常用金屬材料的基本限制條件
工程上的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件是十分復(fù)雜的，不同的介質(zhì)、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等操作條件的組合，構(gòu)成了無數(shù)個選材條件。就常見的選材條件來說，要想在這里逐一給出其選材結(jié)論是不現(xiàn)實(shí)的，它也正是各個設(shè)計院或工程公司一直致力研究的問題。在這里將換一種方式，以材料為主體，應(yīng)用金屬理論、腐蝕理論以及工程理論來確定各種常用材料的使用限制條件。
工程上，壓力管道選材除了要確定材料牌號外，還要確定材料標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)椴煌牟牧蠘?biāo)準(zhǔn)，對材料質(zhì)量的要求是不一樣的。
1一般限制條件
在進(jìn)行工程材料選用時，首先應(yīng)遵循下列一些原則。
1.1滿足操作條件的要求
a．根據(jù)操作條件判斷該管道是不是壓力管道，屬于那一類壓力管道。
不同類別的壓力管道因其重要性不同，發(fā)生事故帶來的危害程度不同，故對材料的要求也不同。一般情況下，高類別的壓力管道(如一類壓力管道)從材料的冶煉工藝到最終產(chǎn)品的檢查試驗(yàn)都比低類別的壓力管道要求高。
b.應(yīng)考慮操作條件對材料的選擇要求。不同的材料對同一腐蝕介質(zhì)的抗腐蝕性能是不相同的。在腐蝕環(huán)境中，選用材料應(yīng)避免災(zāi)難性的腐蝕形式(如應(yīng)力腐蝕開裂)出現(xiàn)，而對均勻腐蝕，一般至少應(yīng)限定在"耐腐蝕"級，即最高年腐蝕速率不超過0.5mm；
c.介質(zhì)溫度也是選用材料的一個重要參數(shù)。因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯鸩牧系囊幌盗行阅茏兓?，如低溫下材料的脆性，高溫下材料的石墨化、蠕變等問題。很多腐蝕形態(tài)都與介質(zhì)溫度有密切的關(guān)系，甚至是腐蝕發(fā)生的基本條件。因此壓力管道的選材應(yīng)滿足溫度的限制條件。
1.2滿足材料加工工藝和工業(yè)化生產(chǎn)的要求
a．理想的材料應(yīng)該是容易獲得的，即它應(yīng)具有良好的加工工藝性、焊接性能等。
例如，對于一些腐蝕環(huán)境，選用碳鋼和不銹鋼復(fù)合制成的壓力管道及其元件來代替純不銹鋼材料無疑是經(jīng)濟(jì)適用的，但由于許多制造廠的復(fù)合工藝不過關(guān)，使用中屢次出現(xiàn)問題，從而給復(fù)合材料的應(yīng)用帶來了限制，尤其是碳鋼與0Cr13的復(fù)合板材因現(xiàn)場焊接質(zhì)量不容易保證，以致工程上不敢使用或者說不敢大量使用它。
b.工程上的材料應(yīng)用是系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的。
它不像在實(shí)驗(yàn)室中，可以做到少量、理想化的材料應(yīng)用。將材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化便于大規(guī)模生產(chǎn)，減少材料品種，從而可以節(jié)約設(shè)計、制造、安裝、使用等各環(huán)節(jié)的投入，同時也將大大降低生產(chǎn)成本。
所以工程上應(yīng)首先選用標(biāo)準(zhǔn)材料，對于必須選用的新材料，應(yīng)有完整的技術(shù)評定文件，并經(jīng)過省級及其以上管理部門組織技術(shù)鑒定，合格后才能使用。
對于必須進(jìn)口的材料，應(yīng)提出詳細(xì)的規(guī)格、性能、材料牌號、材料標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)要求，并按國內(nèi)的有關(guān)技術(shù)要求對其進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，合格以后才能使用。
1.3符合既適用又經(jīng)濟(jì)的要求
這是一個很原則的問題，實(shí)際操作起來是很復(fù)雜的。它要求材料工程師須運(yùn)用工程學(xué)、材料學(xué)、腐蝕學(xué)等方面的知識綜合判斷。這樣的問題有時是可以定量計算的，有時則是不可以定量計算的。一般情況下，應(yīng)從以下幾個方面來考慮：
a.腐蝕方面
1）對于局部腐蝕，若通過其它措施(如工藝防腐措施)能防止或控制局部腐蝕的發(fā)生，特別是突然性、災(zāi)難性的局部腐蝕發(fā)生，就可以采用價格比較低的材料。否則，必須選用高級但價格高的材料。
