基础压力管道资料常识讲座-华中科大教材

压力管道材料

目录

1金属材料基础知识

1.1金属的微观结构

L2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+(0.05-4%)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1534C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

1534c〜1390℃体心立方排列叫8铁

1390℃~910℃面心立方排列叫Y铁

910℃以下体心立方排列叫a铁

a铁Y铁6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（a）、奥氏体（Y）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：

C=0.8%珠光体共析钢

CX0.8%铁素体+珠光体亚共析钢（GS亚共析钢线）

00.8%渗碳体+珠光体过共析钢（ES过共析钢）

GS线：（X0.8%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：0.8%<C<2.06%的铁碳合金加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线

（Accm）,或者冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线（Arcm）o

PSK线：铁碳合金加热时珠光体向奥氏体转变的温度线（Acl）,或者冷却时奥

氏体向珠光体转变的温度线（Ari）。

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，儿乎总是

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。

完全退火一将钢加热到GS线以上20~30℃,经保温后随炉缓冷或埋在保温

灰中缓冷。

低温退火一加热至小于临界点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。

1.2.1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P（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（0.25〜0.35）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300〜350C,对铭铝合金

钢则为400〜450℃。

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450C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℃o

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)、碑⑹、睇(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)、神(As)、睇(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%的碳镒钢、硅钢、

辂铝钢、辂钳钢钢和辂铝钢铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25%〜0.45%

的辂钢和辂钳钢。

主要影响元素：碳要)、镒要n)、辂要r)、Mo、V、Si、Al

杂质元素：S、0、P、As>Sb,

a碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。

b镒(Mn)在低合金钢中的作用

c铭(Cr)在低合金钢中的作用

d钥(Mo)在低合金钢中的作用

e钮(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)、碑(As)、睇(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%的铭钥、铭银、铭银钥耐热钢

和不锈钢。

高合金钢中，其主要影响元素：碳(0、格(Cr)、铝(Mo)、银(Ni)、钛(TI)、硅

(Si)等；

杂质元素：硫(S)、磷(P)、神(As)、睇(Sb)等。

a碳(C)在高合金钢中的作用

b铝在高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。

c银(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

2.1铸铁

2.1.1灰口铸铁

2.1.2可锻铸铁

2.1.3球墨铸铁

2.2碳素钢

2.2.1.碳素钢的分类

2.2.2普通碳素钢

2.2.3优质碳素钢

2.2.4高级优质碳素钢

2.3合金钢

2.3.1合金钢分类

2.3.2常用合金钢

2.4常用金属材料技术条件标准

2常用金属材料

介绍压力管道中常用的金属材料的分类、特点、用途和表示方法

金属材料:黑色金属：通常指铁和铁的合金

有色金属：指铁及铁合金以外的金属及其合金。

黑色金属根据它的元素组成和性能特点分为三大类，即铸铁、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。

♦真正有工业应用价值的铸铁其含碳量一般为2.5%~6.67%。

♦铸铁的主要成分除铁之外，碳和硅的含量也比较高。由于铸铁中的含碳量较高，使得其中的

大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在，而是以游离的石墨存在。

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将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁。

2.1.1灰口铸铁：石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰口铸铁。

♦灰口铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存,断口呈灰色，灰口铸铁也因此

而得名。灰口铸铁的各项机械性能均较差，工程上很少使用。

2.1.2可锻铸铁：经过长时间石墨化退火,使石墨以团絮状存在于铸铁组织中，此类铸铁称为可

锻铸铁。

性能特点：强度、塑性、韧性均优于灰口铸铁，其延伸率可达12%；但可锻铸铁制造工艺

复杂,价格比较高。

♦由于可锻铸铁具有一定的塑性，故"可锻"的名称也由此而出，其实它仍为不可锻。

用途：可锻铸铁在工程上常用作阀门手轮以及低压阀门阀体等。

根据断面颜色或组织的不同，可锻铸铁又分为黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和珠光体可锻铸

