管道材料专业培训教材.doc

. . . .管道材料专业培训教材, i7 A. V; a. W/ _& l1 压力管道材料0 f3 l/ T* C, f* h$ K中国石化工程建设公司 3 c( s1 U& x |* I/ ?2006/05/26$ V. O( m2 v& ) 3 I目 录% U5 K7 C- k. O+ z# X( b: O第一部分 压力管道材料选用, e! 7 Br; z8 T5 F% b2 a第一节压力管道常用金属材料的基本性能2 v, Q* e1 S; x. J- k第二节金相学名词9 * H9 c7 N& S0 % C第三节钢材牌号表示方法 H) _$ ) , T7 v第四节杂质元素和合金元素在钢中的作用1 % B3 O$ k9 w5 N+ E. BH第五节铸铁和碳钢在化学成分、金相结构和性能上的差别4 ?4 T: t r$ 8 UVE第六节钢材的质量分级1 2 N5 k+ n9 b& x3 S第七节石油化工生产过程中常见的腐蚀环境3 L. H! u# X3 ?第八节金属材料热处理5 X6 3 9 w) f! 3 l第九节温度对材料选用的影响8 R* R. M; u, r2 g$ h4 C; D第十节压力管道常用金属材料的应用限制$ ?% ?2 N; O/ _0 O4 B- U第二部分压力管道器材选用4 R* 2 b$ j9 _# g2 x2 g- 2 B) p第一节常用压力管道器材标准# 9 N9 T / 9 B V- n第二节一般要求+ I! A! ?8 c0 A0 ) iy第三节钢管的选用要求* K% L p4 p E L- F第四节管法兰选用) a$ xq, b9 p, I9 u! N5 T第五节垫片, I8 m& _- b* q; I/ N8 _4 b; o第六节管件7 b. f# I3 f3 f; a- C3 n1 Z0 C第七节管道连接# b% S1 q; P5 ?) . K/ Z第八节紧固件* l# j; # p* z+ B( S: c第九节阀门. V+ K% E3 E1 c# v第十节材料代用% K4 K6 X) l* _9 b, q. e第三部分管道器材受压元件计算$ B2 p% A) k6 h: q第四部分涂料防腐5 ?1 |# X* Q& y5 b. k5 第五部分管道施工及验收规范; a# v! I S?/ w- C/ r第一节管道施工及验收标准规范7 G3 % I6 5 Z2 k- J; Y+ |5 k第二节无损检验q0 M/ Y2 Z/ S9 u( B: v; A! ?4 0 第三节管道系统试验$ z* q. o6 K1 . 第六部分管道分类 c! 2 j. E* o+ C根据国家质量监督检验检疫总局颁发的规定,压力管道设计单位必须取得相应级别的设计资格,为了配合这项工作,中石化编制了,此教材主要作为压力管道设计单位任证或换证时设计、校核人员考试的参考资料.为了使大家更好的理解此培训教材,从以下几方面给大家介绍一下压力管道设计情况。8 N9 s / 2 y T9 e T+ J# w5 S第一部分 压力管道材料选用& ?9 SI+ p: jR4 K第一节 压力管道常用金属材料的基本性能- S& E3 V9 n8 m; m Z金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。金属材料的工艺性能是金属材料在制造管道组成件的过程中，适合各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度。它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。金属材料的使用性能是金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括物理性能、化学性能和力学性能。金属材料的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。金属材料的化学性能是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。金属材料的力学性能是指金属在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。它包括强度、塑性、硬度、韧性及抗疲劳等。通常在压力管道设计、制造过程中，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。N 5 m, k! i, 一 金属材料基本概念& j/ y# # n# u1金属材料的机械性能指标(见 6.1.3) o u; v6 X, y; J x强度极限 b ：在拉伸应力应变曲线上的最大应力点，单位为 MPa。 , P: & n: . . : YFbb= (MPa) So; P5 R1 km9 A7 k1 Y, q- _8 d% |式中 Fb -试样承受的最大载荷（N）； / 9 . D9 R3 i# g! m nSo -试样原始横截面积（mm2）。 $ O% s! w- y; P2 a屈服极限 s : 材料的拉伸应力超过弹性范围，开始产生塑性变形时的应力。有些材料没有明显的屈服点，工程上通常取试样产生 0.2残余变形时的应力作为条件屈服极限0.2，单位为 MPa。5 U. b9 6 ; CFss= (MPa) So S5 J0 B- o) l# c式中 Fs -试样屈服时的载荷（N）；4 G7 u8 4 h# A& z6 ; So -试样原始横截面积（mm2）。* f O7 d# i% 9 k3 H2 DF0.20.2 = (MPa)So7 - y9 n( y1 J8 T6 t式中 F0.2 -残余伸长率达到0.2%时的载荷（ N）； JT, J: p& IU& $ CSo -试样原始横截面积（mm2）。 9 T: U+ Y3 _* c+ L# |4 Z持久强度 t 8 z, L g0 _3 K3 Y( , 0 : D ：试样在设计温度下、经 10万小时后，断裂时的平均应力，单位为 MPa。 3 F5 / U* ?& g k/ R( s) y# X蠕变极限 tn：在给定温度下和规定的持续时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。工程上通常采用钢材在设计温度下，经过 10万小时后、蠕变率为 1时的应力值，单位 MPa 。) z5 1 . X. , ?+ U: P 延伸率 ：表明试样在拉伸试验破坏时，产生了百分之几的塑性伸长量。它是衡量钢材塑性的一个指标。试样长度一般选择为其直径的 5倍或 10倍，因此，有5(短试样)和10（长试样）两种指标，单位为。 * c7 a: i3 E& F( + a8 L1- L0= x 100% L0 m+ % g) o9 r9 I式中 L1 -试样拉断后的标距（mm）；|5 w; I4 k- T. B; IL0 -试样的原始标距（mm）。 Q8 J8 D- j7 q) R8 ?断面收缩率 ：断面收缩率表明试样在拉伸9 f3 ? R F1 u* n2 U试验发生破坏时,缩颈处产生的塑性变形率，单位为。 3 a$ v& n1 v+ ?2 l wS0- S1 = x 100% S04 x+ f, |; ?& P9 K. U% M式中 S0 -试样原始横截面积（mm2）；% j# F0 R( ; k% l& G6 V# g$ U+ rS1 -试样拉断处的最小横截面积（mm2）。3 T+ a3 u1 S) 金属材料的和数值越大，表示材料的塑性越好。 0 q! x1 e& X$ v1 L4 h) G) s( ?冲击功 A k：冲击功是衡量钢材塑性、确定钢材是否产生脆性破坏的一个指标。单位为焦耳（J）。钢材在进行缺口冲击试验时,消耗在试样上的能量,称为冲击功,用 A k表示。消耗在试样单位截面上的冲击功，即为冲击韧性，用 ak来表示。在同一温度,由不同材料做成的相同的冲击试件,冲击功越大,表示材料韧性越好。$ Z _1 Z* j j5 / s, 脆性转变温度：金属的韧性状态向脆性状态转化的温度称为脆性转变温度。材料的脆性转变温度愈低，材料的低温冲击韧性愈好。碳素结构钢的脆性转变温度为-20。目前确定脆性转变温度的普遍方法是，把冲击值降到某一特定允许的最低冲击值的温度，作为该材料的脆性转变温度。硬度 ： 硬度是反映材料对局部塑性变形的抗力和材料耐磨性的指标。硬度的表示方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（RC）和维氏硬度（HV）。根据经验钢材的硬度与其抗拉强度有如下近似关系：5 N/ C. K; R6 轧制、正火的低碳钢 3 9 J% w, 3 4 Db =0.36HB；/ Z4 g: # L% d+ w$ 3 T. t# _& w. k轧制、正火的中碳钢或低合金钢钢 0 1 P1 r: Q0 A6 e; H& r5 p# N& Nb =0.35HB；7 A/ w B4 J6 c+ . W硬度为 250400，经热处理的合金钢 ) ; , z s7 J: K; r: yb =0.33HB。, u- C& t/ D/ T% x 2弹性变形和塑性变形（见 6.1.5）5 c A& n. % 1 E$ lC& R& E: j构件或物体在外力作用下产生变形，外力除去后能完全恢复其原有的形状，不遗留外力作用过的任何痕迹，这种变形称为弹性变形。构件或物体在外力作用下产生变形，当外力除去4 H7 H( d; g# % . 后，构件或物体的形状不能复原，即遗留了外力作用下的残余变形，这种变形称为塑性变形。. . X8 P9 _; 3加工残余应力产生的原因及对材料性能的影响(见 5.12) 3 ! L, r% V; Q) T! R$ W当金属材料在外力的作用下发生塑性变形时，由于金属中各晶粒的晶格取向各不相同，滑移方向也各不相同，为平衡这种不均匀变形其各晶粒之间将产生内应力；另外，在金属材料的塑性变形过程中，由于大量的位错等晶格缺陷而引起的晶格畸变使晶格处于极不稳定的壮态，在原子力的作用下，它们都保持着恢复正常位置的趋势，为平衡畸变晶格的复原也将产生内应力。