压力管道材料知识.pdf
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1、压力管道材料 目录 1金属材料基础知识 1.1 金属的微观结构 1.2 金属材料的基本性能 1.3 温度对金属材料的影响 1.4 常见元素对金属材料性能的影响 2常用金属材料 2.1 铸铁 2.2 碳素钢 2.3 合金钢 3压力管道常用金属材料的基本限制条件 3.1 一般限制条件 3.2 常用材料的应用限制 3.3 其它方面对材料的限制 4应用标准体系 4.1 国际上常用的标准体系 4.2 国内常用的标准体系 5管道压力等级 6管道器材选用 7表面处理、防腐、涂层 8管道施工及验收规范 1 金属材料基础知识 金属材料的基本知识仅介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对性能的 影响以及金属材
2、料的分类及牌号标识等内容。 1.1 金属的微观结构 1.1.1 碳钢与铸铁 由 95以上 Fe(0.054)C 组成的 Fe、C 合金。 1)铁的内部结构 将铁水缓冷到其凝固点 1534以下,铁水就开始结晶,直到全部结晶成固态铁 为止,温度才又继续下降。所结晶成的固体是由许多小颗粒组成,每个小颗粒具 有不规则的外形,叫晶粒。 每个晶粒内部都是由无数个原子按一定的规律排列而成。 若将各个原子的中心用 线条连接起来,组成一个空间格子,可用来说明原子排列的规律性,这种空间格 子叫“晶格”。 常见的金属晶格形式:面心立方晶格体心立方晶格 Fe 的晶格形式 15341390体心立方排列叫铁 139091
3、0面心立方排列叫铁 910以下体心立方排列叫铁 铁铁铁 这种在固态下晶体结构随温度发生改变的现象叫“同素异构转变”。 它是钢铁能 够进行多种热处理而改变其性能的重要依据。 2)碳的存在形式 固溶体:就是由两种或两种以上的化学元素,在固态下互相溶解构成的单一均 相物质。 铁素体碳溶解在体心立方晶格 Fe 原子之间形成的固溶体。是低碳钢在常温 时的主体相。 奥氏体 碳溶解在面心立方晶格 Fe 原子之间形成的固溶体。 是碳钢在高温时的 组织。 渗碳体:铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体、奥氏体中时, “剩余”的碳 与铁形成的铁碳化合物(Fe3C)的晶体组织。 石 墨:铸铁中的 C 2.06% ,奥氏体
4、最大溶碳量 2.06,剩余的 C 以石墨形 式存在。 1.1.2 铁碳合金相图(相图略) 铁碳合金相图是表示不同成分的铁碳合金在不同温度下所具有的状态或组织 的关系图。 相图的作用通过铁碳合金相图能掌握钢的组织随成分和温度变化的规律,以便 能够正确制定热处理和热加工的工艺, 是改变其组织, 获得所需要的性能的依据。 相图中有: 两个组元: 铁(Fe) 性能表现为强度和硬度较低,塑性和韧性较好 渗碳体(Fe3C) 性能表现为硬而脆 四个基本相:液相(L)、铁素体()、奥氏体()和渗碳体(Fe3C) 两个次生相:珠光体(铁素体渗碳体的两相机械混合物)具有良好的强度和 硬度又具有良好的塑性和韧性,属
5、常温稳定组织 莱氏体(奥氏体渗碳体的两相机械混合物) 在平衡状态下: C0.8 珠光体共析钢 C0.8 渗碳体珠光体 过共析钢(ES 过共析钢) GS 线:C1100mm 时(已不太常 用)则使用了“小外径系列“的尺寸。 管法兰:同时包括了“美式法兰“和“欧式法兰“两个系列。(ISO7005-1) 它代表了当前世界法兰标准的应用趋势。 公称压力等级: 第一系列:PN1.0、1.6、2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.08 个等级; 第二系列:PN0.25、0.6、2.5、4.0共 4 个等级。 第一系列为基本系列,第二系列为限制系列。 两个系列中: PN0.25、PN0.6、P
6、N1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0六个等级属“欧式法兰“, PN2.0、PN5.0、PN11.0(600Psi)、PN15.0、PN26.0(1500Psi)、PN42.0 属“美式 法兰“; 二者在结构尺寸和密封面尺寸上不能互换的。 ISO 应用标准体系中常用的标准有: ISO6708管件公称尺寸定义 ISO7268管件公称压力定义 ISO4200焊接和无缝平端钢管尺寸和单位长度 ISO1127不锈钢钢管尺寸公差和单位长度质量 ISO3183石油和天然气工业用钢管 IS06759热交换器用无缝钢管 ISO7005-1金属管法兰 ISO7483符合 ISO7005 标准的管法兰密封垫
7、片 ISO3419非合金钢和合金钢管件 ISO5251不锈钢对焊管件 ISO7121法兰型钢制球阀 ISO10497阀门试验防火试验要求 4.1.5 英国和法国应用标准体系 a.英国应用标准体系(BS) 管子:大外径系列 BS1600其直径范围和壁厚分级同 ANSI B36.10/B36.11; BS3600 基本上等同采用了 ISO 标准,其直径范围和壁厚分级同 ISO4200。 法兰标准:同时包括了“美式法兰“和“欧式法兰“两个系列。 BS1560基本上等同采用了 ANSI 标准,其结构型式和密封面型式同 ANSI B16.5; BS4504基本上等同采用了 DIN 标准,其结构型式和密封
