金屬材料
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，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，使用還涉及經濟問題，即投資省、使用年限長，這當然與很多因素有關。而材料是工程的基礎，首先要認識壓力管道金屬材料的特殊要求。壓力管道除承受載荷外，由於處在不同的環境、溫度和介質下工作，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，緩慢而連續產生塑性變形的現象，稱為蠕變。鋼材蠕變特徵與溫度和應力有很大關係。溫度升高或應力增大，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。產生蠕變所需的應力低於試驗溫度鋼材的屈服強度。因此，對於高溫下長期工作的鍋爐、蒸汽管道、壓力容器所用鋼材應具有良好的抗蠕變性能，以防止因蠕變而產生大量變形導致結構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，碳鋼中的滲碳體由於獲得能量將發生遷移和聚集，形成晶粒粗大的滲碳體並夾雜於鐵素體中，其滲碳體會從片狀逐漸轉變成球狀，稱為球化。由於石墨強度極低，並以片狀出現，使材料強度大大降低，脆性增加，稱為材料的石墨化。碳鋼長期工作在425℃以上環境是地，就會發生石墨化，在大於475℃更明顯。SH3059規定碳鋼最高使用溫度為425℃，GB150則規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，那么材料內部在溫差變化引起的熱應力作用下，會產生微小裂紋而不斷擴展，最後導致破裂。因此，在溫度起伏變化工作條件下的結構、管道應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環境中（如煙道）會被氧化而產生氧化皮，容易脆落。碳鋼處於570℃的高溫氣體中易產生氧化皮而使金屬減薄。故燃氣、煙道等鋼管應限制在560℃下工作。
（2）金屬材料在低溫下的性能變化
當環境溫度低於該材料的臨界溫度時，材料衝擊韌性會急劇降低，這一臨界溫度稱為材料的脆性轉變溫度。常用低溫衝擊韌性（衝擊功）來衡量材料的低溫韌性，在低溫下工作的管道，必須注意其低溫衝擊韌性。
（3）管道在腐蝕環境下的性能變化
石油化工、船舶、海上石油平台等管道介質，很多有腐蝕性，事實證明，金屬腐蝕的危害性十分普遍，而且也十分嚴重，腐蝕會造成直接或間接損失。例如，金屬的應力腐蝕、疲勞腐蝕和晶間腐蝕往往會造成災難性重大事故，金屬腐蝕會造成大量的金屬消耗，浪費大量資源。引起腐蝕的介質主要有以下幾種。
① 氯化物 氯化物對碳素鋼的腐蝕基本上是均勻腐蝕，並伴隨氫脆發生，對不鏽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，如採用碳鋼-不鏽鋼複合管材。
② 硫化物 原油中硫化物多達250多種，對金屬產生腐蝕的有硫化氫（H2S）、硫醇（R-SH）、硫醚（R-S-R）等。我國液化石油氣中H2S含量高，造成容器出現裂縫，有的投產87天即發生貫穿裂紋，事後經磁粉探傷，內表面環縫共有417條裂紋，球體外表面無裂紋，所以H2S含量高引起應力腐蝕應值得重視。日本焊接學會和高壓氣體安全協會規定：液化石油中H2S含量應控制在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 環烷酸 環烷酸是原油中帶來的有機物，當溫度超過220℃時，開始發生腐蝕，270～280℃時腐蝕達到最大；當溫度超過400℃，原油中的環烷酸已汽化完畢。316L（00Cr17Ni14Mo2）不鏽鋼材料是抗環烷酸腐蝕的有效材料，常用於高溫環烷酸腐蝕環境。
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 首先應根據使用條件判斷該管道是否承受壓力，屬於哪一類壓力管道。不同類別的壓力管道因其重要性各異，發生事故帶來的危害程度不同，對材料的要求也不同。同時應考慮管道的使用環境和輸送的介質以及介質對管體的腐蝕程度。例如插入海底的鋼管樁，管體在浪濺區腐蝕速度為海底土中的6倍；潮差區腐蝕速度為海底土中的4倍。在選材及防腐蝕措施上應特別關注。
