压力管道材料第四章.ppt

机械行业压力管道设计审核人员培训,合肥通用机械研究院蔡善祥,第四章管道材料,2,目录第一节金属材料的基本知识第二节压力管道器材选用第三节材料使用限制和材料代用第四节温度对材料选用的影响第五节管道焊接材料第六节GB7132008锅炉和压力容器钢板,3,第四章管道材料,第一节金属材料基本知识1、金属材料的性能，包括使用性能和加工工艺性能。1.1使用性能金属材料在使用条件下所表现的性能。它包括材料的物理、化学和力学性能。（1）物理、化学性能：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、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。（2）力学性能：是指金属材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力，也称材料的机械性能。常规力学性能指标主要包括强度、塑性、韧性、硬度等。,4,1.2加工工艺性能：金属材料的加工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。冷加工：切削加工性能等。达到规定的几何形状和尺寸，公差配合，表面粗糙度等的要求。热加工：铸造性能（液态成形）,锻造性能即压力加工性能（塑性变形）、焊接性能（连接）、热处理（性能潜力）等。,5,2、影响金属材料性能的因素：化学成分、组织结构及加工工艺等的影响。2.1化学成分含碳量增加，则强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，可焊性变差。压力管道中一般采用含碳量小于0.25%碳钢管。合金元素的作用：Mn：具有一定的脱氧能力，能清除钢中的氧化铁（FeO），能与硫化合成硫化锰（MnS），减轻硫的有害作用。含锰量适当（1。9%），能提高钢的强度和硬度，增加钢的耐磨性，减少气孔，提高焊缝的抗裂性能，但塑性和冲击值降低。锰对碳钢的性能是一种有益元素。压力管道用碳钢中的含锰量一般在0.35%0.65%之间。V、Ti、Nb等元素可以细化晶粒，提高韧性及材料致密度。Mo提高钢的热强性能、在高温时保持足够强度、细化晶粒，防止钢的过热倾向。Cr、Ni提高钢的热强性能、高温氧化性和耐腐蚀性。,6,Si：硅是脱氧剂，能消除氧化铁（FeO）对钢的不良影响，硅能溶入铁素体中提高钢的强度，能使焊缝致密均匀，但含量过大时易使焊缝形成夹渣，同时降低钢的塑性、韧性、延展性和可焊性，并易导致冷脆。压力管道用碳钢中的含硅量一般在0.15%0.30%之间。有害元素：P、S形成低熔点化学物，导致热脆性和冷脆性，使塑性、韧性下降。压力管道用普通碳素钢的含硫量一般控制在0.045%以下，含磷量一般控制在0.040%以下；压力管道用用优质碳素钢的含硫量和含磷量一般均控制在0.035%以下。微量元素Re、稀土元素，提高材料综合力学性能。2.2组织结构、晶粒度及供货状态等。（1）常见的显微组织：,7,奥氏体（A）强度硬度不高，塑性韧性很好，无磁性。铁素体（F）强度硬度低，塑性韧性好。渗碳体（Fe3C）硬而脆，随C%增加，强度硬度提高，而塑性韧性下降。珠光体（P）性能介于F与Fe3C之间。马氏体（M）具有很高的强度和硬度，但很脆；延展性差，易导致裂纹。魏氏组织粗大的过热组织，塑性韧性下降，使钢变脆。带状组织双相共存的金属材料在热变形时沿主伸长方向呈带状或层状分布的组织。（2）晶粒度：常见18级。8级细小而均匀、综合力学性能好。（3）热轧、调质、正火状态供货，以正火状态组织性能最好。2.3加工工艺对组织性能影响冷作变形会带来纤维组织、加工硬化及残余内应力。热变形会提高材料塑性变形能力及降低变形抗力。,8,9,3、金属材料性能的名词术语3.1强度：指金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。常用的强度判据：抗拉强度、屈服强度。（1）抗拉强度（Rm）：指拉伸应力应变曲线上的最大应力点。（2）屈服强度（Re）：材料的拉伸应力超过弹性范围，开始发生塑性变形瞬时的应力。有些金属或合金材料的拉伸曲线并不出现明显的屈服现象、不能明确地确定其屈服点，在工程上规定，取试样产生0.2%残余变形的应力值作为条件屈服极限，单位为MPa。上屈服强度ReH、下屈服强度ReL。3.2塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形能力。常用的塑性判据是延伸率A和断面收缩率Z。（1）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A5(短试样)和A10（长试样）两种指标，单位为A=(L1-L0）/L0100式中:L1-试样拉断后的标距（mm）；L0-试样的原始标距（mm）。,10,（2）断面收缩率：断面收缩率表明试样在拉伸试验发生破坏时,缩颈处产生的塑性变形率，单位为。Z=（S0-S1）/S0100%式中:S0-试样原始横截面积（mm2）；S1-试样拉断处的最小横截面积（mm2）。金属材料的A和Z数值越大，表示材料的塑性越好。3.3冷弯性能：用于衡量材料在室温时的塑性。是焊接接头常用的一种工艺性能试验方法，它不仅可以考核焊接接头的塑性，还可以检查受拉面的缺陷。冷弯分：面弯、背弯、侧弯三种。3.4韧性：指金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。