管道材料技术基础.ppt

1、胜利油田胜利工程设计咨询有限责任公司,二零零九年十月,管道材料技术基础,主 要 内 容,第一部分 钢管、管件及管道附件 第二部分 焊接材料 第三部分 阀门及其选用,第一部分 钢管、管件及管道附件,一、钢管的分类及采用标准 二、管件的分类及采用标准 三、管道附件 四、金属材料的机械性能 五、管道材料的选择 六、川气东送管道材料设计 七、川气东送国内钢板资源情况 八、川气东送钢板的试制与生产 九、川气东送钢管的试制与生产,钢管作为钢铁产品的重要组成部分，是压力管道中应用最普遍、用量最大的元件，它的重量占整个压力管道的近2/3，而投资则占近3/5。因此，管子选的好与坏、是否经济合理，直接影响着石油化

2、工生产装置的安全和基建投资费用。其分类方法主要有以下两种：1)按钢管的用途分类，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。,一、钢管的分类及采用标准,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，即钢管在出厂前要求逐根进行水压试验。对石油化工管道来说，它输送的介质常常是易燃、易爆、有毒、有温度、有压力的介质，故应当采用流体输送用钢管。在实际的工程设计、采购和施工中，经常发现有用结构用钢管代替流体输送用钢管的现象，这是不允许的。,2) 按因其制造工艺

3、及所用管坯形状不同，分为无缝钢管（圆坯）和焊接钢管（板，带坯）两大类。,a)无缝钢管 无缝钢管的优点在于无焊缝，往往适用于一些重要场合，如高压、高温、耐腐蚀场合。无缝钢管可供至660mm，热轧常使用至406mm。直径406mm以上均为热扩径轧制，一般热扩钢管壁厚偏差较大，表面质量也差故较少采用。无缝钢管按制造工艺不同，又分为热轧（挤压）无缝钢管和冷拔（轧）无缝钢管两种。冷拔（轧）管又分为圆形管和异形管两种。,无缝钢管的工艺流程如下： 热轧（挤压无缝钢管）：圆管坯 加热 穿孔 三辊斜轧、连轧或挤压 脱管 定径（或减径） 冷却 坯管 矫直 水压试验（或探伤） 标记 入库 冷拔（轧）无缝钢管 ： 圆

4、管坯 加热 穿孔 打头 退火 酸洗 涂油（镀铜） 多道次冷拔（冷轧） 坯管 热处理 矫直 水压试验（探伤） 标记 入库。,国内常用的标准：GB3087-1999低中压锅炉用无缝钢管 GB5310-2008高压锅炉用无缝钢管GB6479-2000高压化肥设备用无缝钢管 GB/T8163-2008流体输送用无缝钢管 GB9948-2006石油裂化用无缝钢管GB132962007锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管GB/T14976-2002流体输送用不锈钢无缝钢管GB/T9711.1-1999石油天然气工业输送钢管 交货技术条件 第一部分：A级钢管GB/T9711.2-1999石油天然气工业输送钢管 交

5、货技术条件 第一部分：B级钢管,b) 焊接钢管常用的焊接钢管根据其生产时采用的焊接工艺不同分为以下三种。(1)连续炉焊(锻焊)钢管 其特点是生产效率高，生产成本低，但焊接接头冶金结合不完全，焊缝质量差，综合机械性能差。(2)电阻焊钢管 其特点是生产效率高，自动化程度高，焊接时不需要焊条和焊药，对母材损伤小，焊后的变形和残余应力也较小。但它的生产设备较复杂，设备投资高，对焊接接头的表面质量要求也比较高。(3)电弧焊钢管 它的特点是焊接接头达到完全的冶金结合，接头的机械性能能够完全达到或接近母材的机械性能 。,根据焊缝形状的不同，电弧焊钢管又可分为直缝管和螺旋焊缝管两种。根据焊接时采取的保护方法不

6、同，电弧焊钢管又可分为埋弧焊钢管和熔化极气体保护焊钢管两种。油气输送主要使用：直缝高频电阻焊管(HFW)、直缝埋弧焊管(SAWL或称LSAW)、螺旋缝埋弧焊管(SAWH或称SSAW)等三种。1)直缝埋弧焊管（SAWL）按成形方式的不同又可分为：(1)UOE焊管； (2)JCOE焊管； (3)RBE焊管。,钢板上料,焊引弧板,铣 边,预弯边,U成型,O成型,水冲洗,干 燥,预 焊,预焊检查,内 焊,焊渣清理,内焊缝检查,外 焊,外焊缝检查,超声波检查,引弧板去除,可疑管,X光检查,修磨、补焊,工厂检查,测长、称重、喷打印,存 放,用户检查,平头,水压试验,倒 棱,管端磁粉分层探伤,人工超声波探伤