这几种内应力都属于加工残余应力。实验证明，由晶格畸变产生的内应力最大，是主要的加工残余应力。加工残余应力的存在会给材料的性能带来一系列不利影响：它会使材料的强度略有升高，但塑性和韧性却大大降低；在高温条件下使用时会因应力松弛而影响产品的变形；在腐蚀环境中使用时使材料更易遭受腐蚀等等。1 J. D7 e# X! l2 L6 d. U5 Y& q: X3 O第二节 金相学名词 8 q! d# H( z& R4 s1相 ：合金中具有同一化学成分，同一聚集状态并以界面分开的各自均匀的组成部分。 % r Y: U4 _7 x, A7 F2固溶体 ：两种在固态和液态均能相互溶解的元素所形成的单相晶体。9 S2 5 XG7 x8 J! o# M* c4 B8 u3金属化合物 ：两种金属元素形成的化合物。新形成的化合物具有新的晶体机构，通常具有较高的熔点、较大的硬度，较低的塑性和韧性。. M% p$ E5 C6 D; l g- Z# w/ g2 W4机械混合物 ：两种不同晶体结构的晶核彼此机械混合而形成的物质。6 M9 P: C8 nm/ Q1 F2 t8 L0 wg; O b5 铁：工业纯铁的熔点为1534，在1390以上 Fe原子按体心立方晶格排列，称为铁。 G2 r( Z! z2 h R6铁素体 :铁素体是碳在铁中的固溶体。在 1493时，碳的最大溶解度为 0.1。9 o# w; d Y; a9 e3 z1 n7 铁 ：在温度 9101390时铁的晶格发生同素异构转变，晶体结构转变为面心立方晶格，变为铁。- u: w- f0 Q G0 a z8奥氏体 : 是碳在铁中的固溶体，以 A表示，在 1493时的最大溶解度为 2.06，723时为 0.8。其强度和硬度较高，塑性、韧性也较好，适于压力加工。) R* x4 6 a! l/ W9铁：温度低于 910时，铁的晶格又转变为体心立方晶格，称为铁。 ?# N( F, N* ( T5 |10铁素体 : 是碳在铁中的固溶体，以 F表示。在 723时，碳的溶解度为 0.02，0& 0 ?& e0 / _# Z: U时仅为 0.008。其强度和硬度都很低，仅比纯铁略高，塑性、韧性较好，适于压力加工。/ e; 7 O# j: h+ o. D11渗碳体 ：是铁和碳的金属化合物，分子式为 Fe3C, 其硬度高，塑性和韧性极低，即硬而脆。渗碳体不能单独使用，只能作为强化相存在于铁碳合金中。* . 2 o; c. x6 * 0 H$ m w/ y3 12珠光体 ：是铁素体与渗碳体相间排列的片状组织，是机械混合物，以 P表示。其强度和硬度较高，又具有一定的塑性和韧性，是一种综合力学性能较好的组织，适于压力加工及切削加工。2 J& d: O. p9 q, U$ A+ a5 J5 Q, W13莱氏体：是铸铁或高碳高合金钢中由奥氏体（或其转变的产物）与碳化物（包括渗碳体）组成的共晶组织。高温莱氏体以（Ld）表示,低温莱氏体以（Ld）表示其性能与渗碳体相似，即硬而脆。参考资料可见铁碳合金状态图有关方面解释。 ; Q! _5 f c: t h$ U6 u-Fe C+-Fe铁素体 1390固 - H; F) s( e-Fe C+-Fe奥氏体溶 910体 8 A- n4 ! W2 K$ c- L q( D5 -Fe C+-Fe铁素体 . U* E1 m4 U8 p r% N6 UC+ Fe渗碳体 ：金属化合物 T $ T+ ?4 s. u铁素体+渗碳体 珠光体 ：机械混合物7 W# j# D d; x 第三节钢材牌号表示方法8 k( N& X4 l/ |1 S5 v& A+ N我国钢铁产品牌号表示方法（GB/T221-2000）的规定，一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。6 a( A5 + + % j2 k1普通碳素结构钢牌号采用屈服点的拼音的第一个字母”Q”及屈服强度值(Mpa),质量等级（ A、B、C、 D、E），脱氧方法（F、b、Z和 TZ，其中 Z和 TZ可省略）等符号表示，按顺序组成牌号。如：Q235AF表示屈服点235Mpa、质量为 A级的沸腾碳素结构钢。GB700中的 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275；低合金高强度结构钢的牌号表示方法与上述基本一致，如： GB/T1591中的 Q295, Q345, Q390, Q420, Q450。: m T% r f% h1 O 5 R) n2优质碳素结构钢钢号采用钢中含碳量的万分数（平均值）表示。当钢中含碳量为 0.150.6，含 Mn量超过 0.7（0.71.0）时，称之为高锰钢，必须将“Mn”标出，如 20Mn、40Mn等。