铁三种。常用的是黑心可锻铸铁。

2.1.3球墨铸铁:是通过在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理,并加入少量的

孕育剂以促进石墨化，在浇注后直接获得具有球状石墨结晶的铸铁。

性能特点：球墨铸铁的各项性能指标均优于可锻铸铁，比可锻铸铁价格便宜。

用途：可代替可锻铸铁用在较苛刻条件下。用途更广泛。

铸铁命名：根据GB9439的规定铸铁的牌号表示方法:

QT400-15QT450-10KTH330-8

I____延伸率(％)

________(MPa)

----------“球铁，汉酬音第一个字母

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

‘工业纯铁CW0.04%的Fe、C合金

低碳钢CW0.25%的钢(强度低茎性好焊接性能好Q235-A.20g、20用于管道压容)

a.按化学成衣中碳钢00.255.60%的钢.强度及理性适中，用于素固件和锻件如：35钢

(含珠量)高碳钢00.60%的钢强度和硬度高、堡性差，可制作弹簧、钢丝绳等.如

<65Mn(c=0.62~0.7)

「甲类钢A按机械性能供应钢Al,A2,A3-A7

,普通碳素钢..乙类钢B按化学成分供应的钢BLB2,…B7等

(PS0.05%

SW0.0596)[隧钢C按机械性能+化学成分C1,C2,C3-C

《

b.按品质分类优质强素钢(PW0.04%S^0.04%)10,15,20.25

'高级(PW0.03%SW0.02%)

r平炉钢普磔钢、低合金钢、优质碳素钢

’冶炼设备.转炉钢普碳钢

电•

c.m^<

「沸腾钢A3F

.镇静钢A3

ISNbb(18

结构钢

d按用途I承压用钢在力容器用、锅炉用钢)

］工具钢

I特种用途钢

r\高级铸钢S、P^O.04%

II优级铸钢S,P40.05%

/铸钢jIII普通级铸钢S、PC0.0686

一般阀门均为他钢，一般应注明级别，不注为III级.适用于制造一型形状复杂,

I难以进行铸造和切削加工成形而又要求较高的强胸塑性的零件.

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

e.按成型方法受大冲击力的作用，用于重要的受力零件.

?

「热轧钢表面质量及尺寸精度粒差，不能轧制细、薄的钢材.主要用来生产

.1型钢、钢管、钢板等大型钢材.

轧钢］冷轧钢与热轧相比，表面光洁、尺寸精确、机械性能好.常用来轧制表

面质量优良和尺寸精确的板、管、带等细薄产品.

I冷拔钢以蒸轧钢为原料，在冷态下进行多次拉拔而成的各种钢材.特点：精度高、

表面质量好.主要用于生产钢丝和小直径园钢和钢管.

2.2.2普通碳素钢

♦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。

♦普通碳素钢根据冶炼过程的脱氧程度分为沸腾钢、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。

沸腾钢冷凝后没有集中缩孔,因而成材率高，成本低,表囱质量及深冲性能好。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：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。

成材率低,成本高。但镇静钢中气体含量低，时效倾向小，钢镜中气泡、疏松较少，质量较好。

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叫。

普通碳素钢的表示方法和代号我G8700标准

0235AF

।—F沸腾钢，b半镇静钢，镇静钢省略

——质量等级号,A缓不做冲击试验再级做常温V形缺口冲击试验；

C,D两缓常用在重要场合下

--------材料的屈服强度,MPa.分别为195、215^235、255、275五个修

----------"屈”字汉语拼音第一个字母。|

♦压力管道中常用的普通碳素结构钢牌号为Q235A（F、b）、Q235B（F、b）、Q235C、

Q235D四种,这些牌号的质量要求是顺次提高的。材料标准为GB700o

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，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，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依G822/标准:

08F

I—沸腾钢

万分之几“C，|

20g(25g)

II—锅炉钢

I_____C:0.17〜0.24%

XXXXXXX

।------特殊用途标记，R压容用f?；g锅炉用钢；D低温用钢

如加肘g钢或半镇静钢，尚应加或5'

------转元^的量达到0.7%以上时事特意加入的其它元素，为该元素的化

学符号，如MIKSiW(16MnR)

I____________两国改字液示钢中平均含碳室的万分之几如：10、20、25、35等

I------------------------“ZG”表示铸钢，铸殛的卜的生产方法不表示.

