)限用在设计温度为0400范围内。 2)当用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时，本体硬度及焊缝硬度应不大于HB200，并对本体和焊缝进行100无损探伤； c.用于压力管道的沸腾钢和镇静钢 1)含碳量不得大于0.24%。 2)Q235A(F、b)，Q235B(F、b)、Q235C、Q235D适用范围（5.34/P177） 3.2.3优质碳素钢 优质碳素钢是压力管道中应用最广的碳钢，对应的材料标准有： GB/T699、GB/T8163、GB3087、GB5310、GB9948、GB6479等。这些标准是根据不同的使用工况而提出了不同的质量要求。它们共性的使用限制条件： a.输送碱性或苛性碱介质时应考虑有发生碱脆的可能，锰钢(如16Mn)不得用于该环境； b.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，锰钢(如16Mn)不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中； c.在均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; d.碳素钢、碳锰钢和锰钒钢在425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. e.临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。 f.含碳量大于0.24%的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件； g.用于-20及以下温度时，应做低温冲击韧性试验； h.用于高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料宜是经过炉外精炼的材料。 3.2.4铬钼合金钢 常用的铬钼合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，其使用限制条件如下： a.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； b.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； c.临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性； d.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； e.应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用； f在400-550温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题。 g. 铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。 3.2.5不锈耐热钢 压力管道中常用的不锈耐热钢材料标准主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制条件如下： a.含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400-550温度区间内长期工作时，应考虑防止475回火脆性破坏； b.奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540900温度区间时，应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。 c.不锈钢在接触湿的氯化物时，有应力腐蚀开裂和点蚀的可能; d.奥氏体不锈钢使用温度超过525时，其含碳量应大于0.04， 3.3常用材料的使用温度（5.35/P178）4 应用标准体系 目前，大多数压力管道及其元件都进行了系列化，并有相应的应用标准作支持。因此压力管道材料设计时首先要考虑的问题就是压力管道及其元件标准系列的选用。 应用标准体系。一个管系（路）中各元件所用系列标准的集合。 这些标准应包括管子系列标准、管件系列标准、法兰及其连接件系列标准、阀门标准等。 这些标准通过一定的规则在一个管系中得到应用，它们之间相互衔接、相互配合，从而确定了管道及其元件的基本参数。这些标准中尤其以管子标准和法兰标准最具代表性，它们是其它应用标准的基础。 世界各国应用标准大体上分为两大类。 