（1）冲击功（Ak）：指金属材料在进行缺口冲击试验时，摆锤冲击消耗在试样上的能量。是衡量材料韧性，确定材料是否产生脆性破坏的一个指标。（2）脆性转变温度：金属材料在低温下出现由韧性状态转变为脆性状态，使材料的冲击值急剧降低的温度叫做“脆性转变温度”。脆性转变温度越低的金属，越能在低温下承受冲击载荷。因此，脆性转变温度的高低是金属材料的性能指标之一。,3.5蠕变：在规定温度及恒定力作用下，材料塑性变形随时间而增加的现象。（1）蠕变极限（n）：指在一定温度条件下，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。（2）高温持久极限（D）：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。3.6硬度：指金属材料抵抗硬物压入其表面的能力。反映材料对局部变形的抗力及材料的耐磨性。根据经验，布氏硬度HB与抗拉强度Rm之间有一定的比例关系。RmKHBK系数对于轧制、正火的低碳钢：Rm=0.36HBMPa;轧制、正火的中碳钢或低合金钢：Rm=0.35HBMPa;硬度为250400HB，经热处理的合金钢：Rm=0.33HBMPa。,11,3.7疲劳：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。它是反映材料交变应力破坏的强度指标。（1）高周疲劳材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经105以上循环次数而产生的疲劳。（2）低周疲劳材料在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下，经102105塑性应变循环次数而产生的疲劳。（3）热疲劳温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳。（4）腐蚀疲劳腐蚀环境和循环应力（应变）的复合作用所导致的疲劳。4金属材料分类(以钢材为主)含碳量小于2.11%（质量）的合金称为钢，含碳量大于或等于2.11%（质量）的合金称为生铁。重点介绍钢材分类。,12,4.1按化学成分分类：（1）碳素钢：简称碳钢。除铁、碳外主要含有少量Si、Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：低碳钢含碳量小于0.25%中碳钢含碳量等于0.25%0.55%高碳钢含碳量大于0.55%（2）合金钢：碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素总含量不同分类：低合金钢合金元素总含量小于5%中合金钢合金元素总含量等于5%10%高合金钢合金元素总含量大于10%4.2按用途分类：（1）结构钢碳钢、低合金钢等。（2）工具钢（3）特殊用途用钢不锈钢、耐候钢、耐热钢、低温钢等。,13,4.3按冶炼中的脱氧方式分类：（1）沸腾钢F（2）镇静钢Z（3）半镇静钢b（4）特殊镇静钢TZ4.4按品质分类：P、S杂质含量分类。（1）普通碳素钢：钢中硫、磷含量较高，一般S0.05%，P0.05%。（2）优质碳素钢：钢中硫、磷含量较低，一般S0.04%，P0.04%。（3）高级优质碳素钢：钢中硫、磷含量很低，S0.02%，P0.03%。,14,5钢的可焊性钢的可焊性是指钢在一定的工艺条件下通过焊接形成优质接头的性能。钢的可焊性主要决定于它的化学成分。其中影响最大的是含碳量，(钢材焊接时，焊缝快速冷却会被淬硬。钢材含碳量越高，热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹，钢的各种化学成分对钢淬硬性的影响通常折算成碳的影响，称为碳当量，用Ce表示)。含碳量越高，可焊性越差。通常用碳当量来反映钢的可焊性。根据经验：Ce0.4%时，钢的淬硬倾向不明显，可焊性良好，焊接时不必预热；Ce=0.4%0.6%时，钢的淬硬倾向逐渐明显，需要采取预热，控制焊接规范等适当的工艺措施；Ce0.6%时，钢的淬硬倾向大，可焊性差，需采取较高的预热温度和严格的工艺措施。作为钢的可焊性一般要求C0.25%；Ce0.45%。,15,6钢管厚度和常见缺陷6.1钢管厚度计算厚度ts：按公式计算得到的厚度；设计厚度tsd：计算厚度与腐蚀裕量之和；tsd=ts+C2名义厚度tn（即图样厚度）：设计厚度加上材料厚度负偏差后，向上圆整至钢材标准规定的厚度；tn=tsd+C1有效厚度te：名义厚度减去厚度附加量的差值；te=tn-C最小厚度tm：计算厚度与腐蚀或磨蚀附加量之和；tm=ts+C2厚度附加量C：设计受压元件时所必须考虑的附加厚度（包括壁厚负偏差C1、腐蚀或磨蚀裕量C2）。C=C1+C26.2常见缺陷钢在冶炼和轧制过程中，由于工艺不当，成型之后，钢材中会产生一些缺陷，主要有重皮、分层、裂纹、白点、线状缺陷、非金属夹杂物、夹渣、气泡、疏松、折叠、偏析、龟裂等，这些缺陷不仅严重影响钢材的机械性能和使用性能，而且给钢材加工造成困难。在制造压力元件前，根据情况可对钢材进行必要的检验，常用的有低倍组织检查、断口检查及超声波检查等。,7、钢的质量分级7.1钢材：GB/T3077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，见下表所示。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“E”表示。