♦GB/T699给出了优质碳素钢的化学成分和机械性能要求。

该标准共列出了08F、10F、15F、08、10、20、25、...70Mn等31种材料牌号;

压力管道中常用的牌号为08、10、20三种。

2.2.4高级优质碳素钢

高级优质碳素钢各方面性能略优于优质碳素钢,但价格较高，工程上用的并不多。一般情况

卜,如果采用优质碳素钢不能满足使用条件要求时，将考虑选用相应的合金钢而不用高级优

质碳素钢。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。

2.3.1合金钢分类

表2—1合金钢分类(用途)

第三层分类卜点及用途

1层1第二层分类

1.低碳型合金钢，合金元素总量一般才3%；

低合金钢2.强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可；

3.用于中高温、抗氢、抗高温硫腐蚀等。

1.中碳型合金钢，合金元素含量较低；

调质钢2.强度较高；

3.用于高温螺栓、螺母材料等。

合金结构钢

1含碳量比调质钢高；

弹簧钢2经调质处理，强度较高抗疲劳强度较高；

3用于弹簧材料。

1高碳型合金钢，合金含量较高；

合金钢滚动轴承钢2具有高而均匀的硬度和耐磨性：

3用于滚动轴承。

1高碳型合金钢，合金元素含量较低；

合金工具钢量具钢2具有高的硬度和耐磨性，机加工性能好，稳定性好；

3用于量具材料。

1低碳高合金钢；

不锈钢2抗腐蚀性好；

3用于抗腐蚀、部分可做耐热材料。

特殊性能钢

1低碳高合金钢；

耐热钢2耐热性能好；

3用于耐热材料、部分可做抗腐蚀材料。

1低碳合金钢，根据耐低温程度合金元素有高有低；

低温钢2抗低温性好；

3用于低温材料（专用钢为银钢）。

合金元素因溶于铁素体中起固溶强化作用，从而提高了材料的硬度和强度,但同时却使其韧性

和塑性相对降低。

材料在低温下强度一般略有提高,但塑性和韧性则下降很多，通过添加一些合金元素可提高材

料在低温下的塑性和韧性。

奥氏体不锈钢由于含有较多的合金元素又具有单一的奥氏体组织，故它具有较好的抗氧化腐

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。

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。

2.3.2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。其它钢种有时也

会偶尔碰到在此不再作进一步的介绍。

a.低合金钢

低碳型合金钢，合金元素总量一般生3%；强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可

焊性尚可；低合金钢有碳铺系、碳铺钮系、铭钳系、铭钳钿系

♦碳锦系和碳镒钢系

GBrri59i给出了化学成分和机械性能要求；

1材料牌号为Q295A(B)、Q345A〜E、Q390A〜E、Q420A〜E、Q460C-E;

1用于常温及以上温度时，可用A、B或C级；用于一2（k--40℃

时，可用C或D级

1表示方法及代号同普通碳素钢

♦铭钥系和铭钥帆系

GB/T3077给出了化学成分和机械性能要求；

1材料牌号主要为12CrMo>15CrMo>12CrlMoV；

I它们常用作抗氢腐蚀、抗高温硫或硫化氢腐蚀和耐热（次高温）等材料

例如,12CrM。和15CrMo常用于550℃以下的高温工况,或用于320℃以下的临氢工

况;12CrlMoV常用于575℃以下的高温高压蒸汽介质。

1表示方法及代号

特殊用途标记同优喷蝴部分.对高级优质合金钢，在其后加“A”

主要素醋及其含量其中前两位碗素酒后两簸字

为该合金元素的平均百分比禽罩.数字为一位数时用一个敷字

表示，含量不足L5%时可省略不注.有多个合金元素时则依次按

1ttMg.

