压力管道材料及应力讲课提纲.ppt

1、压力管道设计审批人员培训提纲,镇海石化工程有限责任公司,2008年05月22日,镇海石化工程有限责任公司 ZHENHAI PETROCHEMICAL ENGINEERING CO.,LIMITED,提纲,管道材料 应力部分,管道材料 应用标准,1、几个基本概念,管径系列： DN1522 18，DN202725，DN253432， DN404845，DN506057，DN657673， DN808989，DN100114108， DN150168159，DN200219219， DN250273273，DN300325325， DN350356377，DN400406426， DN4504574

2、80，DN500508530， DN550559，DN600610630； 公称直径大于1000mm时，宜按200mm递增。 SH3059-2001 P13 7.1.1,管道材料 应用标准,管径系列：,SH3059-2001 P13 7.1.3 除仪表连接管、蒸汽伴管和特殊要求者外，管子最小公称直径应为15mm，且管子内径不应小于6mm。,公称压力等级系列,（PN2.0CL150，PN5.0CL300， PN6.8CL400，PN10CL600，PN15CL900，PN25CL1500，PN42CL2500）；,管道材料 应用标准,钢管壁厚的表示方法在不同的标准中各不相同，但主要有三种 （1）

3、 以管子表号表示公称壁厚 此种表示方法以ANSI B36.10焊接和无缝钢管为代表并为其它标准所采用，常以“Sch”表示。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/t1000 ANSI B36.10和JIS标准中，管子表号有：Sch10、20、30、40、60、80、100、120、140、160； ANSI B36.19中不锈钢管管子表号有：Sch5s、10s、40s、80s； 中国石化集团公司标准SH3405中，无缝钢管采用了Sch20、30、40、60、80、100、120、140、160等9个表号，不锈钢管采用了Sch5s、10

4、s、20s、40s、80s等5个表号；,公称壁厚的表示方法教材 P306 6.8.4,管道材料 应用标准,（2）以管子重量表示公称壁厚 美国MSS和ANSI也规定以管子重量表示公称壁厚的方法，并将管子壁厚分为三种 1）标准重量管，以STD表示； 2）加厚管，以XS表示； 3）特厚管，以XXS表示。 于DN250mm的管子，Sch40相当于STD； DN200的管子，Sch80相当于XS。 (3) 以钢管壁厚值表示公称壁厚 中国、ISO和日本部分钢管标准采用了壁厚值表示钢管公称壁厚。,管道材料 应用标准温度压力额定值,是在指定温度下用表压表示的最大允许工作压力。当温度升高时，最大允许工作压力随之

5、降低。压力温度额定值数据是在不同工作温度和工作压力下正确选用法兰、阀门及管件的主要依据，也是工程设计和生产制造中的基本参数。 许多国家都制订了阀门、管件、法兰的压力温度额定值标准，主要标准：ASME/ANSI B16.34、ISO（国际标准化组织）、BS、DIN、JIS、TOCT（前苏联国家标准）。各种材料的压力温度额定曲线见下图：,在美国标准中，钢制阀门的压力温度额定值按ASME/ANSI B16.5a-1992、ASME B16.34-1996的规定；铸铁阀门的压力温度额定值按ANSI B16.1-1989B16.4-1989，ANSI B16.42-1985的规定：青铜阀门的压力温度额定

6、值按ASME/ANSI B16.15a-1992、ASME B16.24-1991的规定。 美国ASME/ANSI B16.5a-1992中规定了英制单位和米制单位两种法兰尺寸系列，同时分别列出了适用了两种单位制的法兰压力温度额定值。在该标准附录D 中给出了确定英制单位压力温度额定值的方法。,管道材料 应用标准温度压力额定值,美国ANSI B16.42-1985球墨铸铁管法兰及法兰管件标准中规定了CL150和CL300球墨铸铁法兰压力温度额定值在标准附录中又规定了压力温度等级的制订方法，其基本原理、使用范围、限制条件及制订程序与ASME/ANSI B16.5a-1992基本一致。 美国ASME