,7.2锻件：JB4726压力容器用碳素钢和低合金钢锻件将锻件质量分为、级；JB4727低温压力容器用低合金钢锻件将锻件质量分为、级；JB4728压力容器用不锈钢锻件将锻件质量分为、级。如下表所示：,18,19,7.3铸钢：GB11352一般工程用铸造碳钢件将铸钢件质量分为3级：级：高级质量铸钢P、S0.04；级：优级质量铸钢P、S0.05；级：普通质量铸钢P、S0.06；,第二节压力管道器材选用,1.管道材料选用1.1管道用材的基本要求（1）压力管道用材料应根据管道级（类）别、设计压力、设计温度、介质要求和操作特点等设计条件以及材料的加工工艺性能、耐蚀性能、焊接性能和经济合理性等选用；（2）压力管道受压元件用钢应采用平炉、电炉或纯氧顶吹转炉冶炼。钢材的技术要求应符合相应的国家标准、行业标准或有关技术条件的规定。（3）采用未形成国家或行业标准的材料，应有相应级别的标准化技术委员会的技术鉴定，并应根据设计条件核对材料的各项性能指标和规格。（4）压力管道常用金属材料使用温度不得超过下表的范围：,20,21,常用金属材料牌号及适用温度范围,（5）GB/T18984-2003低温管道用无缝钢管规定：,22,23,（6）在设计条件下，非标准管道组成件的计算应力,不应超过管道设计温度下材料的许用应力。（7）受压元件以及直接与受压元件焊接的非受压元件用钢材，必须有钢厂的钢材质量证明书。（8）压力管道受压元件采用国外材料时，应选用国外规范允许使用的材料，其使用范围应符合相应规范规定,该材料有质量证明书。（9）输送极度危害介质、高度危害介质及液化烃的压力管道应采用优质钢制造；输送可燃介质的管道不得采用沸腾钢制造。含碳量大于0.24%的材料，不宜用于焊制管子及管件。（10）选择材料时，应考虑不同材料间相互连接或接触，在工艺过程中可能产生的有害影响。,（11）输送腐蚀性介质管道用材料应有耐腐蚀能力。除晶间腐蚀和其他局部性腐蚀需按具体情况考虑外，一般可根据介质对金属材料的腐蚀速率选用。金属材料的腐蚀速率，可分为下列四类：年腐蚀速率不超过0.05mm的材料为充分耐腐蚀材料；年腐蚀速率为0.050.1mm的材料为耐腐蚀材料；年腐蚀速率超过0.10.5mm的材料为尚耐腐蚀材料；年腐蚀速率超过0.5mm的材料为不耐腐蚀材料。（12）对于操作温度等于或高于200，介质中含有氢气的碳钢、低合金钢管道，应根据管道的最高操作温度加2040的裕量和介质中氢气的分压，按Nelson曲线选择适当的抗氢材料。,24,1.2钢管的选用1.2.1.钢管标准（略）1.2.2.压力管道应当采用流体输送用钢管，不得使用结构用钢管。1.2.3.输送极度和高度危害介质、可燃介质或压力温度参数较高或承受机械振动、压力脉动及温度剧烈变化的的管道宜选用无逢钢管。设计压力大于10Mpa高温高压管道应采用无缝钢管，其制造要求应符合GB5310高压锅炉用无缝用钢管。GB3087低中压锅炉用无缝钢管主要用于设计压力不大于10Mpa的管道。1.2.4根据制造方法不同，钢管分为无缝钢管和焊接钢管两大类。焊接钢管由于其产品尺寸、形状偏差小，钢管表面质量好，价格低，应用范围迅速扩大。随焊缝检验技术的发展和提高，在许多应用中已代替了无缝钢管。根据焊接工艺不同，焊接钢管可分为锻焊、电阻焊和电熔焊三种。锻焊已逐渐被淘汰。焊缝形式有直缝和螺旋缝两种。焊接钢管的制造应符合GB/T9711.1石油天然气工业输送钢管交货技术条件第1部分A级钢管的要求。,25,(1)电阻焊钢管的焊缝为非完全冶金结合，其综合性能差，不适用于高温,电阻焊碳钢直缝钢管,宜用于温度不超过200的无毒介质管道。(2)电熔焊钢管的焊缝为完全冶金结合,焊缝综合机械性能好。其使用条件根据焊缝检验要求而定。经过100射线检验的焊接钢管等同于无缝钢管。直缝电焊钢管使用温度，碳钢管不超过425，低碳奥氏体不锈钢不超过600。螺旋缝埋弧焊钢管主要用于不超过300的非极度、高度危害介质管道。(3)GT/T3091-2001低压流体输送用焊接钢管是在合并GB/T3091-93低压流体输送用镀锌焊接钢管，GB/T3092-1993低压流体输送用焊接钢管和GB/T14980-1994低压流体输送用大直径电焊钢管等三项标准的基础上，增加了直缝埋弧焊钢管内容编制而成。这种钢管适用于水、污水、燃气、空气、采暖蒸汽等低压流体输送用。1.2.5钢管公称尺寸及外径系列（1）钢管的壁厚系列。钢管壁厚分级共有三种:,26,以管子表号(Sch)表示的壁厚系列。这种表示方法是美国国家标准协会ASMEB36.10焊接和无缝钢管标准规定的。ASMEB36.10和JIS标准中规定的表号系列为Sch10、20、30、40、60、80、100、120、140、160。ASMEB36.19和JIS标准中规定的奥氏体不锈钢管表系列为Sch5S、10S、20S、40S、80S。SH3405规定的管子壁厚表号系列与ASME标准相同。以管子重量表示管壁厚度美国MSS和ANSI规定了以管子重量表示壁厚的方法。该标准将管子壁厚按重量分三种:以名义壁厚表示系列（2）钢管公称尺寸及外径系列,27,28,2.管法兰与垫片选用2.1、管法兰2.1.1管法兰标准目前国内钢制管法兰有GB/T91129124-2000钢制管法兰；GB/T13402-98大直径碳钢管法兰；JB/T7490-94管路法兰与垫片；SH/T340696石油化工钢制管法兰；HG2059220635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件等5个标准。