2）對均勻腐蝕，在腐蝕環(huán)境比較惡劣的情況下，若選用低級但價格便宜的材料，其腐蝕速率可能會很大，短時間內(nèi)就必須更換材料；而用耐腐蝕比較好、價格比較高的材料，其腐蝕速率可能會較小，從而維持一個比較長的生產(chǎn)周期。進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評定，此時采用高級材料也許更經(jīng)濟(jì)些。反之，如果腐蝕環(huán)境比緩和，此時選用低級材料雖然其腐蝕速率比較大，但其價格便宜，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算后，此時采用低級材料也許更經(jīng)濟(jì)些?？傊@一類型的材料選用是應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算。
3）對于同一個腐蝕環(huán)境，若選用高級材料時遭受的腐蝕可能是危險性較大的局部腐蝕，而選用低級材料時遭受的腐蝕可能是具有較大腐蝕速率的均勻腐蝕。此時就應(yīng)考慮選用低級材料并輔以其它防腐措施。
b.材料標(biāo)準(zhǔn)及制造方面
壓力管道的類別與材料標(biāo)準(zhǔn)和制造要求并沒有一個完全一一對應(yīng)的關(guān)系，這就要求材料工程師應(yīng)用有關(guān)知識來綜合考慮。許多材料標(biāo)準(zhǔn)和制造標(biāo)準(zhǔn)中，都有若干供用戶確認(rèn)的選擇項。
1） 這些選擇項中，有些是一般的項目，當(dāng)用戶沒有指定時，制造商將按自己的習(xí)慣去做。例如，鋼管的供貨長度、供貨狀態(tài)等都屬于這類項目。
2）有些項目則是附加檢驗(yàn)項目，這些檢驗(yàn)項目不是必需的，只有用戶要求時制造商才做。也就是說，用戶可以根據(jù)使用條件不同，追加若干檢驗(yàn)項目以便更好的控制材料的內(nèi)在質(zhì)量。但提出了這些特殊要求就意味著產(chǎn)品價格的上升，有些檢驗(yàn)項目如射線探傷的費(fèi)用是很高的。如何追加這些附加檢驗(yàn)項目，應(yīng)結(jié)合使用條件和產(chǎn)品的價格綜合考慮，有時要把握好這個尺度是很難的。
c.新材料、新工藝應(yīng)用方面
積極采用新材料，支持新材料、新工藝的開發(fā)和應(yīng)用，可以有效地降低建設(shè)投資，又能滿足生產(chǎn)工藝對材料的要求。
例如：用滲鋁碳鋼代替不銹鋼用于抗硫和有機(jī)酸的腐蝕；
用碳鋼與不銹鋼的復(fù)合材料代替純不銹鋼材料；
用焊接質(zhì)量有保證的有縫鋼管代替無縫鋼管；等等。
2常用材料的應(yīng)用限制
2.1鑄鐵
常用的鑄鐵有可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵兩種。
一般限制條件：
1）使用在介質(zhì)溫度為-29～343℃的受壓或非受壓管道；
2）不得用于輸送介質(zhì)溫度高于150℃或表壓大于2.5MPa的可燃流體管道；
3)不得用于輸送任何溫度壓力條件的有毒介質(zhì)；
4)不得用于輸送溫度和壓力循環(huán)變化或管道有振動的條件下。
實(shí)際上，可鍛鑄鐵經(jīng)常被用于不受壓的閥門手輪和地下管道；球墨鑄鐵經(jīng)常被用于工業(yè)用管道中的閥門閥體。
2.2普通碳素鋼
限制條件：
a. 沸騰鋼
1) 應(yīng)限用在設(shè)計壓力≤0.6MPa，設(shè)計溫度為0～250℃的條件下；
2) 不得用于易燃或有毒流體的管道；
3) 不得用于石油液化氣介質(zhì)和有應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中；
b. 鎮(zhèn)靜鋼
1) 限用在設(shè)計溫度為0～400℃范圍內(nèi)。
2) 當(dāng)用于有應(yīng)力腐蝕開裂敏感的環(huán)境時，本體硬度及焊縫硬度應(yīng)不大于HB200，并對本體和焊縫進(jìn)行100％無損探傷；
c. 用于壓力管道的沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼
1)含碳量不得大于0.24%。
2) GB700標(biāo)準(zhǔn)給出了四種常用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號，即：Q235A(F、b)， Q235B(F、b)、Q235C、Q235D。其適用范圍如下：
Q235-A·F鋼板：設(shè)計壓力P≤0.6MPa；使用溫度為0～250℃，鋼板厚度≯12mm；
不得用于易燃，毒性程度為中度、高度或極度危害介質(zhì)的管道。
Q235-A 鋼板：設(shè)計壓力P≤1.OMPa；使用溫度為0～350℃；鋼板厚度≯16mm；
不得用于液化石油氣、毒性程度為高度或極度危害介質(zhì)的管道。
Q235-B 鋼板：設(shè)計壓力P≤1.6MPa；使用溫度為0～350℃；鋼板厚度≯20mm；
不能用于高度和極度危害介質(zhì)的管道。
Q235-C 鋼板：設(shè)計壓力P≤2.5 MPa；使用溫度為0～400℃；鋼板厚度≯40mm；
2.3優(yōu)質(zhì)碳素鋼
優(yōu)質(zhì)碳素鋼是壓力管道中應(yīng)用最廣的碳鋼，對應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)有：