管子-即钢管外径系列分为国际通用系列（大外径系列） 英制管； 国内常用系列（小外径系列） 公制管（或米制管） 法兰：欧式法兰和美式法兰 压力等级：PN 0.1 0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.3 10.0 16.0 25.0 40.0 MPa 欧式法兰（DIN） 压力等级：PN 2.0 5.0 6.8 10.0 15.0 25.0 42.0 MPa 美式法兰（ANSI） L 150 300 400 600 900 1500 2500 Psi 由此可以看出，无论是法兰还是管子，上述两个系列或两个体系是不能混合使用的。 钢管壁厚表示方法 钢管壁厚表示方法有管子表号、钢管壁厚尺寸和管子重量三种方法 1）是以管子表号Sch表示壁厚。2）以钢管壁厚尺寸表示 中国、ISO、日本部分钢管标准采用 3）是以管子重量表示管壁厚度 4.1国际上常用的标准体系 4.1.1德国及前苏联应用标准体系 a.德国（DIN）管子：大外径系列管法兰：欧式法兰 压力等级：PN 0.1、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10.0、16.0、25.0、32.0、40.0 13个等级 法兰密封面：平面、凸台面、凹凸面、榫槽面、橡胶环连接面、透镜面及膜片焊接面 7种 法兰型式：平焊板式、平焊松套式、翻边松套式、对焊翻边松套式、对焊环翻边松套式、对焊式、螺纹连接式、整体式及法兰盖 9种 常用的标准 b. 前苏联（OCT） 管子：小外径系列 外径尺寸同我国的JB 系列管法兰：欧式法兰 压力等级：PN 0.1、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10.0、16.0、20.0 11个等级 法兰密封面：全平面、凸台面、凹凸面、聚四氟乙烯用榫槽面、透镜面及椭圆型环连接面 7种 法兰型式：平焊板式、平焊松套式、翻边松套式、对焊式、螺纹连接式、整体式及法兰7种 4.1.2 美国应用标准体系(ANSI) 美国国家标准ANSI B16.5钢制管法兰及法兰管件是一个比较完整、比较成熟同时也是国际上比较流行、比较通用的先进标准。 管子：大外径系列 (ANSI B36.10和ANSI B36.19) 管法兰：美式法兰 压力等级：CL 150 300 400 600 900 1500 2500 Psi 7个等级 法兰密封面：凸台面（RF）、凹凸面（MF）、榫槽面（TG）、金属环连接面 4种 法兰型式：平焊式、承插焊式、对焊式、螺纹连接式、松套式及法兰盖 6种 美国应用标准体系ANSI中常用的标准 4.1.3 日本应用标准体系(JIS) 管子：大外径系列 (JIS G3454、JIS G3458、JIS G 3459) 与ANSI大多数相同 管法兰：(JIS B2201、JIS B2220等)自成体系,既不属于美式法兰,也不属于欧式法兰 公称压力等级：2K、5K、l0K、16K、20K、30K、40K、63K 共8个等级 法兰密封面：光滑面、大凸台面、小凸台面、凹凸面、榫槽面 5种 法兰型式：平焊式、承插焊式、对焊式、螺纹连接式、松套式及法兰盖6种 日本应用标准体系JIS中常用的标准 4.1.4国际标准化组织（ISO）的应用标准体系 管子：基本上属大外径系列(ISO4200) 管法兰：同时包括了美式法兰和欧式法兰两个系列。（ISO7005-1） 公称压力等级： 第一系列：PN 1.0、1.6、2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.0 8个等级；第二系列：PN 0.25、0.6、2.5、4.0 共4个等级。 ISO应用标准体系中常用的标准 4.1.5英国和法国应用标准体系 a.英国应用标准体系(BS) 管子：大外径系列 法兰标准：同时包括了美式法兰和欧式法兰两个系列。BS中常用的标准 b.法国应用标准体系(NF)4.2国内常用的标准体系 以管法兰标准为例,常用的标准就有国家标准(G 、机械行业标准(J 、石化行业标准(SH)和化工行业标准(HG)等。这些标准各有各自的温度-压力表、密封面尺寸和接管尺寸,相互之间互换性差,有些甚至不能配套使用。 4.2.1石化行业应用标准体系 管子尺寸系列标准(SH3405) 基本属于“大外径系列” SH3405等效采用了ISO4200标准，故当DN1100mm时,它能与ANSI B36.l/36.19标准配套使用。 SH3405直径范围和壁厚分级： 序号钢管类别公称直径范围壁厚分级 1奥氏体不锈钢无缝钢管10400Sch5s、Sch10s、Sch20s、Sch40s、Sch80s 2碳素钢、合金钢无缝钢管10600Sch20、Sch30、Sch40、Sch60、Sch80、Sch100、Sch120、Sch140、Sch160、XXS 3奥氏体不锈钢焊接钢管8010002.012mm 4碳素钢、合金钢焊接钢管15020004.018mm 法兰标准(SH3406)：属于美式法兰 公称压力：PN1.0、PN2.0(CL150)、PN5.0(CL300)、PN6.8(CL400)、PN10.0(CL600), PN15.0(CL900)、PN25.0(CL1500)、PN42.0(CL2500) 8个等级 法兰密封面： 