分属两个体系：美州体系：GB/T91129124、SH/T3406、HG2061520626；欧洲体系：GB/T91129124、JB/T7490、HG2059220605。2.1.2法兰结构法兰型式：对焊（WN），平焊（SO），承插焊（SW），松套（LJ），螺纹（PT）。密封面型式：突面（RF），全平面（FF），凹凸面（MF），榫槽面（TG），环槽面（RJ）,29,2.1.3公称压力：GB/T91129124-2000包括了欧洲体系及美洲体系。公称压力欧洲体系:PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0Mpa共9个压力等级;公称压力美洲体系:PN2.0(20)、5.0(50)、11.0(110)、15.0(150)、26.0(260)、42.0(420)Mpa(bar)共6个压力等级。美洲体系的英制压力等级：CL150、300、400、600、900、1500、2500等共7个压力等级。2.1.4选用（1）无附加外载法兰连接根椐管道设计压力和法兰材料,查法兰标准的压力-温度等级表选取。（2）当连接尺寸相同而压力等级不同的法兰相连接时，其使用条件应以较低等级法兰为准。（3）在剧烈循环工况条件下，应选用对焊式法兰。（4）公称压力小于或等于2.0Mpa的标准管法兰采用缠绕垫片或金属垫片时,宜选用对焊式或松套式管法兰。（5）承插焊或螺纹管法兰不得用于间隙腐蚀或严重腐蚀条件下。,30,（6）突面法兰的密封面，除采用非金属垫片其密封面可以车制水线外，其他法兰密封面均不得车制水线。（7）采用金属垫片密封的法兰连接，一般要求金属垫片材料的硬度比法兰密封面的硬度低（HB30-40）。当金属环垫材料与法兰材料相同时，应对金属环垫进行热处理以降低硬度。2.2垫片2.2.1垫片标准垫片标准和法兰标准都有欧洲和美州两个体系，所以选择垫片时一定要和法兰的体系配套。垫片和法兰一样，可以从其公称压力来区分。（1）国家标准GB/T9126-2003代替了GB9126.14-88,名称为,分别为平面型（PN0.6、1.0、1.6、2.0MPa）、凸面型（PN0.25、1.0、1.6、2.0、2.5、4.0、5.0MPa）、凹凸面型（PN1.6、2.5、4.0、5.0MPa）和榫槽型（PN1.6、2.5、4.0、5.0MPa）石棉橡胶垫片。,31,GB/T13403-92大直径碳钢管法兰用垫片，PN=2.0、5.0、6.10.0、15.0MPa。垫片型式带外环缠绕式垫片、带内外环缠绕式垫片和石棉橡胶垫片。GB/T13404-92管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片，PN=0.6、1.0、2.0、2.5、4.0、5.0MPaGB/T4622.13-2003缠绕式垫片欧洲体系:1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0Mpa;美洲体系:2.0、5.0、11.0、15.0、26.0Mpa，型式有基本型、带内加强环型、带外加强环型、带内外加强环型。GB/T15601-95管法兰用金属包覆垫片，型式有平面型及波纹型两种。PN=1.025.0MPa.(2)石油化工标准SH/T3401-96管法兰用石棉橡胶板垫片,型式有凸式、全平面式、凹凸面式、榫槽式四种。SH/T3402-96管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片有剖切型及折包型两种。PN=2.05.0MPa。,32,SH/T3403-96管法兰用金属环垫，型式有椭圆型和八角型两种。SH/T3407-96管法兰用缠绕式垫片，型式有基本型、带内环型、带外环型和带内外环型。PN=2.025.0MPa.(3)化工行业标准欧洲体系:HG20606-2009；HG20607-2009HG20608-2009；HG20609-2009；HG20610-2009；HG20611-2009；HG20612-2009；美州体系:HG20627-2009；HG20628-2009HG20629-2009,33,HG20630-2009；HG20631-2009；HG20632-2009；HG20633-2009；(4)机械行业标准JB/T87-94；JB/T88-94；JB/T89-94；JB/T90-94；2.2.2常用管法兰垫片种类及其适用范围常用管法兰密封垫片有下列三大类：(1)非金属垫片：主要包括石棉橡胶垫片，聚四氟乙烯包覆垫片等。垫片型式多为平垫，使用压力不高，一般不高于2.5MPa。使用温度取决于垫片的材料。石棉橡胶板垫片使用温度还与垫片材料牌号有关，其极度使用温度范围为-50+400。聚四氟乙烯包覆垫片使用温度应不高于+150。,34,(2)半金属垫片：这种垫片由非金属和金属两种材料组合而成，主要包括缠绕式垫片和金属包覆垫等。此类垫片密封性能好，耐压性能好，缠绕式垫片最高可用于25Mpa和600的苛刻条件。(3)金属垫片：此类垫片由金属（或合金）材料经机械加工而成。垫片型式为平垫、椭圆型垫和八角型垫等。金属垫的材料根据介质的腐蚀性质和温度选取，具体有软铁、合金钢、铜、铝等。一般用于高压情况，使用温度则根据选用的材料而定。各种金属垫的最高使用温度如下：软铁、10：450，0Cr13：540，0Cr18Ni9：700，00Cr19Ni10,00Cr17Ni14Mo2：450。