一、管道金屬材料的選用 1.壓力管道金屬材料的特點 壓力管道涉及各行各業(yè)，對它的基本要求是“安全與使用”，安全為了使用，使用必須安全，使用還涉及經(jīng)濟(jì)問題，即投資省、使用年限長，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。 （1）金屬材料在高溫下性能的變化 ①蠕變鋼材在高溫下受外力作用時，隨著時間的延長，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℃就會有蠕變。產(chǎn)生蠕變所需的應(yīng)力低于試驗溫度鋼材的屈服強(qiáng)度。因此，對于高溫下長期工作的鍋爐、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。碳鋼長期工作在425℃以上環(huán)境是地，就會發(fā)生石墨化，在大于475℃更明顯。SH3059規(guī)定碳鋼最高使用溫度為425℃，GB150則規(guī)定碳鋼最高使用溫度為450℃。 ③熱疲勞性能鋼材如果長期冷熱交替工作，那么材料內(nèi)部在溫差變化引起的熱應(yīng)力作用下，會產(chǎn)生微小裂紋而不斷擴(kuò)展，最后導(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，材料沖擊韌性會急劇降低，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 石油化工、船舶、海上石油平臺等管道介質(zhì)，很多有腐蝕性，事實證明，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造成災(zāi)難性重大事故，金屬腐蝕會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氯化物氯化物對碳素鋼的腐蝕基本上是均勻腐蝕，并伴隨氫脆發(fā)生，對不銹鋼的腐蝕是點腐蝕或晶間腐蝕。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)會和高壓氣體安全協(xié)會規(guī)定：液化石油中H2S含量應(yīng)控制在100×10-6以下，而我國液化石油氣中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，開始發(fā)生腐蝕，270～280℃時腐蝕達(dá)到最大；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 （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，對材料的要求也不同。同時應(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)安全耐用和經(jīng)濟(jì)。一臺設(shè)備、一批管道工程，在投資選材前，必要時進(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)、牌號及主要用途見表3。 二、API標(biāo)準(zhǔn)和管線鋼 早在1926年，美國石油學(xué)會（API）發(fā)布API-5L標(biāo)準(zhǔn)，最初只包括A25、A、B三種鋼級，以后又發(fā)布了數(shù)次，見表4。表4API發(fā)布的管線鋼級 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，且多為電阻焊直管（ERW鋼管）。 我國冶金行業(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6X70級鋼管的力學(xué)性能　表7X70級鋼管彎曲性能檢測結(jié)果　表8X70級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時則選用無縫鋼管。 我國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、價格較低等特點，在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用。 三、鋼管 1.低壓和中壓鍋爐用無縫鋼管（GB3087－1999） ①低壓和中壓鍋爐用無縫鋼管牌號、尺寸規(guī)格與用途，見表10。 ②鋼管的化學(xué)成分和力學(xué)性能，見表11和表12。 3.低壓液體輸送用焊接鋼管（GB/T3091－2001） （1）牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能 牌號、化學(xué)成分（熔煉分析）應(yīng)符合GB/T700中Q215A、Q215B、Q235A、Q235B和GB/T1591中Q295A、Q295B、Q345A、Q345B的規(guī)定，力學(xué)性能應(yīng)符合表17的規(guī)定。 （2）制造方法 鋼管用電阻焊或埋弧焊方法制造。 （3）工藝試驗 ①彎曲試驗公稱外徑D不大于60.3mm的電阻焊鋼管應(yīng)進(jìn)行彎曲試驗，鍍鋅管彎曲半徑為8D，非鍍鋅管彎曲半徑為6D，且彎曲角均為90°。 ②壓扁試驗公稱外徑D大于60.3mm的電阻焊鋼管應(yīng)進(jìn)行壓扁試驗。 ③液壓試驗液壓試驗壓力值見表18。 （4）焊縫余高 鋼管壁厚不大于12.5mm時，焊縫余高不大于3.0mm；鋼管壁厚大于12.5mm時，焊縫余高不大于3.5mm。 （5）鋼管長度 電阻焊（ERW）鋼管通常長度4～12m；埋弧焊（SAW）鋼管通常長度3～12m。 （6）彎曲度 公稱外徑不大于168.3mm的鋼管，應(yīng)平直或按供需雙方協(xié)議規(guī)定的彎曲度指標(biāo)；公稱外徑大于168.3mm的鋼管，彎曲度不大于鋼管全長的0.2%。 （7）管端 壁厚大于4mm的鋼管，管端可加工坡口30°+5°0°，留根1.6mm±0.8mm，管端斜度小于或等于5mm。 （8）外形尺寸和質(zhì)量 ①公稱外徑不大于168.3mm的鋼管，其公稱口徑、公稱外徑、公稱壁厚及理論質(zhì)量應(yīng)符合表19的規(guī)定。 ②公稱外徑大于168.3mm的鋼管，其公稱外徑、公稱壁厚及理論質(zhì)量應(yīng)符合表20的規(guī)定。 4.鍋爐用無縫鋼管 （1）鋼管規(guī)格 鍋爐用無縫鋼管分熱軋（擠壓、擴(kuò)管）和冷拔（軋）兩種，執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB5310－1995。 ①外徑、壁厚和理論質(zhì)量，見表21和表22。 ②外徑和壁厚的允許偏差，見表23。 ③鋼管通常長度為4～12mm。壁厚s≤15mm時，彎曲度不得大于1.5mm/m；15＜s≤30mm時，彎曲度不得大于2.0mm/m；s＞30mm時，彎曲度不得大于3.0mm/m。集箱管總彎曲度不得大于12mm。 （2）鋼管的牌號和化學(xué)成分 鋼管的牌號和化學(xué)成分見表24。 （3）鋼管的熱處理制度 鋼管的熱處理制度見表25。 ①當(dāng)熱軋15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoVG鋼管的終軋溫度符合表中規(guī)定的正火溫度時，可以熱軋代替正火。