7、,判 废,判 废,管端焊缝磨平,机械扩管,修磨、补焊,扩径后检查,取 样,超声波检查,切 割,管端X光拍片,可疑管,切 割,发 货,X光确认、拍片,切割,去磁,UOE管生产流程,2)直缝高频电阻焊管(HFW) 直缝高频电阻焊管(HFW)是将热轧卷板，经过连续辊式成形机成形后，利用高频电流的集肤效应和邻近效应的基础上，利用高频电流或感生高频电流所产生的电阻热将管坯的对接边缘加热熔化，在挤压辊的作用下而熔合的工艺过程。3)螺旋缝埋弧焊管 对于螺旋缝埋弧焊管，在我国油气输送行业中运用较为广泛，国外加拿大、俄罗斯、德国等也广泛采用，甚至用于抗硫和海底管线；这类制管机组具有生产灵活性大、成本低的特点。,

8、国内常用标准：GB/T3091（低压流体输送用焊接钢管）。主要用于输送水、煤气、空气、油和取暖热水或蒸汽等一般较低压力流体和其他用途管。其代表材质Q235A级钢。GB/T14980（低压流体输送用大直径电焊钢管）。主要用于输送水、污水、煤气、空气、采暖蒸汽等低压流体和其它用途。其代表材质Q235A级钢。GB/T12771（流体输送用不锈钢焊接钢管）。主要用于输送低压腐蚀性介质。代表材质为0Cr13、0Cr19Ni9、00Cr19Ni11、00Cr17、0Cr18Ni11Nb、0017Cr17Ni14Mo2等。 GB9711（石油天然气工业 输送钢管交货技术条件）标准，其主要材质L175, L2

9、10, L245, L290, L320, L360, L390, L415, L450, L485, L550。,管件是用来改变管道方向、改变管径大小、进行管道分支、局部加强、实现特殊连接等作用的管道元件。在管系中改变走向、标高或改变管径以及由主管上引出支管等均需用管件。管件可用钢板焊制、钢管冲压、铸造或锻造等方法制作 。,二、管件的分类及采用标准,按用途分类 直管与支管连接：如法兰、活接头、管箍； 改变走向： 如弯头、弯管； 分支： 三通、四通、平头螺纹管接头； 变径：异径管（大小头）、异径短节等； 封闭管端： 法兰盖、管帽、堵头（丝堵）、封头等。注： 法兰、法兰盖属于管件，但也常单独作为

10、紧固件。 按管件分类 弯头 、异径管、三通、四通、管箍、活接头、管嘴、螺纹短节、管帽、堵头内外丝等。,管件连接形式管件的连接形式决定了管件端部的结构型式，它是管件属性描述的基本项目之一，也是管道材料料单中必须标注的内容之一。管件之间、管件和管子之间常用的连接型式有三种，即对焊连接、承插焊连接和螺纹连接。管件的连接型式相应地也有与之相适应的三种型式，但对承插焊连接有插口和承口之分，对螺纹连接有内螺纹和外螺纹之分。一般情况下，每个管件只采用一种连接型式，但有时一个管件的两端可能会同时用到两种连接型式。,管件连接形式对焊连接它是DN50的管道及其元件常用的一种连接型式。对于DN40的管子及其元件，因

11、为壁厚一般较薄，采用对焊连接时错口影响较大，容易烧穿，焊接质量不易保证，故一般不采用对焊连接。但下列几种情况例外：（1） 对DN40、壁厚大于等于Sch160的管道及其元件，因其壁厚比较厚，也常用对焊连接；（2） 有缝隙腐蚀介质(如氢氟酸介质)存在的情况下，即使DN40、壁厚小于等于Sch160道及其元件，也采用对焊连接，以避免缝隙腐蚀的发生；（3） 对润滑油管道，当采用承插焊连接时，其接头缝隙处易积存杂质而对机械设备产生不利影响，此时也应采用对焊连接。,管件连接形式承插焊连接 多用于DN40、壁厚较薄的管子和管件之间的连接 。承插焊连接接头必定是一个为插口管件，另一个则为承口管件。如异径短节

12、、螺纹短节等一般为插口管件；弯头、三通、管帽、加强管嘴、活接头、管箍等为承口管件，在应用中应考虑这些管件之间的搭配组合以及所需 的结构空间 。,管件连接形式螺纹连接 也多用于DN40的管子和管件之间的连接，它属于可拆卸连接，常用于不宜焊接或需要可拆卸的场合。螺纹连接和法兰连接相比，虽然都属于可拆卸连接，但前者的连接结构尺寸较小，后者的连接较可靠。 螺纹连接件有阳螺纹和阴螺纹之分。常用的管件中，螺纹短节为阳螺纹，而弯头、三通、管帽、活接头等多为阴螺纹，使用时应注意它们之间的搭配和组合。,螺纹连接与焊接相比，其接头强度低，密封性能差，因此在石油化工生产装置的管道上使用时，常受下列条件的限制：（1）