两位数字表示钢中平均含硅正的万分之几.

两个字母“ZG”铸钢，铸碰矽卜的生产方法不表示.

25Cr2MoVA

~~高级优质合金钢

------------合金元素含量＜1.5%X仅拯食金元素

1.5-2.49%标“2”

2.5-3.49%标“3”

3.5-4.49%标“4”

17-19.00%标“18”|

--------------含碳量丝/（两位数字表示）

b.调质合金钢

1中碳型合金钢，合金元素总量一般》3%；

1它的含碳量较高，强度高，可焊性差；

1GB/T3077给出了化学成分和机械性能要求；

I材料牌号为40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25CrMoVA等

1用于螺栓、螺母材料

1表示方法及代号同低合金钢中的铭铜系和铭钥银系

c.不锈钢

♦不锈钢特点

1合金元素含量比较高，均超过10%,有的高达50%甚至更多；

1它含有大量的合金元素，故其耐热、耐蚀等性能大大优于碳素钢和低合金钢，但随之而

来的是其价格也远远高于碳素钢和低合金钢。

♦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

!Crl8Ni9Ti0Crl8Ni900Crl8Nil8

---------合金元素表示方法同低合金钢

----------------含碳量千分之几(位数表示)

C<0.1%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

•根据其含碳量的不同分为高碳型、低碳型(CW0.08%)、和超低碳型；

♦常温为单一奥氏体组织，消除了组织间的电位差，故有利于抗电化学腐蚀；

•它含有大量耐蚀合金元素，抗高温化学腐蚀；

・具有良好的机械性能和可焊性；

・价格较高。

•GB1220标准共给出了33种奥氏体不锈钢的材料牌号，而常用的材料

牌号有0Crl8Ni9(304)、00Crl9Nil0(304L)s0Crl7Nil2Mo2(316)、00crl7Nil4Mo2(316L).

OCrl8NilOTi(321)、0Crl8NillNb(347)>0Cr25Ni20(310)、0Cr23Nil3等。

高碳奥氏体不锈钢含碳量较高(C=0.04%〜0.12%),高温强度较高，常用作耐热

钢;

派超低碳型奥氏体不锈钢含碳量较低(CW0.03%),不易产生晶间腐蚀倾向，常用

作耐蚀钢；强度较低，不应在高温下使用。

派低碳型奥氏体不锈钢含碳量(CW0.08%,性能介于高碳利超低碳之间；

2)奥氏体一铁素体型不锈钢

•常温组织为奥氏体+铁素体组织；

•由于含有硅、铝等合金元素，加之它具有双相组织，故它抗氯化物引起的晶间腐蚀和

应力腐蚀性能明显优于奥氏体型不锈钢。

•具有良好的综合机械性能和可焊性；

•常代替奥氏体型不锈钢用于容易发生晶间腐蚀的工作环境。

•但该种材料制造工艺复杂，成本较高,价格约是奥氏体型不锈钢的(3-4)倍,故这种材料在

工程上应用的并不普遍；

・GB1220标准给出了0Cr26Ni5Mo2、lCrl8Nil!Si4AlTi>00Crl8Ni5Mo3Si2共3种奥氏

体一铁素体型不锈钢的材料牌号。

3)铁素体型不锈钢

•常温组织为铁素体组织。

•由于它的平均含倍量大于11.7%,可在材料表面形成•层致密的Cr氧化薄膜，能有效地

保护材料免遭腐蚀。但其防腐性能不如奥氏体型不锈钢，

•焊接性能比较差；

•常用在腐蚀性较弱的环境。在压力管道中应用的不多，而在压力容器中常

用作复合材料的复层；

•GB1220标准共给出了7种铁素体型不锈钢的材料睥号，常用的材料牌号有00crl2和

0Crl3AU

4)马氏体不锈钢

•合金含量与铁素体型不锈钢类似；

・碳含量较高，具有较高的硬度和耐磨性，耐蚀性较弱；

・常被用于手术刀，压力管道中碳素钢和铭铝钢阀门的阀杆和阀芯；

•GB1220标准共给出了18种马氏体型不锈钢的材料牌号，常用的材料牌号有lcrl3和

2Crl3、3Crl3»