8、面型式同 DIN2500。 BS 中常用的标准有: BS1600石油工业用钢管尺寸 BS3600承压用焊接钢管和无缝钢管的尺寸及单位长度质量 BS3605.1承压用焊接和无缝不锈钢钢管与 BS1560管法兰(美式法兰) BS4504管法兰(欧式法兰) BS1740.1锻钢制管件 BS1965对焊承压管件 BS1640石油工业用对焊管件 BS3799石油工业用螺纹及承插焊管件 b.法国应用标准体系(NF) 法国应用标准体系(NF)与英国应用标准体系类似。 4.2 国内常用的标准体系 目前,国内的压力管道及其元件的应用标准很多,又均不完整。以管法兰标准为 例,常用的标准就有国家标准(GB)、机械行
9、业标准(JB)、石化行业标准(SH)和化 工行业标准(HG)等。这些标准各有各自的温度-压力表、密封面尺寸和接管尺寸, 相互之间互换性差,有些甚至不能配套使用。为了能很好地应用这些标准,介绍 一下目前国内常用的压力管道应用标准体系。 4.2.1 石化行业应用标准体系 管子尺寸系列标准(SH3405)基本属于“大外径系列” SH3405 等效采用了 ISO4200 标准,故当 DN1100mm 时,它能与 ANSI B36.l/36.19 标准配套使用。 SH3405 直径范围和壁厚分级: 序号 钢管类别公称直径范围 壁厚分级 1奥氏体不锈钢无缝 钢管 10400Sch5s、 Sch10s、 S
10、ch20s、 Sch40s、 Sch80s 2碳素钢、合金钢无缝 钢管 10600Sch20、Sch30、Sch40、Sch60、Sch80、 Sch100、Sch120、Sch140、Sch160、XXS 3奥氏体不锈钢焊接 钢管 8010002.012mm 4碳素钢、合金钢焊接 钢管 15020004.018mm 法兰标准(SH3406):属于“美式法兰“ 公称压力: PN1.0、 PN2.0(CL150)、 PN5.0(CL300)、 PN6.8(CL400)、 PN10.0(CL600), PN15.0(CL900)、PN25.0(CL1500)、PN42.0(CL2500)8 个等级
11、 公称直径:DN15DN1500mm 法兰密封面: 当 DN600 时,凸台面、凹凸面、全平面、榫槽面、环槽面 5 种 DN650 时,凸台面1 种 法兰型式:当 DN600 时,平焊、对焊、承插焊、螺纹连接、松套5 种 DN650 时对焊1 种 SH3406 等效采用了 ANSI B16.5 和 API605 标准,。SH3406 在结构尺寸和密封 面型式上与 ANSI B16.5/API605 有着很好的互换性,它能与 ANSI、API、MSS 等 标准的管道元件配套使用。但因为 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,故在考虑二者
12、互换时,应注意并 核对它们的温度-压力对应允许值。 石化行业应用标准体系中的常用标准 SH3401管法兰用石棉橡胶板垫片 SH3402管法兰用聚四氟乙烯包覆垫片 SH3403管法兰用金属环垫片 SH3404管法兰用紧固件 SH3405石油化工企业钢管尺寸系列 SH3406石油化工钢制管法兰 SH3407管法兰用缠绕式垫片 SH3408钢制对焊无缝管件 SH3409钢板制对焊管件 SH3410锻钢制承插焊管件 石化行业应用标准体系属于一个比较完整的应用标准体系。因为它等效采用了 ANSI 标准,因此代表着先进和发展方向。又由于它的法兰(SH3406)能与 API 标准 阀门匹配使用。通过近几年的
13、应用证明,这套应用标准体系是一个科学的、先进 的、同时又是可操作性好的标准体系。 4.2.2 化工行业应用标准体系 管子尺寸系列标准(HG20553)A 系列: 属于“大外径系列“ B 系列:属于“小外径系列“ 法兰标准同时包含欧式法兰和美式法兰 欧式法兰(HG20592HG20605) 压力等级:PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、25.0 等 10 个等级 公称直径:DN10DN2000mm 法兰型式: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 10 种 密封面型式:突面、凹凸面、榫槽面、
14、环连接面、全平面等 5 种。 它可以与 JB 阀门配套使用。. 美式法兰标准(HG20615-HG20626) 公称压力:PN2.0、PN5.0、PN11.0、PN15.0、PN26.0 和 PN42.06 个压力等级 公称直径:DN151500 法兰型式:带颈平焊、带颈对焊、整体法兰、承插焊、螺纹、松套等 6 种, 密封面型式 突面、凹凸面、榫槽面、环连接面、全平面等 5 种型式。 化工行业压力管道应用标准体系也是一个相对比较完整的标准体系, 而且经历 了若干年的生产实践检验,具有成熟的使用经验。由于它同时具有“大外径系列“ 和“小外径系列“、 “欧式法兰“和“美式法兰“两个系列,故其使用面