13、 螺纹连接的管件应采用锥管螺纹；（2） 螺纹连接不推荐用在大于200及低于-45的温度下； （3） 螺纹连接不得用在剧毒介质管道上；（4）螺纹连接不推荐用在可能发生应力腐蚀、缝隙腐蚀或由于振动、压力脉动及温度变化可能产生交变载荷的管道上；（5） 用于可燃气体管道上时，宜采用密封焊进行密封。,常用的锥管螺纹可分为： 550锥管螺纹 (多用于欧洲) 600锥管螺纹 (多用于美国) GB7306为550锥管螺纹 螺纹锥度为：1：16；牙型角：550；尺寸范围：1/16”6” 螺纹标志代号：R(圆锥外螺纹)； Rc（圆锥内螺纹） GB12716为600锥管螺纹 螺纹锥度为：1：16；牙型角：600；尺

14、寸范围：1/16”12” 标识：NPT 两种圆锥管螺纹不能互换。,常用管件标准 国家标准 （1） GB12459钢制对焊无缝管件 （2） GB/T13401钢板制对焊管件 （3） GB/T14383锻钢制承插焊管件 （4） GB/T14626锻钢制螺纹管件 （5） GB/T17185钢制法兰管件,行业标准 中石化： （1） SH3408钢质对焊无缝管件 （2） SH3409钢板制对焊管件 （3） SH3410锻钢制承插管件 化工： （1） HG/T21634锻钢制承插管件 （2） HG/T21635碳钢、低合金钢无缝对焊管件 （3） HG/T21631钢制有缝对焊管件 （4） HG/T2163

15、1锻钢制承插焊、螺纹和对焊接管台 中石油： （1） SY/T0510钢制对焊管件 （2） SY/T5257 油气输送用钢制弯管,管道附件主要由法兰、法兰盖、法兰紧固件及垫片组成。（一） 法兰及法兰盖种类管道法兰按与管子的连接方式分成以下五种基本类型：平焊、对焊、螺纹、承插焊和松套法兰。管道法兰是石油化工管道系统中最广泛使用的一种可拆连接件，常用的法兰除螺纹法兰外，其余均为焊接法兰。法兰盖又称盲法兰，设备、机泵上不需接出管道的管嘴，一般用法兰盖封住，在管道上则用在管道端部与管道上的法兰相配合作封盖用。,三、管道附件,结构型式 基本类型：平焊、对焊、承插焊、松套、螺纹法兰,密封面型式 平面（FF）

16、、突面（RF）、凹凸面（MFM）、榫槽面（TG）、环连接面（RJ）五种,法兰结构型式的选用 平焊法兰：多用于介质条件比较缓和的情况下，如低压非净化压缩空气、低压循环水，它的优点是价格比较便宜；对焊法兰：最常用的一种，它与管子为对焊连接，焊接接头质量比较好，而且法兰的颈部利用锥度过渡，可以承受较苛刻的条件；承插焊法兰：常用于PN10.0MPa，DN40的管道中；松套法兰：常用于介质温度和压力都不高而介质腐蚀性较强的情况。当介质腐蚀性较强时，法兰接触介质的部分(翻边短节)为耐腐蚀的高等级材料如不锈钢等材料，而外部则利用低等级材料如碳钢材料的法兰环夹紧它以实现密封；整体法兰：常常是将法兰与设备、管子

17、、管件、阀门等做成一体，这种型式在设备和阀门上常用。,密封面型式的选用 全平面密封面：常与平焊型式配合以适用于操作条件比较缓和的(PN1.0)工况下；常用于铸铁法兰或与铸铁连接的钢法兰；凸台面密封面：是应用最广的一种型式，它常与对焊和承插焊型式配合使用，在“美式法兰“中，常用在PN2.0、PN5.0和部分PN10.0MPa压力等级中；在“欧式法兰“中则常用在PN1.6、PN2.5MPa压力等级；凹凸面密封面：常与对焊和承插型式配合使用，在“美式法兰中不常采用，在“欧式法兰“中常用在PN4.0、PN6.4MPa等级中。但它不便于垫片的更换；,榫槽面密封面：使用情况同凹凸面法兰；环槽面密封面：常与

18、对焊连接型式配合(不与承插焊配合)使用，主要用在高温、高压或二者均较高的工况。在“美式法兰中，常用在PN10.0(部分)、PN15.0、PN25.0、PN42.0MPa压力等级中。在“欧式法兰“中常用在PNl0.0、PN16.0、PN25.0、PN32.0、PN42.0。,法兰的标准体系国标 GB9112GB9123等效采用了ISO70055-1标准，同时包括“欧式法兰”和“美式法兰”两个体系。其公称直径范围、法兰结构及密封面型式等ISO标准基本相同。公称压力有两个系列：其一是以PN0.25MPa、PN0.6MPa、PN1.0MPa、PN1.6MPa、PN2.5MPa、PN4.0MPa、PN6