5)沉淀硬化型不锈钢

・指可以进行沉淀硬化处理的奥氏体或马氏体不锈钢；

•有很高的强度和硬度，耐蚀接近奥氏体不锈钢，

•压力管道中用作螺栓和螺母材料；

•GB1220标准共给出了3种材料牌号,0Crl7Ni4Cu4Nb、0Crl7Ni7AK0Crl5Ni7Mo2AL

e.耐热钢

•除超低碳不锈钢和双相不锈钢外，大多数不锈钢都可作为耐热钢；

•GB1221标准共给出了40种耐热钢的材料牌号，常用的牌号有：

奥氏体型：0Crl8Ni9(304)、0Crl7Nil2Mo2(316),OCrl8NilOTi(321).0Crl8NillNb(347)、

0Cr25Ni20(310)s0Cr23Nil3等；

铁素体型:00crl2和OCr13Al等；

马氏体型:ICr5Mo、lcrl3和2Crl3、3Crl3等;

沉淀硬化型：0Crl7Ni4Cu4Nb、0Crl7Ni7Al等

※工程上常用的耐热合金钢还有Cr2Mo、Cr9Mo等材料，但GB1221标准中却没有列入。

Cr2Mo、Cr9Mo材料和lCr5Mo一样，属于低碳型合金钢，常温下可获得铁素体和珠光体组织

但容易淬硬而出现马氏体组织。这类钢有较高的热强性,常用于350-650C且腐蚀性不强的工

况下，如动力系统的高温蒸汽管道。它还有一定的抗高温硫腐蚀和高温氢腐蚀的能力。这类

钢焊接性较差，容易出现延迟裂纹，一般焊后要进行热处理。

f.低温用钢(银钢)