当DN600时，凸台面、凹凸面、全平面、榫槽面、环槽面 5种 DN650时，凸台面 1种 法兰型式： 当DN600时，平焊、对焊、承插焊、螺纹连接、松套 5种 DN650时 对焊 1种 石化行业应用标准体系中的常用标准 4.2.2化工行业应用标准体系 管子尺寸系列标准(HG20553) A系列： 属于大外径系列 B系列：属于小外径系列 法兰标准 同时包含欧式法兰和美式法兰 欧式法兰（HG20592HG20605）压力等级：PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0等10个等级 法兰型式：板式平焊、带颈平焊、带颈对焊、整体式、承插焊、螺纹、对焊环松套、平焊环松套、法兰盖、衬里法兰等10种 密封面型式：突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等5种。美式法兰标准(HG20615-HG20626) 公称压力：PN2.0、PN5.0、PN11.0、PN15.0、PN26.0和PN42.0 6个压力等级 法兰型式: 带颈平焊、带颈对焊、整体法兰、承插焊、螺纹、松套等6种, 密封面型式 突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等5种型式。化工行业应用标准体系中的常用标准 4.2.3机械行业应用标准体系 管子尺寸 属于小外径系列 法兰标准 欧式法兰 压力等级：PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、20.0等10个压力等级法兰型式：整体、板式平焊、对焊、平焊环板式松套、对焊环板式松套、翻边板式松套和法兰盖等7种 密封面型式：平面、凸面、凹凸面、榫槽面、环连接面 5种。 机械行业应用标准体系中的常用标准 4.2.4国家应用标准体系 管子尺寸系列标准GB17395属于大外径系列 .法兰标准：(GB/T 9112-2000) 包括欧式法兰和美式法兰 接管分为系列I、系列II 欧式法兰：分为系列I、系列II公称压力 PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0MPa 9个等级 法兰型式：整体、带颈螺纹、对焊、带颈平焊、板式平焊、平焊环板式松套、对焊环板式松套、翻边环板式松套和法兰盖等9种 密封面型式：平面、突面、凹凸面、榫槽面 4种。美洲法兰：系列I(大外径) 公称压力 PN 2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.0MPa 6个等级 法兰型式：整体、带颈螺纹、对焊、带颈平焊、带颈承插焊、对焊环带颈松套和法兰盖等7种 密封面型式：平面、突面、凹凸面、榫槽面、环连接面 5种。中国国家应用标准体系常用标准 4.2.5 压力管道应用标准体系配伍 5管道压力等级 管道的压力等级包括两部分: 以公称压力表示的标准管件的公称压力等级； 以壁厚等级表示的的标准管件的壁厚等级。 管道的压力等级：通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数叫做管道的压力等级。而习惯上为简化描述，常把管道中管件的公称压力等级叫做管道的压力等级。 5.1 设计条件 工程上，工艺操作参数不宜直接作为压力管道的设计条件，要考虑工艺操作的波动、相连设备的影响、环境的影响等因素，而在工艺操作参数的基础上给出一定的安全裕量作为设计条件。这里所说的设计条件主要是指设计压力和设计温度。 管道的设计压力：应不低于正常操作时，由内压(或外压)与温度构成的最苛刻条件下的压力。 最苛刻条件：是指导致管子及管道组成件最大壁厚或最高公称压力等级的条件。 设计压力确定： 考虑介质的静液柱压力等因素的影响，设计压力一般应略高于由(或)外压与温度构成的最苛刻条件下的最高工作压力。 a.一般情况下管道元件的设计压力确定 b.管道中有安全泄压装置时，管道的设计压力应不低于安全泄压装置的设定压力。 c.管道中有高扬程的泵 此时泵的出口管道，其设计压力应取泵的最大封闭压力值。 d.真空系统 真空系统管道承受的压力就是其外部的大气压力，故其设计压力应取0.1MPa外压； e.与塔或容器等设备相连的管道 与塔或容器等设备相连的管道其设计压力应不低于所连设备的设计压力。当管道内有较高的液体液柱时，还应考虑该液体静压头的影响。且管道的设计压力一般应不低于设备的设计压力。 5.1.2设计温度 管道的设计温度: 应不低于正常操作时，由内压（或外压）与温度构成的最苛刻条件下的温度。 最苛刻条件 指导致管子及管道组成件最大壁厚、最高公称压力等级或最高材料等级的条件。 设计温度的确定： 考虑环境、隔热、操作稳定性等因素的影响，设计温度应略高于由内压 (或外压)与温度构成的最苛刻条件下的最高工作温度。 a.一般情况下管道元件的设计温度确定 b.夹套或外伴热管道 c.安全泄压管道 d蒸汽吹扫的管道 e.多种工况下工作的管道 f. 临氢管道 g. 带衬里的管道 h. 