2.2.3反映垫片密封性能的主要指标:（1）压缩率=（T1-T2/T1）100(%)，（2）回弹率=（T3-T2/T1-T2）100(%)（3）应力松弛率=（D0-DF/D0）100(%),35,式中：T1-垫片在预紧载荷作用下的厚度,mm；T2-垫片在总载荷作用下的厚度,mm；T3-垫片在载荷减小到预紧载荷时的厚度,mm；D0-法兰连接在加热前螺栓的伸长量，mm；Df-法兰连接在加热冷却后螺栓的伸长量，mm。压缩率反映垫片在压紧时的变形能力；回弹率反映垫片在卸载后恢复原有厚度的能力，回弹率大表明在密封系统有压力波动时，保持密封的性能好。应力松池率反映垫片在高温压紧状态下，弹性变形转变为塑性变形的量的相对大小。应力松池率愈低，则表示垫片在高温压紧状态下，弹性变形转变为塑性变形的量愈小，表明垫片在长期高温条件能保持较好的密封性2.2.4垫片性能参数y和m意义(1)预紧密封比压y：为形成初始密封条件而必须施加在垫片单位面积上的最小压紧力称为预紧密封比压。即y=Wo/A。式中：Wo为螺栓预紧载荷,A为垫片受压面积,也就是使垫片产生变形且足以将法兰密封面表面的微观不平度填满而不发生泄漏的最小值。垫片的y值与管系的工作压力无关。,（2）垫片系数m：在操作条件下，发生临界泄漏时，单位密封面上具有的工作密封压紧力称为工作密封比压。工作密封比压E与介质操作压力P的比值称为垫片系数m=E/P,即当垫片上的工作密封比压（紧固力）小到临界值以下时就会发生泄漏，甚至将垫片吹跑。因此垫片的工作密封比压（紧固力）必须超过工作压力的m倍。（3）Y和m是反应垫片性能的两个重要参数，其数值与垫片的种类和材质有关，Y和m值大表明垫片达到密封时需要更大的螺栓载荷。2.2.5垫片泄漏率等级:1级1.210-5Ncm3/s；2级1.010-4Ncm3/s；3级1.010-3Ncm3/s；4级1.010-2Ncm3/s；2.2.6垫片的选用(SH3059)(1)垫片选用应根据垫片的密封性能、操作压力、操作温度、工作介质特性及密封要求等因素确定。(2)缠绕式垫片的选用37,a.缠绕式垫片适用于极度危害介质、高度危害介质、可燃介质或温度高、温差大、受机械振动或压力脉动的管道；b.缠绕式垫片选用应符合下列规定：凸面法兰应采用带外环型缠绕式垫片；凹凸面法兰应采用带内环型缠绕式垫片；榫槽面法兰应采用基本型缠绕式垫片；公称压力15.0MPa的凸面法兰，应采用带内外环型缠绕式垫片。(3)泄漏是管法兰的主要失效形式,与密封结构形式、被连接件的刚度、密封件的性能、操作和安装等许多因素有关（见管道设计与安装手册P89）(4)垫片密封不佳原因和安装注意事项如下：1）垫片密封不佳原因主要有如下几点：a.垫片形式和材料不适合使用工况；b.垫片厚度选择不当；c.压缩不均、过量或不够；d.反复冷热循环和振动；e.在受压状态下，因垫片蠕变或螺栓伸长造成松弛；f.因点蚀或变形造成密封面情况不良；g.法兰密封面粗糙度不合适；与垫片要求不合适。,38,2）安装不当也往往是密封不佳的主要原因，因而垫片安装应注意以下事项：首先检查法兰密封面是否洁净，光洁度是否合适，有无机械损伤和腐蚀损害。检查垫片和紧固件的形式、材料、尺寸和质量是否符合规定要求。安装垫片时，应将两法兰密封面对准，距离不能太大，垫片放入位置正确、均匀，有序地拧紧螺栓，保持螺栓荷载只能用于压紧垫片，不能用来拉拢法兰。有预紧力要求的螺栓上紧时应采用力矩扳手。此外，应根据使用工况决定是否需要热紧等等。,39,3.管道支吊架3.1.管道支吊架设计的内容管道支吊架设计包括管道支吊架设置和管道支吊架结构设计两部分。其设计的基本内容如下：（1）管道支吊架设置；（2）标准管道支吊架的选用；（3）非标准管道支吊架的选用；（4）管架数据表的编制；（5）管架材料表的编制；（6）管架设计说明的编制；管道支吊架位置、类型及管架生根部位一经确定，就应标注在管道平面布置图上，必要时也应在管道轴测图上标注。,40,3.2.管道支吊架的用途与分类,41,3.3.支吊架组成一般情况下，管道支吊架可分为三部分，即附管部件、生根部件和中间连接件。但不是所有支吊架都由这三部分组成，有时仅由两部分甚至一部分组成。3.3.1附管部件与管子直接相接触或与管子直接焊在一起的部分称为附管部件。一般情况下，有两种连接方式，即焊接或管卡连接。但下列情况下，附管部件不能与管子直接焊接：（1）吊架支承且管内介质温度400的碳素钢管道。（2）低温管道。（3）高空敷设的合金钢或有热处理要求的碳钢管道。（4）生产中需要经常拆卸检修的管道。（5）高空敷设且不宜焊接施工的管道。（6）非金属衬里管道、镀锌管道、渗铝管道等。一般情况下，附管部件与管子同材质。不能采用焊接附管部件时，应采用管卡（管箍）连接，此时，应注意下列问题：,42,(1）保冷管道（低温管道）的管卡应卡在保冷层的外层，使金属支吊架不直接与管子接触。保冷层中适当设置一些软木块等以起到强度加强作用。（2）与不锈钢管子（尤其是温度高于100的不锈钢管子）相连时，应在管子与管卡（管箍）之间设置非金属（如石棉）垫层，使其隔离，以免发生电偶腐蚀或碳迁移现象；（3）对于DN50的管子，当采用管卡承重时，应设置档铁。（4）当管子有保温时，管卡（管箍）与中间连接件相连的部分应漏出隔热层外，以便于隔热保护层的封闭。（5）当水平管子在工作状态下有平面位移时，管卡（管箍）宜于吊架配合使用，以适应管子支承点的位移，避免隔热层的损坏。,43,3.3.2生根部件与地面、设备、建筑物等支撑设施相连的部分称为生根部件。3.3.3中间连接件泛指与附管部件和生根部件相连的所有其它支吊架零部件。3.4.支吊架型式及选用3.4.1常用支吊架型式不同的行业、不同的设计单位所用的支吊架型式不尽相同，但总的来说大同小异，主要包括有平（弯）管支托、假管支托、型钢托架、悬臂支架、管托、管卡、摩擦防振支架、吊架等。