材料的使用条件

工程上的实际应用环境条件是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。就常见的选材条件来说，要想在这里逐一给出其选材结论是不现实的，它也正是各个设计院或工程公司一直致力研究的问题。在这里将换一种方式，以材料为主体，应用金属理论、腐蚀理论以及工程理论来确定各种常用材料的使用限制条件。

工程上，压力管道选材除了要确定材料牌号外，还要确定材料标准，因为不同的材料标准，对材料质量的要求是不一样的。
1一般限制条件
    在进行工程材料选用时，首先应遵循下列一些原则。
1.1满足操作条件的要求
a．根据操作条件判断该管道是不是压力管道，属于那一类压力管道。不同类别的压力管道因其重要性不同，发生事故带来的危害程度不同，故对材料的要求也不同。一般情况下，高类别的压力管道(如一类压力管道)从材料的冶炼工艺到最终产品的检查试验都比低类别的压力管道要求高。
b.应考虑操作条件对材料的选择要求。不同的材料对同一腐蚀介质的抗腐蚀性能是不相同的。在腐蚀环境中，选用材料应避免灾难性的腐蚀形式(如应力腐蚀开裂)出现，而对均匀腐蚀，一般至少应限定在"耐腐蚀"级，即最高年腐蚀速率不超过0.5mm；
c.介质温度也是选用材料的一个重要参数。因为温度的变化会引起材料的一系列性能变化，如低温下材料的脆性，高温下材料的石墨化、蠕变等问题。很多腐蚀形态都与介质温度有密切的关系，甚至是腐蚀发生的基本条件。因此压力管道的选材应满足温度的限制条件。
1.2满足材料加工工艺和工业化生产的要求
a．理想的材料应该是容易获得的，即它应具有良好的加工工艺性、焊接性能等。
    例如，对于一些腐蚀环境，选用碳钢和不锈钢复合制成的压力管道及其元件来代替纯不锈钢材料无疑是经济适用的，但由于许多制造厂的复合工艺不过关，使用中屡次出现问题，从而给复合材料的应用带来了限制，尤其是碳钢与0Cr13的复合板材因现场焊接质量不容易保证，以致工程上不敢使用或者说不敢大量使用它。
b.工程上的材料应用是系列化、标准化的。
    它不像在实验室中，可以做到少量、理想化的材料应用。将材料标准化、系列化便于大规模生产，减少材料品种，从而可以节约设计、制造、安装、使用等各环节的投入，同时也将大大降低生产成本。
    所以工程上应首先选用标准材料，对于必须选用的新材料，应有完整的技术评定文件，并经过省级及其以上管理部门组织技术鉴定，合格后才能使用。
    对于必须进口的材料，应提出详细的规格、性能、材料牌号、材料标准、应用标准等技术要求，并按国内的有关技术要求对其进行复验，合格以后才能使用。
1.3符合既适用又经济的要求
    这是一个很原则的问题，实际操作起来是很复杂的。它要求材料工程师须运用工程学、材料学、腐蚀学等方面的知识综合判断。这样的问题有时是可以定量计算的，有时则是不可以定量计算的。一般情况下，应从以下几个方面来考虑：
a.腐蚀方面
    1）对于局部腐蚀，若通过其它措施(如工艺防腐措施)能防止或控制局部腐蚀的发生，特别是突然性、灾难性的局部腐蚀发生，就可以采用价格比较低的材料。否则，必须选用高级但价格高的材料。
    2）对均匀腐蚀，在腐蚀环境比较恶劣的情况下，若选用低级但价格便宜的材料，其腐蚀速率可能会很大，短时间内就必须更换材料；而用耐腐蚀比较好、价格比较高的材料，其腐蚀速率可能会较小，从而维持一个比较长的生产周期。进行综合的技术经济评定，此时采用高级材料也许更经济些。反之，如果腐蚀环境比缓和，此时选用低级材料虽然其腐蚀速率比较大，但其价格便宜，进行经济核算后，此时采用低级材料也许更经济些。总之这一类型的材料选用是应进行经济核算。
    3）对于同一个腐蚀环境，若选用高级材料时遭受的腐蚀可能是危险性较大的局部腐蚀，而选用低级材料时遭受的腐蚀可能是具有较大腐蚀速率的均匀腐蚀。此时就应考虑选用低级材料并辅以其它防腐措施。
b.材料标准及制造方面
    压力管道的类别与材料标准和制造要求并没有一个完全一一对应的关系，这就要求材料工程师应用有关知识来综合考虑。许多材料标准和制造标准中，都有若干供用户确认的选择项。
    1） 这些选择项中，有些是一般的项目，当用户没有指定时，制造商将按自己的习惯去做。例如，钢管的供货长度、供货状态等都属于这类项目。
    2）有些项目则是附加检验项目，这些检验项目不是必需的，只有用户要求时制造商才做。也就是说，用户可以根据使用条件不同，追加若干检验项目以便更好的控制材料的内在质量。但提出了这些特殊要求就意味着产品价格的上升，有些检验项目如射线探伤的费用是很高的。如何追加这些附加检验项目，应结合使用条件和产品的价格综合考虑，有时要把握好这个尺度是很难的。
c.新材料、新工艺应用方面
    积极采用新材料，支持新材料、新工艺的开发和应用，可以有效地降低建设投资，又能满足生产工艺对材料的要求。
例如：用渗铝碳钢代替不锈钢用于抗硫和有机酸的腐蚀；用碳钢与不锈钢的复合材料代替纯不锈钢材料；用焊接质量有保证的有缝钢管代替无缝钢管；等等。
2常用材料的应用限制
2.1铸铁   
常用的铸铁有可锻铸铁和球墨铸铁两种。一般限制条件：
1）使用在介质温度为-29～343℃的受压或非受压管道；
2）不得用于输送介质温度高于150℃或表压大于2.5MPa的可燃流体管道；
3)不得用于输送任何温度压力条件的有毒介质；
4)不得用于输送温度和压力循环变化或管道有振动的条件下。
实际上，可锻铸铁经常被用于不受压的阀门手轮和地下管道；球墨铸铁经常被用于工业用管道中的阀门阀体。
2.2普通碳素钢
限制条件：
a. 沸腾钢
1) 应限用在设计压力≤0.6MPa，设计温度为0～250℃的条件下；
2) 不得用于易燃或有毒流体的管道；
3) 不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中；
b. 镇静钢
1) 限用在设计温度为0～400℃范围内。
2) 当用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时，本体硬度及焊缝硬度应不大于HB200，并对本体和焊缝进行100％无损探伤；
c. 用于压力管道的沸腾钢和镇静钢
1)含碳量不得大于0.24%。