15、比较广,它既可 以与国外的 ANSI、DIN、ISO 等标准配合使用,又可以与国内的 GB、SH、JB 等标 准配合使用。 化工行业应用标准体系中的常用标准 HG20537.1奥氏体不锈钢焊接钢管选用规定 HG20553化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 HG/T21634锻钢制承插焊管件 HG/T21635碳钢、低合金钢元缝对焊管件 HG/T21631钢制有缝对焊管件 HG/T21632锻钢制承插焊、螺纹和对焊接管台 HG/T21637化工管道过滤器 HG/T21577快速特种接头 HG2059220605钢制管法兰(欧洲体系) HG2061520626钢制管法兰(美洲体系) HG2060
16、620612钢制管法兰用垫片(欧洲体系) HG2062720633钢制管法兰用垫片(美洲体系) HG20613钢制管法兰紧固件(欧洲体系) HG20634钢制管法兰紧固件(美洲体系) 4.2.3 机械行业应用标准体系 管子尺寸属于“小外径系列“ 法兰标准欧式法兰 压力等级:PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0、20.0 等 10 个压力等级 公称直径:DN15DN1600mm 法兰型式: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 7 种 密封面型式:平面、凸面、凹凸面、榫槽面、环连接面5 种。 JB 没有相应的管
17、子尺寸系列标准、管件标准,体系很不完善,需要 GB 体系作 支持; JB 法兰标准把不同等级的材料列入同一温度压力表中,以至失去了其科学性; JB 阀门标准以有限的型号给出选用系列(从各产品汇编中体现出来),既限制了 其使用范围,又失去了其灵活性。从许多生产装置的应用情况来看,JB 阀门的使 用性能也不尽人意;JB 阀门不能与 ANSI 配伍使用,不便于与世界接轨; 机械行业应用标准体系中的常用标准有: JB/T74管路法兰技术条件 JB/T75管路法兰类型 JB/T79.179.4整体铸钢管法兰 JB/T81板式平焊钢制管法兰 JB/T82.182.4对焊钢制管法兰 JB/T830.25、0
18、.6、1.0、1.6、2.5MPa 平焊环式松套钢制管法兰 JB/T844.0、6.3、10.0MPa 凹凸面对焊环板式松套钢制管法兰 JB/T850.25、0.6MPa 翻边式松套钢制管法兰 JB/T86.186.2钢制管法兰盖, JB/47004703压力容器用法兰 JB/T8790管路法兰用垫片 JB47044706压力容器用垫片 4.2.4 国家应用标准体系 管子尺寸系列标准 GB17395 属于“大外径系列“ .法兰标准:(GB/T 9112-2000) 包括欧式法兰和美式法兰 接管分为系列 I、系列 II 系列 I 为“大外径系列” ,以期能与 SH 标准等匹配; 系列 II 为“
19、小外径系列” ,以期能与 JB 标准等匹配。 欧式法兰:分为系列 I、系列 II, 公称压力PN 0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、10.0、16.0MPa9 个 等级 公称通径DN102000mm 法兰型式:整体、带颈螺纹、对焊、带颈平焊、板式平焊、平焊环板式松套、 对 焊环板式松套、翻边环板式松套和法兰盖等 9 种 密封面型式:平面、突面、凹凸面、榫槽面4 种。 美洲法兰:系列 I(大外径) 公称压力PN 2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.0MPa6 个等级 公称通径DN10600mm 法兰型式:整体、带颈螺纹、对焊、带颈平焊、带颈承插焊、对焊环带
20、颈松套和 法兰盖等 7 种 密封面型式:平面、突面、凹凸面、榫槽面、环连接面5 种。 它基本上能含盖JB标准和HG标准的“欧洲体系“标准,为取代这两个标准创造 了条件; “欧式法兰“和“美式法兰“,其温度-压力等级值的确定是将中国材料与欧洲材 料和美洲材料进行性能对比后,选用 ISO7005-1 中规定的相应材料的压力温度 参数。 压力管道国家标准体系也是一个比较完整的标准体系。它的管件标准分为 A、 B 两个系列,其中 A 系列为“大外径系列”,以期能与 SH 标准等匹配;B 系列为 “小外径系列”,以期能与 JB 标准等匹配。 中国国家应用标准体系常用标准 GB12459钢制对焊无缝管件
21、GB/T13401钢板制对焊管件 GB/T14626锻钢制螺纹管件 GB/T14382管道用三通过滤器 GB/T14383锻钢制承插焊管件 GB/T91129124钢制管法兰 GB4622.13管法兰用缠绕式垫片 GB9126.14管法兰用石棉橡胶垫片 GB9128.12管法兰用金属环垫片 GB/T13404管法兰用聚四氯乙烯包覆垫片 GB/T15601管法兰用金属包覆垫片 GB30六角螺栓 GB52六角螺母 GB56六角厚螺母 GB901等长双头螺柱 B 级 GB6170I 型六角螺母 A 和 B 级 GB6171I 型六角螺母细牙 A 和 B 级 GB6175II 型六角螺母 A 和 B
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