3.4.2支吊架型式选用原则（1）支吊架型式应能满足管道的承重、限位或防振的基本要求。（2）应优先选用标准系列支吊架。（3）支吊架型式应能满足所承载荷大小的要求。（4）支吊架型式应能适应管道热位移大小和方向的要求。（5）支吊架型式应能适应管子工作温度及隔热要求的需要。（6）支吊架型式应能适应管道或生根设备材料及热处理的要求。（7）支吊架型式应能适应生根条件的要求。（8）支吊架型式应便于管道的拆卸检修，有利于施工，并不妨碍操作及通行。（9）支吊架型式的选用应符合经济性原则。,44,3.5.支吊架材料3.5.1.与管道组成件直接接触的支吊架零部件材料应按管道的设计温度选用；与管道组成件直接焊接的支吊架零部件材料应与管道组成件材料具有相容性。3.5.2.铸铁材料不宜用在受拉伸荷载处；可锻铸铁不应承受冲击载荷。3.5.3.保冷管道支架加垫的木块，宜采用红松类或不宜干裂的硬木并应经防腐处理。3.5.4.支吊架材料尽量选用标准型材。3.5.5.常用支吊架材料的温度范围见下表:,45,46,4.阀门阀门是石油化工及其它行业管道系统的重要组成部分,在操作运行过程中起着重要作用。其主要功能是：接通和截断介质；防止介质倒流；调节介质压力,流量；防止介质压力超过规定数值,以保证管道或设备安全运行等。阀门投资约占装置配管费用的4050%。选用阀门主要从装置无故障操作和经济两方面考虑。,47,4.1.阀门的选用阀门选用一般要考虑下述原则：4.1.1输送流体的性质阀门是用于控制流体的,而流体的性质有各种各样,如液体,气体,蒸汽,浆液,悬浮液,粘稠液等,有的流体还带有固体颗粒,粉尘,化学物质等等。因此在选用阀门时,先要了解流体的性质,如流体中是否含有固体悬浮物?液体流动时是否可能产生汽化？在哪儿汽化？气态流动时是否液化？流体的腐蚀性如何？考虑流体的腐蚀性时要注意几种物质的混合物腐蚀性与单一组份时的不同。4.1.2阀门的功能选用阀门时还要考虑阀门的功能。阀门是用于切断还是需要调节流量？若只是切断用,则还需考虑有无快速启闭的要求;阀门是否必须关的很严,一点也不许泄漏？每种阀门都有它的特性和适用场合,要根据功能要求选用合适的阀门。4.1.3阀门的尺寸根据流体的流量和允许的压力损失来决定阀门的尺寸。一般应与工艺管道的尺寸一致。,48,4.1.4压力损失管道内的压力损失有相当一部分是由于阀门所造成。有些阀门结构的阻力大,而有些阻力小;但各种阀门又有其固有的功能特性。同一种型式的阀门有的阻力大,有的阻力小;选用时要适当考虑。4.1.5温度和压力根据阀门的工作温度和压力来确定阀门的材质和压力等级。4.1.6阀门的材质阀门的压力、温度等级和流体特性确定后,就应选择合适的材质。阀门的不同部位，例如：阀体,压盖,阀盘,阀座等,可能是由好几种不同材质制造的,以获得经济,耐用的最佳效果。铸铁阀体最高允许200；钢阀体可以用到425;超过425就应考虑使用合金钢材料；超过550通常选用耐高温的Cr-Ni不锈钢材料。对输送有化学腐蚀性介质的阀门,根据介质的性质采用不锈钢,蒙乃尔合金,塑料等材料制作,也可采用防腐材料衬里等等。应选择合适,经济的材料。阀门类型的选择一般应根据介质的性质、操作条件及其对阀门的要求等因素确定。,49,50,4.2.阀门的试验4.2.1JB/T9092-99规定,出厂前每台阀门应按下表进行试验.(1)DN100，PN25.0MPa；DN125，PN10.0MPa,(2)DN100，PN25.0MPa；DN125，PN10.0MPa,51,4.2.2试验介质壳体试验、高压上密封试验和高压密封试验可用空气、惰性气体、煤油和水作为试验介质，试验温度不高于52。4.2.3试验压力（1）壳体试验压力为38时公称压力的1.5倍。（2）高压密封和高压上密封试验为公称压力的1.1倍。（3）低压密封和低压上密封试验，试验压力为0.50.7MPa。（4）蝶阀的密封试验压力1.1倍的额定压差。密封试验的最大允许泄漏量：,52,53,5.波纹管膨胀节波纹管膨胀节常用于高温管道上，用来吸收管道热胀而产生的长度伸长。在石化生产装置中，有一些高温大直径管道很难用自然补偿方法来吸收其热胀位移，或者采用自然补偿法不经济，或者即使能够吸收其热胀位移，但管系反力已超出相连设备的允许值。在这种情况下就应考虑用膨胀节。常用的膨胀节基本上分为非约束型和约束型两大类。,54,非约束型金属波纹管膨胀节的特点是管道的内压推力（俗称盲板力）由固定点或限位点承受，因此它不适宜用在与敏感机械设备相连的管道上。非约束型波纹管膨胀节主要用于吸收轴向位移和少量的角向位移，常用的非约束型波纹管膨胀节一般为自由型波纹管膨胀节。约束型波纹管膨胀节的特点是管道的内压推力没有作用于固定点或限位点处，而是由约束波纹膨胀节用的金属部件（拉杆）承受。它主要用于吸收角向位移和拉杆范围内的轴向位移。常用的约束型波纹管膨胀节有单式铰链型、单式万向铰链型、复式拉杆型、复式铰链型、复式万向铰链型、弯管压力平衡型、直管压力平衡型等型式。管道用波纹管膨胀节依据标准为GB/T12777-1999金属波纹管膨胀节通用技术条件。,55,第三节材料使用限制和材料代用1.常用材料使用限制1.1普通碳素钢通常钢中含硫、磷杂质元素多少将碳素钢分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢三种。其中硫、磷含量分别小于等于0.055和0.045的碳素钢称为普通碳素钢。