GB/T699、GB/T8163、GB3087、GB5310、GB9948、GB6479等。這些標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)不同的使用工況而提出了不同的質(zhì)量要求。它們共性的使用限制條件：
a.輸送堿性或苛性堿介質(zhì)時應(yīng)考慮有發(fā)生堿脆的可能，錳鋼(如16Mn)不得用于該環(huán)境；
b.在有應(yīng)力腐蝕開裂傾向的環(huán)境中工作時，應(yīng)進(jìn)行焊后應(yīng)力消除熱處理，熱處理后的焊縫硬度不得大于HB200。焊縫應(yīng)進(jìn)行100％無損探傷。錳鋼(如16Mn)不宜用于有應(yīng)力腐蝕開裂傾向的環(huán)境中；
c.在均勻腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作時，應(yīng)根據(jù)腐蝕速率、使用壽命等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核
算，如果核算結(jié)果證明選用碳素鋼是合適的，應(yīng)給出足夠的腐蝕余量，并
采取相應(yīng)的其它防腐蝕措施；
d.碳素鋼、碳錳鋼和錳釩鋼在425℃及以上溫度下長期工作時，其碳化物有轉(zhuǎn)化為石墨的可能性，因此限制其最高工作溫度不得超過425℃ (鍋爐規(guī)范則規(guī)定該溫度為450℃)；
e.臨氫操作時，應(yīng)考慮發(fā)生氫損傷的可能性。
f.含碳量大于0.24%的碳鋼不宜用于焊連接的管子及其元件；
g.用于-20℃及以下溫度時，應(yīng)做低溫沖擊韌性試驗(yàn)；
h.用于高壓臨氫、交變載荷情況下的碳素鋼材料宜是經(jīng)過爐外精煉的材料。
2.4鉻鉬合金鋼
常用的鉻鉬合金鋼材料標(biāo)準(zhǔn)有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，其使用限制條件如下：
a.碳鉬鋼(C-0.5Mo)在468℃溫度下長期工作時，其碳化物有轉(zhuǎn)化為石墨的傾向，因此限制其最高長期工作溫度不超過468℃；
b.在均勻腐蝕環(huán)境下工作時，應(yīng)根據(jù)腐蝕速率、使用壽命等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，同時給出足夠的腐蝕余量；
c.臨氫操作時，應(yīng)考慮發(fā)生氫損傷的可能性；
d.在高溫H2+H2S介質(zhì)環(huán)境下工作時，應(yīng)根據(jù)Nelson曲線和Couper曲線確定其使用條件；
e.應(yīng)避免在有應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境中使用；
f．在400-550℃溫度區(qū)間內(nèi)長期工作時，應(yīng)考慮防止回火脆性問題。
g. 鉻鉬合金鋼一般應(yīng)是電爐冶煉或經(jīng)過爐外精煉的材料。
2.5不銹耐熱鋼
壓力管道中常用的不銹耐熱鋼材料標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制條件如下：
a.含鉻12%以上的鐵素體和馬氏體不銹鋼在400-550℃溫度區(qū)間內(nèi)長期工作時，應(yīng)考慮防止475℃回火脆性破壞，這個脆性表現(xiàn)為室溫下材料的脆化。因此，在應(yīng)用上述不銹鋼時，應(yīng)將其彎曲應(yīng)力、振動和沖擊載荷降到敏感載荷以下，或者不在400℃以上溫度使用；
b.奧氏體不銹鋼在加熱冷卻的過程中，經(jīng)過540～900℃溫度區(qū)間時，應(yīng)考慮防止產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。當(dāng)有還原性較強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)存在時，應(yīng)選用穩(wěn)定型(含穩(wěn)定化元素Ti和Nb)或超低碳型(C<0.0.03%)奧氏體不銹鋼；
c.不銹鋼在接觸濕的氯化物時，有應(yīng)力腐蝕開裂和點(diǎn)蝕的可能，應(yīng)避免接觸濕的氯化物，或者控制物料和環(huán)境中的氯離子濃度不超過25×10-6；
d奧氏體不銹鋼使用溫度超過525℃時，其含碳量應(yīng)大于0.04％，否則鋼的強(qiáng)度會顯著下降。
3常用材料的使用溫度
表3－1 常用金屬材料的使用溫度
|
材 料 |
使用溫度℃ |
|
10、20 16Mn 09Mn2V 12CrMo 15CrMo 1Cr5Mo 低碳奧氏體不銹鋼（018CrNi9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni19Ti） 超低碳奧氏體不銹鋼（00Cr19Ni10） 超低碳奧氏體不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2） 0Cr25Ni20 |
-20～425 -40-450 -70-100 ≤525 ≤550 ≤600 -196-700 -196-400 -196-450 ≤800 |