% w5 n* $ n3 P7 Q3合金钢牌号，采用“两位数字+合金元素符号+数字”表示，前两位数字表示钢的平均含碳量（万分之几），合金元素用化学符号表示（或汉字表示），后边的数字表示合金元素的平均百分含量，当合金元素含量小于 1.5时，只写出元素符号，一般不标明含量；当含量为 1.5 2.49、 2.5 3.4922.523.49时，则在元素后相应写成 2、323表示。例如 40Cr表示平均含碳量为 0.4、 Cr含量小于 1.5。当钢中硫、磷含量低于 0.025时即为高级优质钢，此时在钢号后再加上“高”字或“A”,例如35CrMoA。$ x; 8 y$ o! 9 ?/ _3 m4不锈钢牌号:奥氏体不锈钢采用“一位数字+合金元素符号+合金元素百分含量”表示，前面一位数字表示平均含碳量（以千分之几计），含C0.03时用“00”、C0.08时用“0”、C0.15时用“1”表示。例如 H3 q6 l. o5 ? % z7 00Cr19Ni10表示C0.03， & l% O7 i. x( ?4 N& l5 PRCr:1820%,Ni:812%,0Cr18Ni9表示C0.08， 1 e5 v8 q4 2 V2 x w# y* H: n( A, TCr:1719%,Ni:811%,1Cr18Ni9表示C0.15， % Q: s7 H% W& H+ wCr:1719%,Ni:810%等。1 / - i% 7 S+ 7 j% jC0.08的奥氏体不锈钢为低碳不锈钢，C0.03的奥氏体不锈钢为超低碳不锈钢马氏体不锈钢牌号的表示方法中的前面一位数字，当含碳量大于 0.15后，基本上是采用平均含2 t7 N4 d# d! U# C碳量的千分数表示，例如 2Cr13的含碳量 0.160.25。: | D# J w/ h* : 5铸钢牌号 ; i8 i/ V F! e J* GB 11352 一般工程用铸造碳钢件的牌号表示方法采用拼音字母+屈服限+强度限来表示。例如 ZG200-400, s=200MPa, b=400Mpa./ 5 ?& SU O& o+ k2 T6铸铁牌号 9 % g8 0 J0 b# 灰铸铁牌号采用灰铁两个字第一个的拼音字母 HT+b值表示。9 L0 C$ J, H例如 GB9439灰铸铁件中的 HT100,HT150, HT200, HT250, HT300, HT350.) C/ 4 M( Z3 Q1 3 N$ ( l可锻铸铁牌号采用材料名称的拼字头、金相结构代号、强度限和延伸率表示。8 u! l: Z5 2 B( C: G9 w. * 7 w, R4 f例如 GB 9440可锻铸铁件中的 KTH300-06, KTH330-08, KTH350-10, KTH370-12; KTZ450-06, KTZ500-04, KTZ600-02, KTZ700-02等。其中 H代表铁素体,Z代表珠光体。以 KTH300-06为例，表示为铁素体可锻铸铁 b=300Mpa,=6。 / A 2 , f: V* X 球墨铸铁牌号表示方法与可锻铸铁相似。2 e3 ?) + ! N7 G, 3 C例如 GB1348球墨铸铁件中的 QT400-18, QT400-15, QT450-10, QT500-7, QT600-3, QT7002, QT800-2, QT900-2。以 QT400-18为例，球墨铸铁的b=400Mpa、 =18。参考资料可见钢铁产品牌号表示方法GB/T221-2000标准。/ i& a/ ! g ( t6 s第四节 杂质元素和合金元素在钢中的作用3 * m4 e& _& C3 s/ M非合金钢中的杂质元素是在冶炼过程中不是人为有意地加入或保留的元素。常见杂质元素有硅、锰、硫、磷等，对钢的性能有较大的影响。5 l7 B. ) Jn p0 F- J) L合金钢中的合金元素是为使金属具有某些特性，在基本金属中有意加入或保留的金属或非金属元素。钢中常用的合金元素有铬（Cr）、锰（Mn）、硅（Si）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钴（Co）、钛(Ti)、铝（Al）、铜（Cu）、硼（B）、氮（N）、稀土（RE）等。其中硫、磷在特定的条件下可认为是合金元素，如易切削钢中的硫。. d5 k9 S7 j$ y* a5 n一、 主要杂质元素在非合金钢中的作用. C9 d% D. + Z* w1 q1锰; k2 S: i, G$ s6 M|: I非合金钢中锰的含量一般为0.250.8%。锰是炼钢用锰铁作脱氧剂的残存元素，锰有很好的脱氧能力；锰能溶于铁素体和渗碳体中，使其固溶强化，并能增加和细化珠光体，从而提高其强度和硬度；锰可与硫形成MnS，以消除硫的有害影响。, G- s1 O, k& r) C7 U( p2硅* u b% t5 T1 & D : n. 硅在镇静钢中含量一般为 0.10.4%，而在沸腾钢中含量一般小于等于 0.07%。硅也是作为脱氧剂进入钢中的，硅比锰的脱氧能力还强；硅能溶于铁素体中使其固溶强化，从而提高其强度、硬度和弹性。2 c9 / q# O% t# J3硫5 Z7 , y, |+ q# # y8 * O8 _/ E) a( 硫是钢中的有害元素，由矿石与焦炭中带来的。