普通碳素钢根据其冶炼过程中的脱氧程度不同分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。脱氧不完全的钢称为沸腾钢。沸腾钢由于脱氧不完全，钢液中含氧量多，浇注及凝固时会产生大量的CO气泡，造成剧烈的沸腾现象，沸腾钢也因此而得名；沸腾钢冷凝后没有集中缩孔，因而成材率高、成本低、表面质量及深度冲击性好，但因含氧量高、成分偏析大、内部杂质多、抗腐蚀性和机械性能差，且容易发生时效硬化和钢板的分层，故不宜作重要用途。镇静钢是脱氧完全的钢。浇注时钢液平静，没有沸腾现象。此类钢冷凝后易产生集中缩孔，所以成材率低、成本高，但镇静钢气体含量低，时效倾向小，钢锭中气泡、疏松少，质量较好。,56,脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢称为半镇静钢。其性能也介于二者之间。沸腾钢常在其材料牌号后面加字母F以示表示，半镇静钢则是在其材料牌号后面加字母b进行表示，镇静钢省略不加。GB/T700标准共给出了四种牌号的普通碳素结构钢，即Q235A（F、b）,Q235B（F、b）、Q235C、Q235D，这四种牌号的质量要求是顺次提高的。输送可燃介质的管道材料、低温材料必须采用镇静钢。输送剧毒及液化石油气的管道材料采用优质钢。普通碳素钢与优质碳素钢相比，综合机械性能差，但价格便宜，因此它常用作结构钢。用在压力管道上时，常限制在下列条件内使用：(1)在GB150-1998钢制压力容器2002年4月16日发布的第1号修改单中，Q235-AF和Q235-A钢板已不推荐使用；(2)碳素镇静钢板适用范围规定如下：Q235-B钢板设计压力1.6MPa；设计温度0350；钢板厚度不大于20mm；不得用于液化烃，毒性程度为高度、极度危害介质的管道。,57,58,Q235-C钢板设计压力2.5MPa；设计温度0400；钢板厚度不大于30mm;不得用于液化烃，毒性程度为高度、极度危害介质的管道。1.2优质碳素钢硫、磷含量均小于等于0.035的碳钢称为优质碳素钢。它一般采用平炉、电炉冶炼，要求比较高时还要加炉外精炼。优质碳素钢是压力管道应用最广的碳钢，对应的材料标准有:GB/T699、GB/T8163、GB3087、GB5310、GB6654、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。它们的共性使用限制条件有以下几个方面：,59,(1)石墨化碳素钢由于其良好的可加工性、可焊接性及经济性，得到普遍的采用。但在高于350时，碳钢的强度下降的很快，容易产生氧化和其他形式的腐蚀,即使在钢材制造过程中采用了控制抗氧化条件的脱氧剂，其最高工作温度大约在450，但碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用，应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向，而0.5Mo钢约在468以上长期工作，也会使石墨化现象加快发展，从而使机械性能恶化；所以在较高温度下最好采用低合金钢或不锈钢。这里说的石墨化是指：钢中稳定的碳化物，在高温下分解形成碳原子并聚集的过程(2)珠光体球化碳钢和低合金钢大都为铁素体加珠光体组织，在高温如450以上，珠光体中的片状渗碳体逐步转化为球状，使材料的蠕变极限及持久强度大大下降。为防止石墨化和珠光体球化，在这一温度范围内宜选用Cr-Mo耐热钢。,(3)高温氧化是最常见的高温腐蚀，但是氧化并不总是有害的。实际上，大部分耐蚀合金和耐热合金都是靠形成氧化膜来防止腐蚀的。氧化铬是最常见的这种保护膜。但随着温度升高，氧化速度加快而且变成有害。碳素钢和低合金钢在高温下不仅强度大大下降，同时材料表面极易氧化。提高耐氧化性的最常用方法是加大铬含量。为了增强耐氧化性，还经常添加铝、硅和稀土等其他元素。钢中加入足够的Cr、Si、Al可有效防止高温氧化。添加铬可提高高温下抗氧化及石墨化，以及抗氢腐蚀及硫腐蚀的性能，所以，铬钼钢广泛应用于高温高压场合。抗氧化及腐蚀的能力随铬的添加量的增加而提高。但是，由于会造成性能的不稳定、加工困难或由于其他原因，这些元素的添加量是有限的。几乎没有合金的含铬量高于30%。硅的添加量一般限制在2%以内，锻（轧）合金中的铝限于4%以下。钇、铈和其它稀土元素的添加量通常只有百分之零点几。高温材料要求在高温下具有良好的耐氧化及耐气体腐蚀性能、很高的高温强度值及非脆化性质。Si-Cr-Al钢管如德国牌号(DIN)X10CrA24钢管表现出优异的耐热性能，特别是耐含硫的腐蚀性环境的性能。,60,(4)碱脆金属在碱液中的应力腐蚀破裂称碱脆。碳钢发生碱脆的趋向见SH3059中图示，由图可知，氢氧化钠浓度在50%以上的全部浓度范围内碳钢几乎都可能产生碱脆；碱脆的最低温度为50，管材表面受一定浓度的碱性流体长期侵蚀或反复作用，并在高温和应力的综合影响下易产生脆化破裂。苛性碱液管道在一定条件下能引起碳钢材料的应力腐蚀开裂（碱脆），影响碳钢产生应力腐蚀开裂的因素有碱液浓度、温度和材料中存在的残余应力等。一般情况下，当NaOH的浓度和温度超出下列规定时，应对焊缝进行消除应力热处理。当NaOH的浓度和温度超出下列规定时，应考虑采用含镍合金:,61,62,(5)在有应力腐蚀开裂的环境中工作时，应进行焊后应力消除热处理，热处理焊缝硬度不得大于HB200。焊缝应进行100无损探伤（对接焊缝应是射线探伤）。但锰钢（如16Mn）不得用于该环境下。