•具有面心立方晶格的金属材料(如铜Cu、银Ni、奥氏体钢等)一般没有低温冷脆现象，是

最好的低温用材，故含铜、银等元素的合金钢常用于低温工况。

•晶粒越细钢材的低温冲击韧性越好，故一般铁素体钢要正火处理后使用。杂质元素硫(S)、

磷(P)、氧(0)都将降低钢材的低温冲击韧性，一般要严格控制。

・我国的低温用钢有：16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb,奥氏体不锈钢。

2.4常用金属材料技术条件标准

(1)GB/T699-1999《优质碳素结构钢技术条件》

主要对10、20、25、35等优质碳素钢的牌号及化学成分、冶炼方法、交货状态、力学性能、

试验要求等作出了规定。

(2)GB/T700-88《碳素结构钢》

主要对Q195、Q215、Q235、Q255等碳素结构钢的生产和试验等要求作出了规定。是碳素

结构钢的技术条件。

(3)GB/T1220-92《不锈钢棒》

对不锈钢棒的尺寸、外形、技术要求、试验方法等作出了规定。它是包括0Crl8Ni9、

00Crl9Nil0、0Crl7Nil2Mo2、00Crl7Nil4Mo2等奥氏体不锈钢,0Crl3等铁素体不锈钢」Crl3、

2Crl3等马氏体不锈钢和0Crl7Nil4Cu4Nb等沉淀硬化型等各种不锈钢的技术条件。

(4)GBfT1221-92《耐热钢棒》

对耐热钢棒的尺寸、外形、技术要求、试验方法、验收规则等作出了规定。它是包括奥氏体

耐热不锈钢、铁素体耐热钢和lCr5M。马氏体耐热钢等的技术条件。

⑸GB/T1591-94《低合金高强度结构钢》

对低合金高强度结构钢的牌号和技术要求、试验方法、检验规则等作出了规定。标准包括了

Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等牌号低合金高强度结构钢的制造检验要求。

(6)GB/T3077-1999《合金结构钢技术条件》

主要用于直径或厚度不大于250mm的合金结构钢热扎和锻制条钢。其化学成分亦适用于钢

坯及其制品。

此技术条件包括了石油化工管道常用的12CrMo、15CrMo、35CrMo、40Cr等常用合金钢牌

号。

3常用金属材料的基本限制条件

3.1一般限制条件

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符合既使用又经济的要求

3.2常用材料的应用限制

3.2.1铸铁

3.2.2普通碳素钢

3.2.3优质碳素钢

3.2.4铭铝合金钢

3.3常用材料的使用温度

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。就常见的选材条件来说，要想在这里逐给出其选材结论是不现实的，它也正是各个设

计院或工程公司一直致力研究的问题。在这里将换一种方式，以材料为主体，应用金属理论、腐蚀理论以

及工程理论来确定各种常用材料的使用限制条件。

工程上，压力管道选材除了耍确定材料牌号外，还要确定材料标准，因为不同的材料标准，对材料质量的

要求是不样的。

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

a.根据操作条件判断该管道是不是压力管道，属于那一类压力管道。

不同类别的压力管道因其重要性不同，发生事故带来的危害程度不同，故对材料的要求也不同。一般情况

下，高类别的压力管道（如一类压力管道）从材料的冶炼工艺到最终产品的检查试验都比低类别的压力管道要

求高。

b.应考虑操作条件对材料的选择要求。不同的材料对同一腐蚀介质的抗腐蚀性能是不相同的。在腐蚀环境

中，选用材料应避免灾难性的腐蚀形式（如应力腐蚀开裂）出现，而对均匀腐蚀，一般至少应限定在“耐腐蚀”