19、.3MPa、PN10.0MPa、PN16.0MPa等九个压力等级组成的系列，属于“欧式法兰”，公称直径范围为DN10DN3000；其二是以PN2.0MPa、PN5.0MPa、PN15.0MPa、PN26.0MPa、PN42.0MPa等五个压力等级组成的系列，属于“美式法兰”，公称直径范围为DN10DN600。,法兰结构型式有整体、带颈螺纹、对焊、带颈平焊、带颈承插焊、对焊环带颈松套、板式平焊、对焊环板式松套、平焊环板式松套、翻边环板式松套、法兰盖共十一种。密封面型式有平面（FF）、突面（RF）、凹凸面（MF）、榫槽面（TG）、环连接面五种。,法兰的标准体系石化行业 SH3406等效采用了ANS

20、I B16.5和用API605标准，属于“美式法兰”。SH3406在结构尺寸和密封面型式上与B16.5/API605有着很好的互换性，能与ANSI、API、MSS等国际标准的管道元件配套使用。但因SH3406采用了我国材料标准而不是美国材料标准ASTM，故二者的温度压力表有少许偏差，故在二者互换时，应注意它们的温度一压力对应允许值。公称压力等级共包括PN1.0、PN2.0 (CLl50)、PN5.0(CI300)、PN6.8(CL400)、PNl0.0(CL600)、PNl5.0(CL900)、PN25.0(CL1500)、PN42.0(CL2500)八个等级，公称直径范围为DNl5DN150

21、0。,法兰型式：当DN600mm时，有对焊、平焊、承插焊、松套、螺纹等五种；当DN650mm时，仅有对焊型式一种。密封面型式：当DN600mm时，有凸台面、榫槽面、环槽面、凹凸面和全平面等五种；当DN650mm时，仅有凸台面一种。,法兰的标准体系化工行业 HG20592HG20605和HG20615HG20626参照了ISO7005-1标准的编写模式，即同时包含了“欧式法兰”和“美式法兰”两个体系。欧式法兰标准(HG20592HG20605)的公称压力等级共包括PN2.5、PN6、PN10、PN16、PN25、PN40、PN63、PN100、PN160等九个压力等级，公称直径范围为(DN10D

22、N2000)，法兰型式有板式平焊、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、衬里法兰等十种，密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等5种。它可以与我国的用JB阀门配套使用。,美式法兰标准(HG20615HG20626)基本上等效采用了ANSI标准。其中，对于DN600mm的法兰则等效采用了ANSI B16.5标准，而对DN650nm的法兰则等效采用API605标准。法兰的公称压力等级共包括Class150(PN20）、Class300（PN50）、 Class600 （PN110）、 Class900（PN150）、 Class1500 （PN260

23、）、 Class2500 （PN420）等6个压力等级，公称直径范围为(DNl5DN1500)mm （Class1500与Class2500为DN600及以下）法兰型式有带颈平焊、带颈对焊、整体法兰、承插焊、螺纹、松套等六种，密封面型式有突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等五种型式。,法兰的标准体系机械行业 JB/T74JB/T90属于欧洲标准体系，其公称压力等级共包括PN0.25MPa、PN0.6MPa、PN1.0MPa、PN1.6MPa、PN2.5MPa、PN4.0MPa、PN6.3MPa、PN10.0MPa、PN16.0MPa、PN20.0MPa等十个压力等级，公称直径范围为(DN1

24、5DN1600)。法兰型式有整体、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七种型式。密封面型式有平面、凸面、凹凸面、榫槽面、环连接面等五种型式。,（二）紧固件材料 选择法兰连接用紧固件材料时，应同时考虑管道操作压力、操作温度、介质种类和垫片类型等因素。螺栓螺母根据结构型式不同，螺栓分为六角头螺栓和双头螺栓(螺柱)两类，而双头螺栓又分为通丝和非通丝两种。六角头螺栓：常与平焊法兰和非金属垫片配合用于操作较缓和的工况下。双头螺栓：常与对焊法兰配合使用在操作条件比较苛刻的工况下，其中，通丝型双头螺栓没有截面形状的变化，故承载能力强。非通丝型双头螺栓则相对承载能力较弱。螺母

25、：材料常根据与其配合的螺栓材料确定。一般情况下，螺母材料应稍低于螺栓材料，并保证螺母硬度比螺栓硬度低HB30左右。,垫片垫片是借助于螺栓的预紧载荷通过法兰进行压紧，使其发生弹塑性变形，填充法兰密封面与垫片间的微观几何间隙，增加介质的流动阻力，从而达到阻止或减少介质的泄漏的目的。垫片性能的好坏以及选用的合适与否对密封副的密封效果影响很大。常用的垫片可以分为三大类，即非金属垫片、半金属垫片和金属垫片。,非金属垫片：石棉橡胶垫片，它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成。在美国，很多标准中都将石棉制品列为致癌物质而禁用。但在世界范围内，石棉仍以其弹性好、强度高、耐油性好、耐高温、易获得等优点而得到广

