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管道金屬材料的使用環(huán)境及選用原則

管道金屬材料的使用環(huán)境及選用原則
     管道在我們社會(huì)主義建設(shè)的生活和工作中，用途廣泛，無處不在，壓力管道是其中重要的一個(gè)分支部分。做為壓力管道目前使用*多的兩種材質(zhì)是金屬材質(zhì)和塑料材質(zhì)，那么管道材料的選擇要考慮哪些因素呢？首先，和其它任何材料的選擇一樣，要滿足產(chǎn)品的使用條件，**、可靠、使用方便，設(shè)計(jì)使用壽命，是否在高溫高壓的環(huán)境中使用，是否在有腐蝕的環(huán)境中使用，是什么介質(zhì)，對(duì)摩擦系數(shù)有否要求，是否介質(zhì)易燃易爆等，然后是經(jīng)濟(jì)成本問題。在高溫高壓的環(huán)境中，一般使用金屬材料的管道，而在常溫常壓和有腐蝕氣體液體的環(huán)境中，則一般使用塑膠材質(zhì)的管理，如PVC,PS等。
一、管道金屬材料的選用
    1. 壓力管道金屬材料的特點(diǎn)
   壓力管道涉及各行各業(yè)，對(duì)它的基本要**在**狀況下正常使用”，**問題是一個(gè)*基本的問題，其它要求都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)之上，使用還涉及經(jīng)濟(jì)問題，即投資省、使用年限長(zhǎng)，這當(dāng)然與很多因素有關(guān)。而材料是工程的基礎(chǔ)，首先要認(rèn)識(shí)壓力管道金屬材料的特殊要求。壓力管道除承受載荷外，由于處在不同的環(huán)境、溫度和介質(zhì)下工作，還承受著特殊的考驗(yàn)。
    （1）金屬材料在高溫下性能的變化
以下是幾個(gè)金屬材料在高溫下性能變化相關(guān)的幾個(gè)名詞解釋
    ① 蠕變鋼材在高溫下受外力作用時(shí)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，緩慢而連續(xù)產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象，稱為蠕變。鋼材蠕變特征與溫度和應(yīng)力有很大關(guān)系。溫度升高或應(yīng)力增大，蠕變速度加快。例如，碳素鋼工作溫度超過300～350℃，合金鋼工作溫度超過300～400℃就會(huì)有蠕變。產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力低于試驗(yàn)溫度鋼材的屈服強(qiáng)度。因此，對(duì)于高溫下長(zhǎng)期工作的鍋爐、蒸汽管道、壓力容器所用鋼材應(yīng)具有良好的抗蠕變性能，以防止因蠕變而產(chǎn)生大量變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破裂及造成爆炸等惡性事故。
    ② 球化和石墨化在高溫作用下，碳鋼中的滲碳體由于獲得能量將發(fā)生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體并夾雜于鐵素體中，其滲碳體會(huì)從片狀逐漸轉(zhuǎn)變成球狀，稱為球化。由于石墨強(qiáng)度極低，并以片狀出現(xiàn)，使材料強(qiáng)度大大降低，脆性增加，稱為材料的石墨化。碳鋼長(zhǎng)期工作在425℃以上環(huán)境是地，就會(huì)發(fā)生石墨化，在大于475℃更明顯。SH3059規(guī)定碳鋼*高使用溫度為425℃，GB150則規(guī)定碳鋼*高使用溫度為450℃。
    ③ 熱疲勞性能鋼材如果長(zhǎng)期冷熱交替工作，那么材料內(nèi)部在溫差變化引起的熱應(yīng)力作用下，會(huì)產(chǎn)生微小裂紋而不斷擴(kuò)展，*后導(dǎo)致破裂。因此，在溫度起伏變化工作條件下的結(jié)構(gòu)、管道應(yīng)考慮鋼材的熱疲勞性能。
    ④ 材料的高溫氧化金屬材料在高溫氧化性介質(zhì)環(huán)境中（如煙道）會(huì)被氧化而產(chǎn)生氧化皮，容易脆落。碳鋼處于570℃的高溫氣體中易產(chǎn)生氧化皮而使金屬減薄。故燃?xì)?、煙道等鋼管?yīng)限制在560℃下工作。
    （2）金屬材料在低溫下的性能變化
   當(dāng)環(huán)境溫度低于該材料的臨界溫度時(shí)，材料沖擊韌性會(huì)急劇降低，這一臨界溫度稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。常用低溫沖擊韌性（沖擊功）來衡量材料的低溫韌性，在低溫下工作的管道，必須注意其低溫沖擊韌性。
    （3）管道在腐蝕環(huán)境下的性能變化情況
   石油化工、船舶、海上石油平臺(tái)等管道介質(zhì)，很多有腐蝕性，事實(shí)證明，金屬腐蝕的危害性十分普遍，而且也十分嚴(yán)重，腐蝕會(huì)造成直接或間接損失。例如，金屬的應(yīng)力腐蝕、疲勞腐蝕和晶間腐蝕往往會(huì)造成災(zāi)難性重大事故，金屬腐蝕會(huì)造成大量的金屬消耗，浪費(fèi)大量資源。引起腐蝕的介質(zhì)主要有以下幾種。
    ① 氯化物氯化物對(duì)碳素鋼的腐蝕基本上是均勻腐蝕，并伴隨氫脆發(fā)生，對(duì)不銹鋼的腐蝕是點(diǎn)腐蝕或晶間腐蝕。防止措施可選擇適宜的材料，如采用碳鋼-不銹鋼復(fù)合管材。