(6)在均匀腐蚀介质环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命、经济性综合考虑，同时给出足够的腐蚀余量，并采取相应的防腐蚀措施。(7)临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。(8)含碳量大于0.24的碳钢不能用于焊制管子及其元件。(9)设计温度低于或等于-20的低温管道用钢材，除奥氏体不锈钢在材料温度不低于-196时不做低温冲击试验外，其余钢材均应作夏比（V型缺口）低温冲击试验。试验要求应符合GB150-98钢制压力容器的规定。,63,1.3铬钼钢（即合金钢）为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理、化学性能，人为地在钢中加入一些合金元素，以适应一些特定条件的需要，这种钢就叫合金钢。合金钢根据用途不同可分为三大类，即:合金结构钢:合金结构钢又分为普通低合金钢、易切钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢。合金工具钢:合金工具钢又分为刀具钢、模具钢、量具钢。特殊性能钢:特殊性能钢又分为不锈钢、耐热钢和耐磨钢。压力管道常用的是普通低合金钢、调质钢（用于紧固件）、弹簧钢（用于弹簧支吊架和阀门）、不锈钢（用于各种腐蚀工况）、耐热钢（用于高温工况下）五类。其中不锈钢作为特殊的合金钢具有很多特点（常用的材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB/T3077、GB/T1221等）。有关使用限制条件有以下几点：（l）碳钼钢（C-0.5M。）在468温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨化的倾向。因此限制其最高工作温度不超过468。（2）在均匀腐蚀环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命和经济性进行选材，同时给出足够的腐蚀余量。,（3）临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。1.4不锈钢（铬钼钢）(1)不锈钢种类1)按化学成分可分为：铬不锈钢和铬镍不锈钢。2)按使用状态下钢的组织类型可分为：铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体双相型不锈钢、马氏体型不锈钢等。铁素体型不锈钢：这类钢具有单相铁素体组织，具有耐蚀性好、塑性好、强度低等优点。典型的铁素体型不锈钢是1Cr17。奥氏体型不锈钢：这类钢室温下具有单相奥氏体组织，具有优良的力学性能、耐蚀性和良好的塑性等特点。典型的奥氏体型不锈钢是0Cr19Ni9。奥氏体-铁素体双相型不锈钢：当钢中含有520%铁素体时，由于铁素体大多沿晶界形成，含铬量又较高，因此敏化处理后所导致的贫铬程度不足以产生晶间腐蚀。典型的奥氏体-铁素体双相型不锈钢是:1Cr17Mn9Ni3Mo3Cu2N、0Cr26Ni7Mo3CuSiN。马氏体型不锈钢：这类钢具有较高的力学性能和适中的耐蚀性能等。典型的马氏体型不锈钢是1Cr13、2Cr13和3Cr13。,64,(2)压力管道中常用的不锈钢材料标准主要有GB/T14976、GB/T4237、GB/T4238、GB/T1220等。其共性的使用限制条件有以下几点：l）在高温H2H2S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。2）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最少，或者不在400以上温度下使用。3）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，应考虑防止产生相析出，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。通常在高铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢及耐热合金中，伴随着相的析出，材料的塑性和韧性显著下降，脆性增加。相具有高硬度，在Fe-Cr合金中，相属于正方晶系。相（FeCr）是脆性的金属间化合物相。65,4)奥氏体不锈钢经过540900温度区间时，应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。当有氧化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。5)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。应避免接触湿的氯化物，或者控制介质中的氯离子浓度不超过25PPm。6)奥氏体不锈钢与铅、锌或其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。7)奥氏体不锈钢使用温度超过525时，其含碳量应不小于0.04。若含碳量太低，钢的强度会显著下降。8)对有剧烈环烷酸腐蚀的环境，应选用含钼的奥氏体不锈钢（如316、316L）或其复合材料（复合板或复合管）。9)一般规定超低碳奥氏体不锈钢使用温度，304L控制在400以下，316L控制在450以下。,66,67,2.材料代用2.1材料代用的原则(1)拟代用的管道器材应满足管道的设计条件（如设计压