硫与铁形成化合物FeS(熔点为1190左右)，而 FeS与铁形成低熔点(985)的共晶体分布在晶界处。当钢在 10001200进行锻压或轧制时，由于这种共晶体先熔化，而使钢沿晶界开裂，称为“热脆”。硫还降低钢的耐腐蚀性。9 o0 _2 D4 r1 ?3 - : d4 磷4 H! 0 h6 P, U! w0 1 L* O . t s9 P磷是钢中的有害杂质，磷溶入铁素体中，使钢的塑性下降，钢的强度、硬度升高，造成钢的“冷脆性”。但可提高钢的抗蚀性，可改善钢的切削加工性能。# % Y k5 q. # d8 A, w5碳5 W4 P$ Y4 Q$ L碳含量升高，钢的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，焊接性能下降，焊缝热影响区扩大。但 C0.9后钢的强度反而下降。0 o% # D h% J8 4 L) V M2 Y二、合金元素在钢中的作用合金元素对钢基本相的影响。- l8 G7 O q+ 0 n! c I钢的基本相是铁素体和渗碳体。# a; C8 r K1 A1强化铁素体：大多数合金元素（如铬、钨、钒、氮、锰、硅、磷等）都能溶于铁素体中产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 M! Nq9 l( / u, ?2形成碳化物：钢中能形成碳化物的元素有铁、2 v1 k W. C: U2 R1 V锰、铬、钼、钨、铌、锆、钛等（按与碳亲和力由弱到强排列），与碳的亲和力越强，形成的碳化物越稳定，硬度也就越高。/ T n9 M- q i第五节铸铁和碳钢在化学成分、金相结构和性能上的差别6 M; F0 |0 jw3 U5 o k. A& L4 X铸铁的含碳量一般在 2.54.5，并含有比钢多的 Si, Mn, S, P。碳在铸铁中除少量溶于基体外，绝大部分是以石墨或碳化物的形式存在。铸铁比碳钢脆，不能锻轧，但铸造性能和切削加工性能好。钢的含碳量 C2.1, 含有少量的 Si, Mn, S, P,合金钢还含有一定量的其他合金元素，如 Ni, Cr, Mo, V等。各种成分以不同的金属相、金属化合物和机械混合物构成。钢的机械性能好，便于各种加工。: J! c8 x& o( Q通常，低碳钢含碳量0.25%,中碳钢含碳量为0.250.6%,高碳钢含碳量0.6%。8 Y# 8 z3 O/ r. G9 v6 % L* E第六节钢的质量分级& i# y* DT9 o/ G3 m4 k（1）钢材： GB/T 3077 合金结构钢,GB699,GB700是以钢中硫、磷、及残余铜、镍、铬的含量来划分质量等级的，如下表所示。 6 U2 B9 v- y G! 1 T6 T# o钢类P S Cu Cr Ni不大于6 ( f. - eM9 n z4 Q普通质量 优质 高级优质 特级优质 2 u+ K _2 f* h7 0.045 7 o8 T, Z6 X2 l4 A R0.035 K! U; 0 W# E1 P! k0.025 6 M; S7 $ U; k, q) 0.025 2 r# D3 g+ - T0.05* X; G0 D9 u9 C) s* f! R. u% # X! w-$ Z5 t3 o7 P % r2 I0.035 . l4 l9 h2 tP6 N% ) v0.3 * l9 D F) D, a( g8 B3 Y0.0258 L* c, bA ; e- L9 v1 B+ ?2 R5 i! U6 O8 g% / 0.25 ! E* N. k& L0 N. 0.0153 z; W4 ; X- 0 O; y2 q, b% P6 r0 J4 f& T+ f( u! x0.25 $ D/ V/ z; f! 4 N-1 7 J3 3 j+ P3 v5 N5 4 z0.3 9 z, l2 / r2 J7 C: * Z, n Q( l! n/ T0.3 & B2 X C1 , w0.3 4 k$ U. R/ k; e-3 X4 / m; a8 Q- b+ D0.3 / u5 |# q; 6 V v$ # H0.3 5 u) T- D+ v* b7 B4 n0.3) c8 q1 o5 _y0 , / S. a9 C高级优质钢在钢材牌号后边加”A”,特级优质钢在钢材牌号后边加”E”表示。: M6 T2 b5 G+ P _（2）锻件： . B6 ?