级，即最高年腐蚀速率不超过0.5mm；

c.介质温度也是选用材料的•个重要参数。因为温度的变化会引起材料的•系列性能变化，如低温下材料

的脆性，高温下材料的石墨化、蠕变等问题。很多腐蚀形态都与介质温度有密切的关系，甚至是腐蚀发生

的基本条件。因此压力管道的选材应满足温度的限制条件。

3.1.2满足材料加工工艺和工业化生产的要求

a.理想的材料应该是容易获得的，即它应具有良好的加工工艺性、焊接性能等。

例如，对于一些腐蚀环境，选用碳钢和不锈钢复合制成的压力管道及其元件来代替纯不锈钢材料无疑是经

济适用的，但由了许多制造厂的复合工艺不过关，使用中屡次出现问题，从而给复合材料的应用带来了限

制，尤其是碳钢与0Crl3的复合板材因现场焊接质量不容易保证，以致工程上不敢使用或者说不敢大量使

用它。

b.工程上的材料应用是系列化、标准化的。

它不像在实验室中，可以做到少量、理想化的材料应用。将材料标准化、系列化便于大规模生产，减少材

料品种，从而可以节约设计、制造、安装、使用等各环节的投入，同时也将大大降低生产成本。

所以工程上应首先选用标准材料，对于必须选用的新材料，应有完整的技术评定文件，并经过省级及其以

上管理部门组织技术鉴定，合格后才能使用。

对于必须进口的材料，应提出详细的规格、性能、材料牌号、材料标准、应用标准等技术要求，并按国内

的有关技术要求对其进行复验，合格以后才能使用。

3.1.3符合既适用又经济的要求

这是一个很原则的问题，实际操作起来是很复杂的。它要求材料工程师须运用工程学、材料学、腐蚀学等

方面的知识综合判断。这样的问题有时是可以定量计算的，有时则是不可以定量计算的。一般情况下，应

从以下儿个方面来考虑：

a.腐蚀方面

1）对于局部腐蚀，若通过其它措施（如工艺防腐措施）能防止或控制局部腐蚀的发生，特别是突然性、灾难

性的局部腐蚀发生，就可以采用价格比较低的材料。否则，必须选用高级但价格高的材料。

2）对均匀腐蚀，在腐蚀环境比较恶劣的情况卜，若选用低级但价格便宜的材料，其腐蚀速率可能会很大，

短时间内就必须更换材料；而用耐腐蚀比较好、价格比较高的材料，其腐蚀速率可能会较小，从而维持一

个比较长的生产周期。进行综合的技术经济评定，此时采用高级材料也许更经济些。反之，如果腐蚀环境

比缓和，此时选用低级材料虽然其腐蚀速率比较大，但其价格便宜，进行经济核算后，此时采用低级材料

也许更经济些。总之这类型的材料选用是应进行经济核算。

3）对于同一个腐蚀环境，若选用高级材料时遭受的腐蚀可能是危险性较大的局部腐蚀，而选用低级材料时

遭受的腐蚀可能是具有较大腐蚀速率的均匀腐蚀。此时就应考虑选用低级材料并辅以其它防腐措施。

b.材料标准及制造方面

压力管道的类别与材料标准和制造要求并没有一个完全一一对应的关系，这就要求材料工程师应用有关知

识来综合考虑。许多材料标准和制造标准中，都有若干供用户确认的选择项。

1）这些选择项中，有些是一般的项目，当用户没有指定时，制造商将按自己的习惯去做。

例如，钢管的供货长度、供货状态等都属于这类项目。

2）有些项目则是附加检验项目，这些检验项目不是必需的，只有用户要求时制造商才做。也就是说，用户

可以根据使用条件不同，追加若干检验项目以便更好的控制材料的内在质量。但提出了这些特殊要求就意

味着产品价格的上升，有些检验项目如射线探伤的费用是很高的。如何追加这些附加检验项目，应结合使

用条件和产品的价格综合考虑，有时要把握好这个尺度是很难的。

c.新材料、新工艺应用方面

积极采用新材料，支持新材料、新工艺的开发和应用，可以有效地降低建设投资，又能满足生产工艺对材

料的要求。

例如：用渗铝碳钢代替不锈钢用于抗硫和有机酸的腐蚀；

用碳钢与不锈钢的复合材料代替纯不锈钢材料；

用焊接质量有保证的有缝钢管代替无缝钢管；等等。

3.2常用材料的应用限制

3.2.1铸铁

常用的铸铁有可锻铸铁和球墨铸铁两种。

一般限制条件：

1）使用在介质温度为-29〜343C的受压或非受压管道；

2）不得用于输送介质温度高于150，C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

I）应限用在设计压力W0.6MPa,设计温度为0〜250℃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0〜400（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）GB700标准给出了四种常用的普通碳素结构钢牌号，即：Q235A（F、b）,Q235B（F、b）、Q235C、Q235D。

其适用范围如下：

Q235-A-F钢板：设计压力PW0.6MPa；使用温度为0〜25（TC,钢板厚度:M2mm：

不得用于易燃，毒性程度为中度、高度或极度危害介质的管道。

Q235-A钢板：设计压力PW.OMPa；使用温度为0〜350℃；钢板厚度才16mm；

不得用于液化石油气、毒性程度为高度或极度危害介质的管道。

Q235-B钢板：设计压力PWl.6MPa；使用温度为0〜350℃：钢板厚度＞*20mm；

不能用于高度和极度危害介质的管道。

Q235-C钢板：设计压力P±2.5MPa；使用温度为0〜400C；钢板厚度440mm；

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，锦钢（如I6Mn）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，热处理后的焊缝硬度不得大于

HB200.焊缝应进行100%无损探伤。镒钢（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，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，并