26、泛应用。适用范围：T260，PN2.0MPa（SH 3401）T400，PN4.0MPa（国标）用于水、空气、氮气、酸、碱、油品等介质工况下。聚四氟乙烯(PTFE)包覆垫片：适用范围：T180200，PN4.0MPa常用于低温或者要求干净的场合下,半金属垫片：半金属垫片有缠绕式垫片、金属包覆垫片和柔性石墨复合垫片三大类。缠绕式垫片：是半金属垫片中最理想、也是应用最普遍的垫片。特点：压缩回弹性好、强度高，有利于适应压力和温度的变化，能在高温、低温、冲击、振动及交变载荷下保持良好的密封性能。缠绕钢带：20、1Cr13、0Cr19Ni9、0Cr18Ni10Ti、 0Cr17Ni12Mo2等材料非金属

27、缠绕带：特制石棉、柔性石墨带和聚四氟乙烯带适用范围：PN2.010.0MPa,金属包覆垫片：密封性能不如缠绕式垫片，故压力管道中用的不多，它常用在换热器封头等大直径的法兰连接密封副上。柔性石墨复合垫片： 由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成。适用于突面、凹凸面和榫槽面法兰,金属垫片：金属垫片常用在高压力等级法兰上，以承受比较高的密封比压。常用的金属垫片有平垫、八角形垫和椭圆型垫三种。金属平垫片：常与凸台面、凹凸面、榫槽面法兰使用。八角形金属垫片和椭园形金属垫片：常与环槽面法兰使用。与椭圆形金属垫片相比八角形金属垫片容易加工，故其应用比较多。金属垫片的材料应配合法兰材料选用，且要求垫片硬度

28、比法兰密封面硬度低(不少于HB30)。,金属材料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:1） 强度极限b2） 屈服极限s3） 延伸率4） 断面收缩率5） 冲击功Ak6） 硬度,四、金属材料的机械性能,工程上常用和需要引起注意的几项指标：a）强度 油气管道发展的趋势是采用大管径、高压输送。从经济性和安全性考虑，一般均选择提高钢管的强度，而不是单纯增加钢管的壁厚。强度的指标主要有强度极限（抗拉强度）b、屈服极限（屈服强度）s等。需要注意的是强度并非愈高愈好，强度高、壁厚薄，此时厚度直径比减小，刚度则降低。,b) 屈强比管材的屈强比(屈服强度与抗拉强度

29、之比)表示钢材的塑性变形能力，即材料从屈服到最后断裂的塑性变形过程中吸收变形的能力。过去许多规范规定屈强比限定在0.85以下，这对低强度钢种并不困难，而当今微合金化和控轧过程明显提高了钢材的屈服强度，但对抗拉强度的影响则较小。因此近年来提出了按强度级别来规定屈强比的限定值，对X65以上钢管屈强比的限定值一般都提高到0.900.93。,c) 包辛格效应与形变硬化板材在制管成形过程中将会产生形变硬化，可用其形变硬化指数来量度，表示了该管材抵抗继续塑性变形的能力。对于X65及其以下钢级的应力-应变曲线有较大的屈服伸长，而其大直径钢管成形应变量一般为23，故这类钢材在成形过程中不出现明显的形变硬化现象

30、。板材在制管成形过程中和随后压平拉伸试样的制作和拉伸试验过程中，经受了拉、压反复应变。其板材经预先加载产生少量塑性变形，而后再同向加载，屈服强度升高；反向加载，屈服强度降低的现象称之为包辛格效应。一般管线钢因包辛格效应而使屈服强度的损失可达15左右。,对于钢板在制管和检测过程中会经多次冷变形，从而发生形变硬化和包辛格效应。同样对于热轧带钢卷制管，其带钢要经过出厂卷捆，有的还要因测试而松捆、再卷捆分包后发运，在其后制管中的诸工序，如松卷、展平、成形、试压以及压平再行拉伸测试等，均是形变硬化和包辛格效应交替进行的过程。相应会导致钢管屈服强度降低或升高。 d) 延伸率延伸率或称伸长率是金属试件在拉伸

31、试验中断裂时，试件标距长度上的伸仲长量对原标距长度的百分率。它表征金属材料塑性的高低，延伸率越高、塑性越好。一般情况下低屈服极限的管材，具有高的延伸率对制管中的拉伸变形有更好的适应能力，所制成的管子有更好的塑性。,e) 韧性韧性是金属材料在塑性变形和断裂全过程中吸收变形能的能力。韧性总是和金属材料的断裂相联系足够的韧性可以阻止或延缓管材断裂事件的进程。钢材的断裂韧性系指存在缺陷(如裂纹等)的钢材，通过缺陷扩展在破断前吸收变形能的能力。断裂韧性与钢材的化学成分(包括合金元素含量)、加工工艺(如热轧管、冷卷管、管体焊缝的焊接、管子或焊缝的热处理等)、钢材厚度及其方向性等有关。降低钢材中碳、硫、磷的