$ b+ , F0 W+ v/ oJB4726压力容器用碳素钢和低合金钢锻件将锻件质量分为、4级； ) h5 n3 3 ) L. _0 r6 w) wJB4727低温压力容器用低合金钢锻件、将锻件质量分为、 3级； 6 5 _% ?, S2 y$ S5 J7 B2 D* z lJB4728压力容器用不锈钢锻件将锻件质量分为、 4级，如下表所示. . y, b3 T) W! U5 P级别检验项目检验数量 * H! j+ D/ y! Z D! o& M8 W! z硬度逐件 3 ( c- a5 M: Y+ l. Z8 2 m拉伸，冲击（ b, s , 5 ,Akv）/ |8 j V9 k5 N) V同炉批号，同热处理，抽检一件F2 |/ e! j: b) J r拉伸，冲击 (b,s, 5,Akv)2 o0 s8 tA( Q* H7 I4 g* j同上 3 x s6 t) x9 r2 X3 P; h9 N( M超声检测逐件$ I+ Q7 J J# j拉伸，冲击 * W0 r D$ H4 e7 P7 u, Q( b, s, 5,Akv); b- o* - , t7 c ( P; 逐件 超声检测逐件4 J8 p% 9 j+ 6 X0 W9 L% M( ) E（3）铸钢 0 a0 z% e6 S q ?GB 11352 一般工程用铸造碳钢件将铸钢件质量分为3级：8 H% H8 W: |. c+ z级：高级质量铸钢 P, S 0.04 S) y/ _ I; & B4 c. s. E! S% yz级：优级质量铸钢P, S 0.05 v* L# m+ _9 r9 z bM2 Q6 V1 V级：普通质量铸钢P, S 0.06 # u k0 M+ u- : A* I0 i9 d+ K8 j第七节石油化工生产过程中常见的腐蚀环境5 # q1 U C) : H7 4 o 9 G: h7 _z2 # b一 金属腐蚀的概念(见 6.5.1 P285)5 : B) g, H0 q金属与周围介质相接触，产生化学或电化学作用而遭受破坏的过程称为腐蚀。! x: n2 H. k8 1 L4 t腐蚀的分类方法较多，常用的有以下几种：- 1 I+ C, k1 z; H- B. j（1） 按腐蚀介质分，有大气腐蚀、水腐蚀、土壤腐蚀、高温气体腐蚀及各种酸、碱、盐的腐蚀等；% J/ h- O6 w2 l, j* R: 2 d& D（2） 按遭受腐蚀的材料分，有碳钢的腐蚀、有不锈钢的腐蚀、各种有色金属的腐蚀及高分子材料的腐蚀等；* Q/ |; |$ r2 G0 m- V8 k（3） 按着腐蚀形式分，有均匀腐蚀及局部腐蚀两大类，后者又有晶间腐蚀、点蚀及缝隙腐蚀等； . o) j6 V/ K( z7 J/ u(4)按腐蚀发生的机理分，有化学腐蚀及电化学腐蚀两大类。; N6 m& a1 l+ R! ; n- l% z: S6 |/ v9 U二 应力腐蚀破裂(6.5.3) 4 I0 t! Hk0 C/ D$ M9 e $ 0 K* m) - Y5 M, & J应力腐蚀破裂是金属构件在拉伸应力和腐蚀环境共同作用下引起的破坏。应力腐蚀断裂的产生应具备三个条件，其一要有特定的腐蚀环境（包括腐蚀介质的成分、浓度、杂质和温度等）；其二是要有足够大的拉伸应力（超过某一极限值）；其三是金属材料具有特定的合金成分和组织（包括晶粒大小、晶粒取向、形态、相结构、各类缺陷等）。工程上防止应力腐蚀开裂的措施有以下几方面：其一是降低应力水平，避免或减少局部应力集中，消除加工残余应力和焊接残余应力。其二是控制敏感环境，例如加入缓蚀剂，升高介质的 PH值，采用电化电化学保护等措施。其三是正确选用材质，力求避免易产生应力腐蚀开裂的材料-环境组合。可产生应力腐蚀破坏的金属材料和环境的组合主要有以下几种：) w, R4 B7 Z/ J! P. y6 C. V（1） 对碳钢和低合金钢，介质有碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等；/ P+ n% Cx; - 2 w M（2） 对奥氏体不锈钢，介质有氯离子、氯化物 +蒸汽、湿硫化氢、碱液等； GI8 I* C8 k; f8 v6 W. L7 N& M（3）对含钼奥氏体不锈钢，介质有碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜的水溶液等；2 . r Z; o! W$ j6 C4 l( u, q（4） 对黄铜，介质有氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等；$ d6 q$ ! u; （5） 对钛，介质有含盐酸的甲醇或乙醇、熔融氯化钠等； u0 O1 H0 dd9 a% r(6) 6 H( e- ?& 4 Y. c对铝，介质有湿硫化氢、含氢硫化氢、海水等。8 A% H1 M) Y* C2 L: L三 晶间腐蚀 & L& I+ h& g6 Z1 X4 U1晶间腐蚀是由于晶界沉积了杂质，或某一元素增多或减少而引起的。这种变化大多由于不适当的热处理或冷加工所致。晶间腐蚀的发生有两个条件，其一是晶界物质的物理化学状态与晶粒本身不同，其二是有特定的腐蚀环境存在。以奥氏体不锈钢为例，它在焊接时，焊缝两侧23毫米处可被加热到400910,这就是所谓的晶间腐蚀敏化区,这时晶界的铬和碳化合为 Cr 23C6,从固溶体中沉淀下来,铬的流动性很慢,不容易从晶内扩散到晶界,因此晶界形成贫铬区。钢中含铬量须在 11%以上才有良好耐腐蚀性，贫铬区的铬量可降到 11%的水平，因此，在适合的腐蚀溶液中就形成“碳化铬（阴极）-贫铬区（阳极）电池，使晶界贫铬区产生腐蚀。