7、 B16.34-1966纳入了ASME/ANSI B16.5a-1992中法兰连接阀门的温度压力额定值数据。该标准中法兰连接阀门的压力温度额定值采用了ASME/ANSI B16.5a-1992的制订方法。该标准列出了法兰连接和对焊连接的标准级阀门及对焊连接特殊级阀门的压力温度额定值数据表。标准中所列的阀门材料有100多种，共划分为27组。,管道材料 应用标准温度压力额定值,德国标准DIN2401-1977第二分册管道压力级、钢和铸铁管道部件的允许工作压力是一个比较综合的压力温度额定值标准。其中，列出了无缝管、焊接管、法兰、阀门、管件及螺栓在不同材料，不同温度条件下的允许工作压力。该标准包括法兰

8、材料6种、法兰连接铸铁阀门材料4种、铸钢5种、锻钢5种，这些均为原始材料。钢材均为碳钢和低合金钢，未包括不锈钢。标准中明确规定，当选用与原始材料不同的其他材料时，其允许工作压力根据使用材料的强度特性值与标准中规定的原始材料在20时的强度值之间的比值进行计算。对于不锈钢材料的压力一温度额定值，ISO/DIS70651钢法兰中进行了补充说明。,管道材料 应用标准温度压力额定值,原苏联标准TOCT356-1980（现更新为联邦技术法规） 阀门与管路附件的公称压力、试验压力和工作压力系列，全部符合经互会标准。原苏联标准中，对材料进行了分组。在该标准中将200以下的最大允许工作压力值均视为常温下的工作压

9、力，并等于公称压力。,管道材料 应用标准温度压力额定值,国际标准ISO/DIS7005-1-1992普通管法兰是将美国标准ASME/ANSI B 16.5a-1992和德国标准中公称压力级的法兰标准合并在一起。因此，压力温度额定值标准也分别采用了美国和德国两个国家的法兰压力温度额定值标准的制订方法及相应数据。ISO/DIS7005-1-1992中的公称压力等级PN0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0MPA属德国法兰体系；PN2.5、10、15、25、42MPA属于美国法兰体系。每一体系的压力温度额定值标准只适用于各自体系的法兰标准。,管道材料 应用标准温度压力额定值,国内标准：GB

10、；SH；HG（GH20292HG20614欧洲体系，HG20615HG20635美洲体系）；JB；压力体系（欧洲体系PN0.6，PN1.0，PN1.6，PN2.5，PN4.0，PN6.3/6.4，PN11.0/10.0，PN16.0；美洲体系见上述）。 国家标准GB/T9124-2000（附录A）钢制管法兰 技术条件参考了德国DIN2401-1977和美国ASME/ANSI B 16.5a-1992标准中压力温度额定值的制订原则及方法，利用我国常用的法兰材料，参照国际标准ISO/DIS7005-1-1992分别制订了适用于两个公称压力系列（PN0.25-4.0MPA、PN2.0-42.0MPA

11、）的法兰压力温度额定值。标准中规定了13种法兰材料在12个公称压力等级下，工作温度为20-530的最大允许工作压力。,管道材料 应用标准温度压力额定值,SH3059-2001 P7 5.1 以压力等级或公称压力表示，并规定了压力温度参数的标准管道组成件，其压力温度参数应按该标准确定。 以钢管壁厚系列（包括壁厚、表号或重量级别等表示方法）表示，但未规定压力温度参数的标准管道组成件，其压力温度参数，应与其许用应力相同的材料的无缝钢管减去附加裕量后的壁厚确定 。,管道材料 应用标准温度压力额定值,金属的机械性能是指金属在外力作用下表现出来的特性，也称为金属的力学性能。主要有下列几项指标：强度极限b、