管系应力计算时 5.2影响管道压力等级确定的因素 除了上述的设计温度和设计压力是管道压力等级确定的基本参数外，还有一些其它因素也将影响到管道压力等级的确定。 5.2.1应用标准体系 5.2.2材料 5.2.3操作介质 5.2.4介质温度及管系附加力作 5.3影晌壁厚等级确定的因素 5.3.1材料的许用应力 材料的许用应力是指材料的强度指标除以相应的安全系数而得到的值。材料的机械性能指标有屈服极限、强度极限、蠕变极限、疲劳极限等，这些指标分别反映了不同状态下失效的极限值。为了保证管道运行中的强度可靠，常将管道元件中的应力限制在各强度指标下某一值，该数值即为许用应力。当管道元件中的应力超过其许用应力值时，就认为其强度已不能得到保证。因此说，材料的许用应力是确定管道壁厚等级的基本参数。 5.3.2腐蚀余量 腐蚀余量是考虑因介质对管道的腐蚀而造成的管道壁厚减薄，从而增加的管道壁厚值。它的大小直接影响到管道壁厚的取值，或者说直接影响到壁厚等级的确定。 a.无腐蚀余量。对一般的不锈钢管道多取该值； b.1.6mm腐蚀余量。对于腐蚀不严重的碳素钢和铬钼钢多取该值； c.3.2mm腐蚀余量。对于腐蚀比较严重的碳素钢和铬钼钢管道多取该值； d.加强级(大于3.2mn)腐蚀余量。对于有固体颗粒冲刷等特殊情况下的管道，根据实际情况确定其具体值。. 5.3.3管子及其元件的制造壁厚偏差 管子及其元件在制造过程中，相对于其公称壁厚(或者叫理论壁厚)都会有正、负偏差，因此在确定管子及其元件公称壁厚时一定要考虑可能出现的负偏差值。 5.3.4焊缝系数 金属的焊接过程，实质上是一个冶金过程，其组织带有明显的铸造组织特征。一般情况下，铸造组织缺陷较多，材料性能也有所下降。工程上常给它一个强度降低系数(即焊缝系数)，以衡量其机械性能下降的程度。 5.3.5设计寿命 5.4 常用压力管道器材的设计标准 6管道器材选用 压力管道的管子及其元件的选用包括应用标准、材料标准、结构形式、连接形式等内容的选定。它是管道压力等级内容的延伸。 6.1管子 在我国的钢管制造标准中，有结构用钢管和流体输送用钢管之分。 结构用钢管：主要用于一般金属结构如桥、梁、钢构架等，它只要求保证强度与刚度，而对钢管的严密性不作要求。 流体输送用钢管：主要用于带有压力的流体输送，它除了要保证有符合相应要求的强度与刚度外，还要求保证密闭性，即在出厂前要求逐根进行水压试验。对压力管道来说，它输送的介质常常是易燃、易爆、有毒、有温度、有压力的介质，故应选用流体输送用钢管。 6.1.1焊接钢管 a.连续炉焊(锻焊)钢管 b.电阻焊钢管 c电孤焊钢管 6.1.2 无缝钢管 无缝钢管 是采用穿孔热轧等热加工方法制造的不带焊缝的钢管。必要时，热加工后的管子还可以进一步冷加工至所要求的形状、尺寸和性能。目前，无缝钢管（DN15600）是石油化工生产装置中应用最多的管子。 a.碳素钢无缝钢管 b.铬钼钢和铬钼钒钢无缝钢管 c.不锈钢无缝钢管 6.2管件 常用的管件有：弯头、三通、异径管（大小头）、管帽、加强管嘴、加强管接头、异径短节、螺纹短节、活接头、丝堵、仪表管嘴、软管站快速接头、漏斗、水喷头、管箍等。 6.2.1连接形式 管件之间、管件和管子之间常用的连接型式有对焊连接、承插焊连接、螺纹连接和法兰连接。 6.2.2对焊管件 常用的对焊管件包括弯头、三通、异径管(大小头)和管帽，前三项大多采用无缝钢管或焊接钢管通过推制、拉拔、挤压而成，后者多采用钢板冲压而成。 它们通过公称壁厚等级（管子表号或壁厚值）来实现与管子等强度，至于其局部应力集中的补强，是制造厂应解决的事情。 6.2.3承插焊和螺纹连接管件 它一般是指DN40的管道元件，包括弯头、三通、加强管嘴、加强管接头、管帽、管箍、异径短节、活接头、丝堵、仪表管嘴、软管站快速接头、水喷头等。 6.2.4 常用管件标准 6.3法兰及紧固件 法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构，压力管道中应用很普遍也是一种很重要的连接形式。通常，法兰、螺栓与垫片三者共同构成一个密封副，三者共同作用，相辅相承，才能保证接头的良好密封。 盲板、8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓关系比较密切，常与它们配合使用。 6.3.1法兰 a.法兰种类 结构型式 管道法兰按与管子的连接方式分为以下六种基本类型：平焊、对焊法、承插焊、松套、螺纹法兰和整体法兰，如图61。 密封面型式 法兰密封面有全平面、凸台面、凹凸面、榫槽面、环槽面等五种。 法兰代号 不同的标准其法兰的密封面及型式的名称、代号略有区别。见表61、表62。 表61 密封面名称及代号对照表 序号SH 340696HG205922063597JB/T749094GB91122000 1全平面（FF）全平面（FF） 平面（FF） 2凸台面（RF）突面（RF）凸面突面（RF） 3凹凸面（MF）凹凸面（MFM）凹凸面凹凸面（MF） 4榫槽面（TG）榫槽面（TG）榫槽面