/ ) o$ e6 v4 X& |) g( u7 C2工程上防止晶间腐蚀（对奥氏体不锈钢而言）发生的措施主要有：& a* F: q. H- G& Z, h+ I进行固溶化热处理；# |8 P0 X4 0 H降低不锈钢中的含碳量，将碳含量降 低到 0.03%以下； ) U D! q2 T, 2 k 采用含稳定化元素（主要是钛和铌）的奥氏体不锈钢。 7 R4 xw8 : g; H3 四 氯化物腐蚀% W. K2 I$ |+ D4 O介质中氯化物分为两种，一种为无机氯化物，另一种为有机氯化物。前者一般由原油中带来，后者则是生产过程的产物，即在生产过程中混进来的。氯化物对碳素钢的腐蚀基本为均匀腐蚀并伴随着氢脆的发生。对不锈钢的腐蚀为点蚀，从一些试验资料上看，常用不锈钢抗氯化物的点蚀能力由低到高的顺序是： 304304L1Cr13316316L3213472205。& p: ?2 g) W& T& z3 A( I8 F. g工程上防止氯化物腐蚀的措施主要从以下几个方面考虑：( j9 B 5 FF2 C% w G& E- b9 V(1) 加强原油的脱盐工艺，使得原油中的NaCl、 MgCl2、CaCl2尽可能在原油蒸馏前大部分被脱去。 - R/ S: B0 y; S( M0 T. _(2) 对重点部位（如塔顶冷凝系统）注氨、注碱、注水、注缓蚀剂。其中注氨、注碱的目的是中和 HCl,注水的目的是稀释 HCI，当 Cl离子的浓度降到100PPm以下时，腐蚀就会变得缓和。一般工程要求其 Cl离子浓度应控制在 50PPm及以下。& F, A5 , F- K% O! ? b(3)选择适应的材料，如采用碳钢不锈钢复合钢板。: Z% K. J% |+ D; e( H5 o, l五硫化物的腐蚀（SH/T3129-2002）加工高硫原油重点装置主要管道设计选材导则* b) 1 mc. Q% 1 硫化氢腐蚀$ v8 X9 , b4 Z/ g& v防护措施：$ a6 . V a$ _. ) I& B9 S1） 改进材料性能 1 p+ E+ 3 h) N6 F6 f7 Aa) 降低钢材的含硫量，当钢材的含硫量 为0.0050.006%,可耐硫化物应力开裂。 5 a0 j% J; & xe% Q$ x_# ob) 钢中增加 Ca,Ce(铈)元素，使钢中 MnS 夹杂物由条状变为球状,以防止裂纹产生。. F1 g* a9 w; b; R0 gc) 增加 0.20.3%铜，可减少氢向钢中的扩散量。 + 7 8 Z3 8 q! 2）焊后热处理 并控制焊缝硬度， API RP942 “控制碳钢炼油设备焊缝硬度防止硫化物应力开裂”中认为：在设备制造过程中,防止操作中硫化物应力开裂的最现实和最经济的三个方法如下：t8 z1 y. Z- % a3 L! G& xa) 仔细控制焊缝化学成分避免合金成分超高（锰最大含量1.6%，硅最大含量1%）；+ ?* b% P( % b2 Y/ s) g# W3 ub) 保持焊缝硬度在合格范围(HB200)；* M: B M0 v9 C8 G$ i& dc) 进行焊后热处理，消除残余应力。, L, z8 b& M w* Q- t在多年的生产实践中，因低温 H 2S腐蚀而发生的事故时有报导，因此工程上给予了严格的材料使用条件，以防止 H 2S应力腐蚀导致的事故。这些条件归纳起来有三项：其一是在选材上要求钢材的屈服极限不大于 490MPa，同时必须是镇静钢。不得选用含镍量大于 1.0的低合金钢。其二是加强对原材料及焊缝的无损检测，严格控制焊接缺限和制造缺陷的存在。其三是进行焊后消除应力热处理，并控制其焊缝硬度不大于HB200。 ( m4 F! c, P! H2 高温 H 2-H2S腐蚀6 m) L VX7 B: z1 g存在于加氢精制及加氢裂化装置高温（300420）的反应器、加热炉管及工艺管线。腐蚀形态为 H2S对钢的化学腐蚀。在富氢的环境中 90%98%的有机硫将转化为硫化氢。在氢的促进下可使 H 2S加速对钢材的腐蚀。各种钢材的 H 2+H2S的腐蚀率可按库柏-高曼（Couper-Gtorman）曲线选取。# V$ R* M2 x* f! M; Xt! 3 对于在湿 H 2S应力腐蚀环境中防止碳钢和低合金钢管道发生应力腐蚀破裂的问题，对材料和制造工艺的要求主要依据控制碳钢炼油设备焊缝硬度防止环境破裂API942及油田设备用抗硫化物应力开裂金属材料要求NACE(National Association of Corrosion engineers) MR0175(Sulfide Stress Cracking Resistant Metallic Materials forOilfield Equipment)油田设备抗硫化应力断裂的金属材料的规定而提出的。钢的硬度越高，越易发生应力腐蚀，NACE标准规定，含硫用钢的硬度 HRC22，焊缝处硬度为 HB200，这是因为焊缝硬度的分布比母材复杂，所以对焊缝硬度的规定比母材严。