12、屈服极限s、持久强度、蠕变极限、延伸率、断面收缩率、冲击功AK 、硬度 。 1、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; 2、屈服极限s：材料的拉伸应力超过弹性范围，开始发生塑性变形时的应力。有些材料的拉伸应力-应变曲线并不出现明显的屈服平台，即不能明确地确定其屈服点。对于此种情况，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，用0.2表示，单位为MPa;,管道材料 金属的机械性能的重要指标、物理意义教材 P280 6.1.3,3、硬度：反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性。硬度有三种表示方法，即布氏硬度HB、洛氏硬度HR和维氏硬度HV，其测定方法和适

13、用范围各异。根据经验，钢材的硬度与其抗拉强度有如下近似关系： 1）轧制、正火的低碳钢b=0.36HB; 2）轧制、正火的中碳钢或低合金钢b=0.35HB; 3）硬度为250400HB,经热处理的合金钢b=0.33HB; *由于测定方便，对焊接接头也常用测定热影响区硬度的方法来确定其淬硬程度。,管道材料 金属的机械性能的重要指标、物理意义教材 P280 6.1.3,4、刚度指标：弹性模量定义； 5、塑性指标：5，10； 6、韧性指标：冲击韧性及冲击功单位； 7、物理性能：泊松比弹性范围，横向与纵向应变比，0.33；线涨系数碳钢比奥氏体钢小； 8、化学性能 9、加工性能 10、经济性,管道材料 材

14、料的基本性能,铁碳合金状态图(有时称为合金相图)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一种图形，通过铁碳合金状态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。 铁碳合金有以下三种主要的晶体相： (1) 铁素体(F)：是碳在-Fe中的固溶体，室温下仅溶碳0.006%，在723时达到最大值0.02%，所以其强度、硬度较低，塑性及韧性很高，它是低碳钢在常温时的主体相； (2) 奥氏体(A)：是碳在-Fe中的固熔体，溶碳能力较大，在723时达到最大值0.08%，在1147时达到最大值2.06%，它是碳钢在高温时的组织； (3) 渗碳体(Fe3C)：是

15、铁和碳的化合物，含碳量为6.69%，性能硬而脆，几乎没有塑性，它是碳钢中的强化相； （4）珠光体(P)，是铁素体和渗碳体相间排列的片状层组织，是一种机械混合物体，因此，其机械性能介于铁素体和渗碳体之间，综合力学性能较好。,管道材料 铁碳合金状态图、铁碳合金的晶体相 教材 P282 6.2.8,退火 常用的退火又可分完全退火、再结晶退火和消除应力退火 正火： 淬火： 回火： 调质 固溶处理： 正火与退火区别：,管道材料 钢的热处理方法、正火与退火区别 教材 P282 6.3.1,Q-235、20、16Mn：正火 12CrMo、15CrMo、1Cr5Mo：正火+回火或调质 35CrMoA、0Cr1

16、8Ni9：固溶,管道材料 压力管道材料一般的热处理状态 教材 P283 6.3.3,定义：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。 腐蚀的分类方法较多，常用的有以下几种： 按腐蚀介质分类： 按遭受腐蚀的材料分： 按腐蚀形式分 ： 按腐蚀机理分：。,管道材料 金属的腐蚀、分类 教材 P285 6.5.1,管道材料 应力的腐蚀破裂、腐蚀环境、措施 教材 P285 6.5.3,应力腐蚀破裂是金属在应力(拉应力)和腐蚀性介质的共同作用下（并有一定的温度条件)所引起的破裂。应力腐蚀现象较为复杂，当应力不存在时，腐蚀裂纹发展很慢，以致在材料寿命期内不发生开裂；当有应力并达到一定的水平后