2) GB700标准给出了四种常用的普通碳素结构钢牌号，即：Q235A(F、b)，    Q235B(F、b)、Q235C、Q235D。其适用范围如下：Q235-A·F钢板：设计压力P≤0.6MPa；使用温度为0～250℃，钢板厚度≯12mm；不得用于易燃，毒性程度为中度、高度或极度危害介质的管道。Q235-A 钢板：设计压力P≤1.OMPa；使用温度为0～350℃；钢板厚度≯16mm；不得用于液化石油气、毒性程度为高度或极度危害介质的管道。Q235-B 钢板：设计压力P≤1.6MPa；使用温度为0～350℃；钢板厚度≯20mm；不能用于高度和极度危害介质的管道。Q235-C 钢板：设计压力P≤2.5 MPa；使用温度为0～400℃；钢板厚度≯40mm；
2.3优质碳素钢
优质碳素钢是压力管道中应用最广的碳钢，对应的材料标准有：GB/T699、GB/T8163、GB3087、GB5310、GB9948、GB6479等。这些标准是根据不同的使用工况而提出了不同的质量要求。它们共性的使用限制条件：
a.输送碱性或苛性碱介质时应考虑有发生碱脆的可能，锰钢(如16Mn)不得用于该环境；
b.在有应力腐蚀开裂倾向的环境中工作时，应进行焊后应力消除热处理，热处理后的焊缝硬度不得大于HB200。焊缝应进行100％无损探伤。锰钢(如16Mn)不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中；
c.在均匀腐蚀介质环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，如果核算结果证明选用碳素钢是合适的，应给出足够的腐蚀余量，并采取相应的其它防腐蚀措施；
d.碳素钢、碳锰钢和锰钒钢在425℃及以上温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的可能性，因此限制其最高工作温度不得超过425℃   (锅炉规范则规定该温度为450℃)；
e.临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。
f.含碳量大于0.24%的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件；
g.用于-20℃及以下温度时，应做低温冲击韧性试验；
h.用于高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料宜是经过炉外精炼的材料。
2.4铬钼合金钢常用的铬钼合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，其使用限制条件如下：
a.碳钼钢(C-0.5Mo)在468℃温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的倾向，因此限制其最高长期工作温度不超过468℃；
b.在均匀腐蚀环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，同时给出足够的腐蚀余量；
c.临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性；
d.在高温H2+H2S介质环境下工作时，应根据Nelson曲线和Couper曲线确定其使用条件；
e.应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用；
f．在400-550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题。
g. 铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。
2.5不锈耐热钢
压力管道中常用的不锈耐热钢材料标准主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。
其共性的使用限制条件如下：
a.含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400-550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止475℃回火脆性破坏，这个脆性表现为室温下材料的脆化。因此，在应用上述不锈钢时，应将其弯曲应力、振动和冲击载荷降到敏感载荷以下，或者不在400℃以上温度使用；
b.奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540～900℃温度区间时，应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。当有还原性较强的腐蚀介质存在时，应选用稳定型(含稳定化元素Ti和Nb)或超低碳型(C<0.0.03%)奥氏体不锈钢；
c.不锈钢在接触湿的氯化物时，有应力腐蚀开裂和点蚀的可能，应避免接触湿的氯化物，或者控制物料和环境中的氯离子浓度不超过25×10-6；
d奥氏体不锈钢使用温度超过525℃时，其含碳量应大于0.04％，否则钢的强度会显著下降。

3常用材料的使用温度              

               表3－1 常用金属材料的使用温度

材              料	使用温度℃
10、20 16Mn 09Mn2V 12CrMo 15CrMo 1Cr5Mo 低碳奥氏体不锈钢（018CrNi9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni19Ti） 超低碳奥氏体不锈钢（00Cr19Ni10） 超低碳奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2） 0Cr25Ni20	-20～425 -40-450 -70-100 ≤525 ≤550 ≤600 -196-700 -196-400 -196-450 ≤800

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