采取相应的其它防腐蚀措施;

d.碳素钢、碳镒钢和镒锐钢在425'C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425匕(锅炉规范则规定该温度为450℃)；

c.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倍铝合金钢

常用的络铝合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，其使用限制条件如下：

a.碳铝钢(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℃；

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400-551TC温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题。

g.铭铝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.含铝12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在4()0-550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止4751c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℃以上温度使用:

b.奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540〜900℃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(C<0.0.03%)奥氏体不锈

钢；

c.不锈钢在接触湿的氯化物时，有应力腐蚀开裂利点蚀的可能，应避免接触湿的氯化物，或者控制物料和

环境中的氯离子浓度不超过25X10-6；

d.奥氏体不锈钢使用温度超过525匕时，其含碳量应大于0.04%,否则钢的强度会显著下降。

3.3常用材料的使用温度

表3—1常用金属材料的使用温度

材料使用温度"C

10、20-20〜425

16Mn-40-450

09Mn2V-70-100

12CrMo<525

15CrMo<550

!Cr5Mo<600

低碳奥氏体不锈钢(018CrNi9,0Crl7Nil2Mo2>0Crl8Nil9Ti)-196-700

超低碳奥氏体不锈钢(00Crl9Nil0)-196-400

超低碳奥氏体不锈钢(00Crl7Nil4Mo2)-196-450

0Cr25Ni20<800

4应用标准体系

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

4.1.2美国应用标准体系(ANSI)

4.1.3日本应用标准体系(JIS)

4.1.4国际标准化组织(ISO)的应用标准体系

4.1.5英国和法国应用标准体系

4.2国内常用的标准体系

4.2.1石化行业应用标准体系

4.2.2化工行业应用标准体系

4.2.3机械行业应用标准体系

4.2.4国家应用标准体系

4.2.5压力管道应用标准体系配伍

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。下面以管子标准和法兰标准为主，介绍

应用标准。

目前，世界上各国应用的标准体系有很多，不同的国家不同的行业有不同的应用

标准和标准体系，它们之间有些相差很多，无法配套使用和互换因而给使用者带

来不少麻烦。

因此，压力管道设计的第一步就是选择应用标准体系，并作为设计的统一规定，

以免各相关专业因采用不能互换的其它标准体系而导致错误。

世界各国应用标准大体上分为两大类。

♦管子一一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）

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♦法兰：欧式法兰和美式法兰

压力等级：PN0.10.250.61.01.62.54.06.310.016.0

25.040.0MPa欧式法兰(DIN)

压力等级：PN2.05.06.810.015.025.042.0MPa美

式法兰(ANSI)

CL15030040060090015002500Psi

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。

ANSI美国国家标准化组织

ASTM.AmericanSocietyofTestingMaterials,美国材料实验协会

♦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。

管子表号是管子设计压力与设计温度下材料许用应力的比值乘以1000,并经圆整

后的数值。

即：Sch=P/[o]tX1000

ANSIB36.10壁厚等级：SchlO、Sch20、Sch30、Sch40、Sch60>Sch80、SchlOO,

Schl20>Schl40、Schl60十个等级；

ANSIB36.19壁厚等级：Sch5s、SchlOs.Sch40s、Sch80s四个等级；

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，它将管子壁厚分为三种：

a.标准重量管，以STD表示

b加厚管，以XS表示

c.特厚管，以XXS表示。

对于DNW250mn的管子，Sch40相当于STD,DN<200mm的管子,Sch80相当于XS。

4.1国际上常用的标准体系

随着我国对外改革开放和加入WTO,各行业与国际上联系越来越多，为了更好地

与国际接轨，就要求从事压力管道设计的人员对国际上通用的和先进的相关标准

体系有所了解。下面介绍儿个主要的应用标准体系。

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:PNO.1、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4、10.0、16.0、25.0、

32.0、40.013个等级

公称直径：DN6〜4000mm

法兰密封面：平面、凸台面、凹凸面、梯槽面、橡胶环连接面、透镜面及膜片焊

接