焊缝部位常发生破裂，一方面是由于焊接残余应力的作用，另一方面是由于焊缝金属、溶合线及热影响区出现淬硬组织的结果，为防止破裂，焊后进行有效的热处理十分必要。详细解释及应用见NACE MR0175标准，另外，也可见中石化标准加工高硫原油重点装置主要管道设计选材导则中的材料选用。构成湿硫化氢应力腐蚀环境(详见6.5.4)：9 m & R$ ! / s o4 C( n（1） 介质温度低于或等于（60+2P），P为介 质压力，Mpa;! Y6 r! : b% o; G4 j& A6 a7 D（2） 硫化氢在介质中的分压大于等于0.00035Mpa;2 GO# F% x: u# d c2 3 J( g（3） 介质中含有液相水或有水的结露；: j+ J+ r! + n- o（4） PH小于 9或有氰化物存在。, e6 K0 u5 R8 l当介质构成湿硫化氢应力腐蚀开裂的环境条件时，应用的材料应符合下列要求：, x A 0 J4 V. Z3 c$ （1）材料标准规定的屈服强度应小于等于 355Mpa;6 q- w2 I# Z4 G（2） 材料实测的抗拉强度应小于等于 650Mpa;6 ! L- A6 q- p! F（3） 材料的使用状态应为正火、正火+回火、退火或调质状态；8 Q; NJ0 O5 e（4） 碳当量限制：对碳钢和碳锰钢应小于等于0.4,对于低合金钢应小于等于 0.45;! L. I) d! E3 X( Q- z: R3 V8 S（5） 硬度硬度：无论是对材料本体或焊缝及热影响区，硬度均应小于等于HB200。 / V9 * X# J+ |5 F2 H7 S# 9 O# t(6) 焊后应进行消除应力热处理或其它等效的热处理。; A6 l n# v5 q3 F六氢脆与氢腐蚀(6.5.7) b0 G: u# l- m: L8 + % D, W氢脆：在高温、高压下分子氢部分分解成原子氢，或者在湿酸性腐蚀环境中经过电化学反应生成氢原子，这些氢原子渗透到钢内部后，使钢晶粒间原子结合力降低，表现为钢材的延伸率、断面收缩率降低，强度也发生变化，这种现象叫氢脆。氢脆是一次脆化，是可逆的；通过热处理将氢释放出去后，金属将恢复其原有的机械性能。5 # O- R/ m- S. . r影响氢脆的因素有：(6.5.8)Z; d6 b& # e o8 s1) 氢分压。氢分压越高，延迟破坏时间越短；: 2 Y. e, d! H% / y O- W9 D: u! 2) 温度，高温下不发生氢脆，此时它已转化 为氢腐蚀。温度太低时也不发生，因为此时氢不具备大量渗入金属晶格内的活性。它一般多发生在-3030温度区间内； : X V0 r6 B0 O6 Z/ S0 e3）金属材料的强度，强度越高，发生氢脆的可能性越大； , E; 8 i1 ?) K: O4 q4）金属的金相组织，如马氏体组织发生氢脆的指数是球状珠光体组织的 3倍； % ; : z$ o$ ?5）应力水平，材料的脆断是在足够的应力作用下发生的，降低应力水平，使其低于晶4 K5 M: C6 L( q9 n& m O7 q格滑移所需的能量，氢脆将不会发生。* . y0 L; p7 S/ _2 s工程上防止氢脆发生的措施有：避开其温度敏感区使用；选用强度低的材料；降低金属构件的应力水平。7 V8 U1 o9 b8 氢腐蚀：是指钢材长期与高温、高压氢气接触时，4 q* F8 6 o# R! l, d/ m4 D氢原子或氢分子会与钢中的碳化物（渗碳体）发生化学反应生成甲烷（ Fe3C2+H23Fe + CH4）, 当这样的化学反应发生在钢材的表面时，称为表面脱碳，发生在钢材内部时，称为内部脱碳。内部脱碳和外部脱碳统称为氢腐蚀。6 I/ i; F: N! P6 对于钢材内部的内部脱碳，由于生成的甲烷气体不能从钢中扩散出去，而聚积在晶粒间形成局部高压，造成应力集中，进而使钢材产生微裂纹或鼓泡，致使钢材的强度及韧性下降，即使钢材变脆。氢腐蚀是永久脆化，是不可逆的。影响钢材表面脱碳和内部脱碳的主要因素是氢分压和温度。工程上防止氢蚀的破坏的选材依据是 Nelson曲线。该曲线由美国石油学会 ) v5 Y; s1 f6 d d& R( A, v6 F3 API标准发布，目前广泛被各国所采用。在应用 Nelson曲线时，图中各数据点绘制的安全温度是在操作条件的10范围内波动。因为附图是基于大量生产数据绘制的，故在选择材料时应在相关曲线下增加安全系数。温度可取设计温度加2040，按 SH3059中规定.* , I+ S9 j; _$ E/ | 七环烷酸& * G- y* u* X8 9 b环烷酸腐蚀的防护措施主要是选用耐蚀材料。而碳钢、Cr5Mo、Cr9Mo及 0Cr13不耐环烷酸高温腐蚀。此种腐蚀部位应选用 00Cr17Ni12Mo2(316L)材料，且 Mo含量大于 2.3%。在无冲蚀的情况下，也可选用经固溶化处理的 0Cr18Ni9(304)材料。3 o: o/ ) + q, H q0 v八 液氨应力腐蚀（见 6.5.5）. p i+ n. q) V+ y/ ?) I% b6 e: 当介质符合下列各