32、含量，适当添加铌、钒、钛等合金元素，采用控制轧管，控制冷却等工艺，使钢材的纯净度提高、材质均匀、晶粒细化、则可以提高钢材的断裂韧性。,为保证管线的安全可靠性，在管线的设计中要考虑防止管线在正常运行时发生断裂，同时还应考虑管材一旦发生裂纹扩展时，能在短的扩展路程范围内止裂，阻止断裂事故的发生与扩展，以尽量降低危险和减少损失。对于管线断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。为了防止管线在工作条件下断裂，可从消除管线裂纹缺陷和提高管材断裂韧性两个方面入手。对前者属于制管和施工应防止的；后者则应从选择管线用钢、提高钢材断裂韧性来防止管线断裂。因此，具体可从两个渠道着手，一是要保证管线不发生脆性断裂，即材料应具有

33、足够低的韧脆转变温度可以用钢材的落锤撕裂试验(DWTT或DWT试验)的剪切面积作为防止管道脆性破坏的主要控制指标。,一般规范要求在最低运行温度下试样断口剪切面积应大于85；二是要保证管道一旦发生裂纹时不产生长距离的扩展，即材料应具有足够高的夏比(V形缺口)冲击韧性(起裂、止裂韧性)。对于母材，当钢材的韧性值满足止裂要求时，其韧性值一般也都满足防止起裂的要求。但对于焊缝，要保证与母材等韧性的要求是较为困难的，故对焊缝的韧性要求一般按照防止起裂的韧性计算。对于母材的止裂韧性要求，APl 5L及GBT 9711.1标准列出了夏比冲击功及最小剪切面积百分率的具体要求。其中GBT 9711.2列出了不同

34、安全系数、不同钢号、不同管径夏比冲击功及落锤撕裂试验剪切面积百分率的具体要求。,钢材中常见的缺陷：钢在冶炼和轧制过程中，由于工艺不当，成型之后，钢材会产生一些缺陷，常见的缺陷有重皮、分层、低熔点夹杂物（非金属夹杂物），皮下气泡、疏松、组织和成分的偏析、裂纹与白点等，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，根据情况可对钢材进行必要检验，常用的有低倍组织检查、断口检查及超声波检查。压力管道常用的无损检测有：射线检测、超声检测、磁粉检测、涡流检测和渗透检测。,石油化工装置设备和管道的操作条件多处于高温（低温）、高压状态，使用和生产的物质多为可燃易爆。为了减少和防止火灾、

35、爆炸危险，正确选择设备和管道的材料是至关重要的。（一） 碳素钢和合金钢a) 碳素钢含碳量低于2.11%并含有少量硅、锰、硫和磷、铜、铬、镍等杂质的铁碳合金称为碳素钢。b)合金钢为提高钢的某些性能，必须向钢中加入某一种或某几种其它元素，这种钢称为合金钢。加入的元素称为合金元素。,五、管道材料的选择,（二） 高温用钢管的材料温度超过350谓之高温。高温用钢是指具有较高强度的钢材。高温操作环境，可能会给使用的金属材料带来以下三种不利的变化：高温机械型破坏高温冶金不稳定型破坏高温化学不稳定型破坏,就腐蚀的动力学来说，温度是导致金属腐蚀的一个重要因子，尤其是高温下，金属元素更加活泼，因此，金属的高温腐蚀

36、更是严重。在石油化工装置里，高温并伴有腐蚀的管道必须使用耐腐蚀材料；高温、不伴有腐蚀的管道则应使用高温、高压钢管。碳素钢的上限使用温度为450左右，碳素钢在425左右会引起石墨化现象，致使强度下降，所以必须添加合金元素以改善碳素钢的高温强度。,（三） 耐热用钢管的材料所谓耐热用材料，是指具有耐氧化性，耐气体腐蚀性、高温强度，不发生高温脆化，热冲击强度高等性能的材料。为了使钢管具有良好的耐氧化性能，必须加入适当的Cr、A1、Si等金属元素，这些元素能使钢的表面产生难以剥离的氧化薄膜。,常用金属材料的抗氧化极限温度,（四） 低温用钢管的材料一般低温系指-20-196范围内。温度再低就是深低温、超低

37、温，在石化企业中应用较少。对于钢管材料的选择，在-20-196范围内有可以做如下划分：-20-40， 不宜用碳素钢管；-40-70， 不宜用低合金钢管；-70-196， 不宜用一般合金钢管；-196以下， 不宜用低碳素普通不锈钢管。在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力减弱和“粘结力”的增加而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有一个脆性转变温度。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。,塑性材料在常温或高温下均呈塑性断裂，断裂前有较大的塑性变形及缩颈，断裂过程较慢。在低温下，塑性材料将呈现脆性断裂，它在断裂前没有明显的塑性变形及缩颈，断裂常常是突然发生