17、，金属会在腐蚀并不严重的情况下发生破裂。由于这样的破裂是脆性的，没有明显预兆，故容易造成灾难性事故。 可产生应力腐蚀破坏的金属材料和环境的组合： 措施：1、降低应力水平。2、控制敏感环境。3、正确选材。,管道材料 构成湿硫化氢应力腐蚀环境 教材 P286 6.5.4,介质温度低于或等于(60+2P)，P为介质压力，MPa； (2) 硫化氢在介质中的分压大于等于0.00035MPa； (3) 介质中含有液相水或有水的结露； (4) pH小于9或有氢化物存在。 选材要求：硬度限制：本体和焊缝HB200 ,管道材料,1、构成液氨应力腐蚀开裂环境 教材 P286 6.5.5 2、 苛性钠碱液管道应如何

18、选用管道材料教材 P286 6.5.6 3、何谓氢脆、氢腐蚀、区别教材 P287 6.5.7 4、氢脆因素、防止措施教材 P287 6.5.8,管道材料 压力管道器材设计标准规范,1、管道器材有关的设计标准规范 教材 P288 6.6.1 2、设计中常用的法兰代号 教材 P292 6.6.6 法兰连接代号：对焊连接WN; 承插焊连接SW; 螺纹连接PT; 1松套连接LJ; 平焊连接SO。 法兰密封面代号：全平面FF；凸台面RF；环连接面RJ/RTJ；凹凸面MF；榫槽面TG。,管道材料 压力管道常用金属材料的限制,1、沸腾钢、镇静钢定义教材 P301 6.7.1 2、低碳、超低碳奥氏体不锈钢定义

19、教材 P301 6.7.2 C0.08%：低碳奥氏体不锈钢 C0.03%：超低碳奥氏体不锈钢 3、钢材牌号表示意义教材 P301 6.7.3,管道材料 压力管道常用金属材料的限制,4、碳素钢沸腾钢板Q235- AF和镇静钢板Q235-A、B、C的适用范围有何不同 教材 P301 6.7.4 与SH3059 6.1.9 P8 使用限制 5、钢材牌号适用温度范围教材 P302 6.7.5 6、高温下材料选择注意问题教材 P303 6.7.8 7、低温应力工况教材 P304 6.7.9 8、蠕变设计条件教材 P304 6.7.12 9、碳素碳、碳锰碳高温使用注意问题教材 P304 6.7.13,管道

20、材料 压力管道常用金属材料的限制,10、奥氏体不锈钢使用温度高于525应注意的问题教材 P305 6.7.14 11、对于介质中含有氢气的碳钢、低合金钢管道应如何选择材料教材 P305 6.7.15,管道材料 压力管道器材选用,SH3059-2001 P8 6.1.1 6.1.9 1、管道的材料应根据管道级别、设计温度、设计压力和介质特殊要求等设计条件，以及材料加工工艺性能、焊接性能和经济合理性等选用。 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。,管道材料 压力管道器材选用,1、根据

21、制造方法不同钢管如何分类教材 P305 6.8.2 2、流体输送用钢管和结构用钢管有何区别，压力管道应采用什么钢管？ 教材 P305 6.8.3 3、常用法兰密封垫片有几大类？适用范围如何？ 教材 P306 6.8.5,管道材料 压力管道器材选用,4、缠绕式垫片如何选用？ 教材 P307 6.8.6 5、反映垫片密封性能的主要指标有几个？这些指标的意义是什么？教材 P307 6.8.8 6、对斜接弯头的结构尺寸和使用有何限制？教材 P309 6.8.12 7、弯头的选用应注意什么问题？ 教材 P309 6.8.13,管道材料 压力管道器材选用,8、管道组成件的常见连接方法有哪些？各有何特点？

22、教材 P307 6.8.14 9、螺纹连接需符合的规定SH3059-2001 6.2.2 P11 10、常用锥螺纹标准？教材 P308 6.8.11 11、剧烈循环条件及管道组成件应符合的特殊要求 教材 P310 6.8.17 12、管道开孔补强方法 教材 P311 6.8.20 13、补强圈补强应遵守的规定教材 P311 6.8.21,管道材料 压力管道器材选用,14、阀门选用需考虑的原则 教材 P311 6.8.23 15、阀门种类：闸阀、截止阀、止回阀、蝶阀、球阀、疏水阀。 16、通用阀门规格书所包括的内容： 教材P313 6.8.32题 *国内现行的阀门型号表示方，对阀杆及内件材料、填