    ② 硫化物原油中硫化物多達(dá)250多種，對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕的有硫化氫（H2S）、硫醇（R-SH）、硫醚（R-S-R）等。我國(guó)液化石油氣中H2S含量高，造成容器出現(xiàn)裂縫，有的投產(chǎn)87天即發(fā)生貫穿裂紋，事后經(jīng)磁粉探傷，內(nèi)表面環(huán)縫共有417條裂紋，球體外表面無裂紋，所以H2S含量高引起應(yīng)力腐蝕應(yīng)值得重視。日本焊接學(xué)會(huì)和高壓氣體**協(xié)會(huì)規(guī)定：液化石油中H2S含量應(yīng)控制在100×10-6以下，而我國(guó)液化石油氣中H2S含量平均為2392×10-6，高出日本20多倍。
    ③ 環(huán)烷酸環(huán)烷酸是原油中帶來的有機(jī)物，當(dāng)溫度超過220℃時(shí)，開始發(fā)生腐蝕，270～280℃時(shí)腐蝕達(dá)到*大；當(dāng)溫度超過400℃，原油中的環(huán)烷酸已汽化完畢。316L（00Cr17Ni14Mo2）不銹鋼材料是抗環(huán)烷酸腐蝕的有效材料，常用于高溫環(huán)烷酸腐蝕環(huán)境。
    2. 壓力管道金屬材料的選用原則
    （1）金屬材料選用原則
    ① 滿足操作條件的要求首先應(yīng)根據(jù)使用條件判斷該管道是否承受壓力，屬于哪一類壓力管道。不同類別的壓力管道因其重要性各異，發(fā)生事故帶來的危害程度不同，對(duì)材料的要求也不同。同時(shí)應(yīng)考慮管道的使用環(huán)境和輸送的介質(zhì)以及介質(zhì)對(duì)管體的腐蝕程度。例如插入海底的鋼管樁，管體在浪濺區(qū)腐蝕速度為海底土中的6倍；潮差區(qū)腐蝕速度為海底土中的4倍。在選材及防腐蝕措施上應(yīng)特別關(guān)注。
    ② 可加工性要求材料應(yīng)具有良好的加工性和焊接性。
    ③ 耐用又經(jīng)濟(jì)的要求壓力管道，首先應(yīng)**耐用和經(jīng)濟(jì)。一臺(tái)設(shè)備、一批管道工程，在投資選材前，必要時(shí)進(jìn)行可行性研究，即經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，擬選用的材料可制定數(shù)個(gè)方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，有些材料初始投資略高，但是使用可靠，平時(shí)維修費(fèi)用省；有的材料初始投資似乎省，但在運(yùn)行中可靠性差，平時(shí)維修費(fèi)用高，全壽命周期費(fèi)用高。
    （2）常用材料的應(yīng)用限制
    常用材料限制條件見表1，常用材料使用溫度范圍見表2。
    （3）管道常用金屬材料名稱及規(guī)格
    常用鋼管名稱、標(biāo)準(zhǔn)、牌號(hào)及主要用途見表3。
    二、API標(biāo)準(zhǔn)和管線鋼
   早在1926年，美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）發(fā)布API-5L標(biāo)準(zhǔn)，*初只包括A25、A、B三種鋼級(jí)，以后又發(fā)布了數(shù)次，見表4。表4API發(fā)布的管線鋼級(jí)
    注：1972年API發(fā)布U80、U100標(biāo)準(zhǔn)，以后改為X80、X100。
   2000年以前，全世界使用X70，大約在40%，X65、X60均在30%，小口徑成品油管線相當(dāng)數(shù)量選用X52鋼級(jí)，且多為電阻焊直管（ERW鋼管）。
   我國(guó)冶金行業(yè)在十余年來為發(fā)展管線鋼付出了極大的辛勞，目前正在全力攻關(guān)X70寬板，上海寶山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司等X70、X80化學(xué)成分、力學(xué)性能分別列于表5～表9。表5武鋼X80卷板性能　　表6 X70級(jí)鋼管的力學(xué)性能　　表7 X70級(jí)鋼管彎曲性能檢測(cè)結(jié)果　　表8 X70級(jí)鋼管的夏比沖擊韌性　　表9高強(qiáng)度輸送管的夏比沖擊韌性
   我國(guó)目前在輸油管線上常用的管型有螺旋埋弧焊管（SSAW）、直縫埋弧焊管（LSAW）、電阻焊管（ERW）。直徑小于152mm時(shí)則選用無縫鋼管。
   我國(guó)20世紀(jì)60年代末至70年代，螺旋焊管廠迅速發(fā)展，原油管線幾乎全部采用螺旋焊鋼管，“西氣東輸”管線的一類地區(qū)也選用螺旋焊鋼管。螺旋焊鋼管的缺點(diǎn)是內(nèi)應(yīng)力大、尺寸精度差，產(chǎn)生缺陷的概率高。據(jù)專家分析認(rèn)為，應(yīng)采用“兩條腿走路”的方針，一是對(duì)現(xiàn)在螺旋焊管廠積極進(jìn)行技術(shù)改造，還中大有前途的；二是大力發(fā)展我國(guó)直縫埋弧焊管制管業(yè)。
    ERW鋼管具有外表光潔、尺寸精度高、價(jià)格較低等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用。

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