38、。 为了保证材料的使用性能，不仅要求材料在常温时具有足够的强度，韧性和加工性能以及焊接性，而且要求材料在低温时也具有抗脆化的能力。工程中解决低温脆断的方法是限制材料在脆性转变温度以上使用，或通过设计温度下的冲击试验证明材料在设计温度下的冲击功不低于某一值（对应与脆性转变温度的冲击功值）时方可应用。,（五）钢管类型选择 1 焊接钢管 连续炉焊(锻焊)钢管在管道中仅用于低压水和压缩空气系统。 电阻焊钢管由于接头处难免有杂质存在，所以接头处的塑性和冲击韧性较低，不宜用于高温情况下和重要的场合。一般规定电阻焊钢管应使用在不超过200的情况下。 电弧焊钢管在经过适当的热处理和无损检查之后，电弧焊直缝钢管

39、的使用条件可以达到无缝钢管的使用条件而取代无缝钢管。螺旋缝焊接钢管与直缝钢管相比，其焊缝线度长，相对焊接缺陷大，但焊缝的受力为二维拉应力,其焊缝受力状况优于直缝钢管。一般情况下，螺旋缝焊接钢管适于设计温度为0200、设计压力不超过1.0MPa的无毒介质管道；直缝焊接钢管不宜用于设计压力大于5.0MPa的工况，当其焊缝系数小于1.0时，不宜用于极度或高度危害介质的输送。,2 无缝钢管（1） 碳素钢无缝钢管石油化工生产装置中/常用的碳素钢无缝钢管标准有GB/T8163、GB9948、GB6479、GB3087、GB5310五种标准。GB/T8163流体输送用无缝钢管标准是应用最多的一个钢管制造标准

40、，其制造方法有热轧、冷拔、热扩三种方式，规格范围为DN6DN600，壁厚包括从0.25 mm75.0mm共66种规格，材料牌号有10、20、Q295、Q345共4种，适用于一般流体的输送。,GB9948石油裂化用无缝钢管是一个包括碳素钢、合金钢、耐热钢、不锈钢等多种材质的钢管制造标准，制造方法有热轧、冷拔两种方式。其规格范围为DN6DB250，壁厚包括从1.0mm20.0mm共16个规格，它包含的碳素钢材料牌号有10、20共2种。一般情况下，它常用于不宜采用GB/T8163钢管的场合。GB6479高压化肥设备用无缝钢管也是一个包括碳素钢、合金钢、不锈钢等多种材质的钢管制造标准，制造方法有热轧、

41、冷拔两种方式。其规格范围为DN10D400，壁厚40.0mm等多种规格，包含的碳素钢材料牌号有10、20、16Mn共3种。一般情况下，它适用于设计温度为-40400，设计压力为10.0MPa32.0MPa的油品、油气介质。,GB3087低中压锅炉用无缝钢管标准的钢管制造方法有热轧、冷拔两种方式，规格范围为DN6DN600，壁厚包括从1.5mm65.0mm等多种规格，材料牌号有10、20共两种，适用于低中压锅炉的过热蒸汽、沸水等介质。GB5310高压锅炉用无缝钢管是一个包括碳素钢、合金钢、不锈钢等多种材质的钢管制造标准，制造方法有热轧、冷拔两种方式。其规格范围为DN15DN500，壁厚包括从2.

42、0mm70.0mm等多种规格，包含的碳素钢材料牌号只有20G、20MnG、25 MnG三种。适用于高压蒸汽锅炉、管道等用。,从检查试验角度来讲，一般流体输送用钢管必须进行化学成分分析、拉力试验、压扁试验和水压试验。GB5310、GB6479、GB9948三种标准的钢管，除了流体输送用钢管必须进行的试验外，还要求进行扩口试验和冲击试验。其中，GB6479标准还对材料的低温冲击韧性做出了特殊要求。应当说这几种钢管的制造、检验要求是比较严格的。对于GB3087标准的钢管，除了流体输送用钢管的一般试验要求外，还要求进行冷弯试验。对于GB/T8163标准的钢管，除了流体输送用钢管的一般试验要求外，可根据

43、协议要求进行扩口试验和冷弯试验。这两种管子的制造、检验要求不如前三种严格。,从制造质量角度来讲，GB/T8163和GB3087标准的钢管多采用平炉或转炉冶炼，其杂质成分和内部缺陷相对较多。CB9948标准的钢管多采用电炉冶炼。在一些无缝钢管生产大厂，GB9948标准中虽然没有要求必须进行炉外精炼，但为了保证它在苛刻条件下的使用质量，均超标准加入了炉外精炼工艺，因此其杂质成分和内部缺陷相对较少。GB6479和GB5310标准本身就规定了应进行炉外精炼的要求，故其杂质成分和内部缺陷最少，材料质量最高。上述几个钢管标准的制造质量等级从低到高的顺序依次应是GB/T8163GB3087GB9948GB5