23、料种类、中法兰垫片种类、中法兰紧固件材料等均无规定，不能全面说明阀门的属性，一定要在规格表中技术要求或项目的统一规定中予以规定。 17、阀门出厂前，一般要根据什么标准进行哪些试验？试验要求如何？ 教材 P314 6.8.35 18、材料代用原则？压管设计导则P271 19、材料代用应注意的问题？安装P145,管道应力 管道应力分析基础知识,1、为什么要进行管道应力分析老教材 P197 6.2 进行管道应力分析的目的有以下几方面： （1） 使管道应力在规范的许用范围内； （2） 使设备管口载荷符合制造商的要求或公认的标准； （3）计算出作用在管道支吊架上的荷载； （4） 解决管道动力学问题； （

24、5） 帮助配管优化设计。 2、管道应力分析主要包括哪些内容？各种分析的目的是什么？ 教材P321 7.1.2题 3、管道上可能承受的荷载有哪些？ 教材 P322 7.1.4,管道应力 管道应力分析基础知识,4、配管专业向管道应力专业提出的应力分析条件应包括哪些内容？ 教材 P322 7.1.6 5、何谓一次应力，何谓二次应力？分别有哪些荷载产生？这两种应力有何特点教材P324 7.1.9题 6、工业金属管道设计规范GB50316中对一次应力和二次应力的校核条件做了哪些规定？教材 P324 7.1.10 7、蠕变、应力松弛定义，二者有何异同？ 教材 P330 7.1.16 8、什么是疲劳破坏？疲

25、劳破坏一般发生在什么地方？ 教材 P330 7.1.17,管道应力 管道应力分析基础知识,9、什么是薄壁假设？ 教材 P330 7.1.19 10、常用的材料强度理论教材P331 7.1.21题,管道应力 管道柔性设计,1、 何谓管道柔性？如何进行管道柔性设计教材 P332 7.2.1 2、管道柔性设计的目的教材P332 7.2.2题 3、哪些管道宜进行详细柔性设计？教材 P333 7.2.3 4、哪些管道可以不进行详细柔性设计？教材 P333 7.2.4 上次为计算问答题 5、详细柔性设计中如何确定计算温度教材 P334 7.2.6,管道应力 管道柔性设计,6、 管道柔性设计中，应考虑哪些端

26、点位移？教材 P335 7.2.7 7、管道热补偿方法、自然补偿的特点教材P335 7.2.10题 8、增加自然补偿能力教材 P335 7.2.11 9、补偿器有几种？各有何特点？适用范围如何 ？教材 P336 7.2.12 10、型补偿器的设置有何要求？ 教材 P336 7.2.13 11、选用无约束金属波纹补偿器应注意的问题教材 P336 7.2.14,管道应力 管道柔性设计,12、金属波纹补偿器在施工安装中应注意的问题？教材 P337 7.2.16 13、冷紧、自冷紧及其目的，如何实现？教材P337 7.2.17题 14、与转动设备连接的管道能否冷紧？教材 P338 7.2.19 15、对转动设备的允许推力应如何限制？可以参考引用的国外标准有哪些 教材 P338 7.2.20 16、在管道柔性设计中，计算温度取正常操作温度，是否总是偏于安全？ 教材 P340 7.2.25,管道应力 管道支吊架的设计,1、管道支吊架的种类和型式教材 P341 7.3.1 2、支吊架的作用，固定架、导向架和支托架（或单向止推架）都能限制哪些位移？ 教材P341 7.3.2 3、管道支吊架的选用原则教材 P341 7.3.3 4、确定管道支吊架