44、310GB6479。,从使用角度来讲，一般情况下，GB/T8163标准的钢管适用于设计温度小于350、压力低于4.0MPa的油品、油气和压力低于10.0MPa公用介质条件下。对于油品、油气介质，当其设计温度超过350或设计压力大于4.0MPa用时，宜选用GB9948或GB6479标准的钢管。对于存在氢脆或氢腐蚀的管道，或者在有应力腐蚀倾向环境中工作的管道，也宜使用GB9948或GB6479标准。这是因为，氢脆或氢腐蚀环境存在时，会因它的内部缺陷对介质有破坏敏感作用而导致管子使用寿命下降，甚至过早的产生破坏。凡是低温下(小于-20)使用的碳素钢钢管应采用GB6479标准，这是因为只有它规定了能满

45、足对材料低温冲击韧性的要求。,GB3087和CB5310标准是专门为锅炉用钢管而设置的标准。锅炉安全监察规程强调指出，凡与锅炉相连的管子都属监察范围，其材料与标准的应用都应符合锅炉安全监察规程的要求，故锅炉、电站、供暖以及石化生产装置中用到的公用蒸汽管道(由系统供给)等都应采用GB3087或GB5310标准。值得注意的是，质量好的钢管标准，钢管的价格也比较高，如GB9948比GB/T8163同材料的价格高近1/5，因此，在选用钢管材料标准时，应依据使用条件综合考虑，既要可靠又要经济。,（2） 铬钼钢和铬钼钒钢无缝钢管 石油化工生产装置中，常用的铬钼钢和铬铝钒钢无缝钢管标准有GB9948、GB6

46、479、GB5310共三个标准。 GB9948标准包含的铬钼钢材料牌号有l2CrMo、l5CrMo、1Cr2Mo、1Cr5Mo共4种。 GB6479标准包含的铬钼钢材料牌号有l2CrMo、l5CrMo、1CrMoaw共3种。 GB5310标准包含的铬铂钢和铬铂钒钢材料牌号有l5MoG、20MoG、l2CrMoG、l5CrMoG、l2Cr2MoG、12CrMoVG共6种。 值得注意的是，同是l5CrMo材料。按GB5310标准生产的钢管和按GB9948生产的钢管相比，它们的许用应力值相差近1/3(前者较高)。,（3） 不锈钢无缝钢管 石油化工生产装置中，常用的不锈钢无缝钢管标准有GB/T1497

47、6、GBl3296、GB9948、GB6479、GB5310共五个标准。其中，后三个标准中仅列出了两三个不锈钢材料牌号，而且是不常用的材料牌号。因此，当工程上选用不锈钢无缝钢管标准时，基本上都选用GB/T14976和GBl3296标准。 GB/T14976流体输送用不锈钢无缝钢管标准是一个通用的不锈钢钢管制造标准，其制造方法有热轧、冷拨两种方式，规格范围为：DN6DN400，壁厚包括从1.0mm28.0mm共33种规格，材料牌号有0CrI8Ni9(304)、lCrl8Ni9Ti(不推荐使用)、00Cr19Nil0(304L)、0Crl7Ni12Mo2(316)、00Crl7Ni4M02(316

48、L)、0Crl8Ni10Ti(321)、0Crl8NillNb(347)、0Cr25Ni20(310)等共27种，适用于一般流体的输送。,GBl3296锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管是一个锅炉和热交换器专用的不锈钢钢管制造标准，制造方法有热轧、冷拨两种方式。其规格范围为DN6DN150，壁厚包括从1.2mm13.0mm等多种规格，包含的不锈钢材料牌号有0Crl8Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Crl7Nil2Mo2(316)、00Crl7Nil4M02(316L)、0Crl8Ni9Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)、1Crl8Ni9Ti不推荐使用)、0Cr2

49、5Ni20(310)等31种。,上述不锈钢材料牌号中，超低碳不锈钢(00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2)具有优良的抗腐蚀性能，在一定条件下，可代替稳定型不锈钢(0Crl8Ni10Ti、0Crl8NillNb)用于抗介质的腐蚀。但超低碳不锈钢高温机械性能较低，一般仅用于温度低于525的条件下。稳定型奥氏体不锈钢既具有较好的抗腐蚀性能，又有较高的高温机械性能，但0Crl8Ni10Ti中的Ti在焊接过程中易被氧化而失掉，从而降低了其抗腐蚀性能，而0Crl8NillNb价格较高，因此这类材料一般用在较重要的场合。0Crl8Ni9和0Crl7Nil2Mo2具有一般的抗腐蚀性能，价格便宜，因此广泛用在腐蚀环境不太恶劣尤其是没有晶间腐蚀的环境中。,