② 可加工性要求 材料應具有良好的加工性和焊接性。
③ 耐用又經濟的要求 壓力管道，首先應安全耐用和經濟。一台設備、一批管道工程，在投資選材前，必要時進行可行性研究，即經濟技術分析，擬選用的材料可制定數個方案，進行經濟技術分析，有些材料初始投資略高，但是使用可靠，平時維修費用省；有的材料初始投資似乎省，但在運行中可靠性差，平時維修費用高，全壽命周期費用高。
（2）常用材料的套用限制
常用材料限制條件見表1，常用材料使用溫度範圍見表2。
（3）管道常用金屬材料名稱及規格
常用鋼管名稱、標準、牌號及主要用途見表3。
早在1926年，美國石油學會（API）發布API-5L標準，最初只包括A25、A、B三種鋼級，以後又發布了數次，見表4。表4 API發布的管線鋼級
註：1972年API發布U80、U100標準，以後改為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數量選用X52鋼級，且多為電阻焊直管（ERW鋼管）。
我國冶金行業在十餘年來為發展管線鋼付出了極大的辛勞，目前正在全力攻關X70寬板，上海寶山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司等X70、X80化學成分、力學性能分別列於表5～表9。表5 武鋼X80卷板性能 表6 X70級鋼管的力學性能 表7 X70級鋼管彎曲性能檢測結果 表8 X70級鋼管的夏比衝擊韌性 表9 高強度輸送管的夏比衝擊韌性
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）。直徑小於152mm時則選用無縫鋼管。
我國20世紀60年代末至70年代，螺旋焊管廠迅速發展，原油管線幾乎全部採用螺旋焊鋼管，“西氣東輸”管線的一類地區也選用螺旋焊鋼管。螺旋焊鋼管的缺點是內應力大、尺寸精度差，產生缺陷的機率高。據專家分析認為，應採用“兩條腿走路”的方針，一是對現在螺旋焊管廠積極進行技術改造，還中大有前途的；二是大力發展我國直縫埋弧焊管制管業。
ERW鋼管具有外表光潔、尺寸精度高、價格較低等特點，在國內外已廣泛套用。
1. 低壓和中壓鍋爐用無縫鋼管（GB 3087－1999）
① 低壓和中壓鍋爐用無縫鋼管牌號、尺寸規格與用途，見表10。
② 鋼管的化學成分和力學性能，見表11和表12。
3. 低壓液體輸送用焊接鋼管（GB/T 3091－2001）
（1）牌號、化學成分和力學性能
牌號、化學成分（熔煉分析）應符合GB/T 700中Q215A、Q215B、Q235A、Q235B和GB/T 1591中Q295A、Q295B、Q345A、Q345B的規定，力學性能應符合表17的規定。
（2）製造方法
鋼管用電阻焊或埋弧焊方法製造。
（3）工藝試驗
① 彎曲試驗 公稱外徑D不大於60.3mm的電阻焊鋼管應進行彎曲試驗，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大於60.3mm的電阻焊鋼管應進行壓扁試驗。
③ 液壓試驗 液壓試驗壓力值見表18。
（4）焊縫余高
鋼管壁厚不大於12.5mm時，焊縫余高不大於3.0mm；鋼管壁厚大於12.5mm時，焊縫余高不大於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
公稱外徑不大於168.3mm的鋼管，應平直或按供需雙方協定規定的彎曲度指標；公稱外徑大於168.3mm的鋼管，彎曲度不大於鋼管全長的0.2%。
（7）管端
壁厚大於4mm的鋼管，管端可加工坡口30°+5°0° ，留根1.6mm±0.8mm，管端斜度小於或等於5mm。
（8）外形尺寸和質量
① 公稱外徑不大於168.3mm的鋼管，其公稱口徑、公稱外徑、公稱壁厚及理論質量應符合表19的規定。
② 公稱外徑大於168.3mm的鋼管，其公稱外徑、公稱壁厚及理論質量應符合表20的規定。
4. 鍋爐用無縫鋼管
（1）鋼管規格
鍋爐用無縫鋼管分熱軋（擠壓、擴管）和冷拔（軋）兩種，執行國家標準GB 5310－1995。
① 外徑、壁厚和理論質量，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，彎曲度不得大於1.5mm/m；15m；s>30mm時，彎曲度不得大於3.0mm/m。集箱管總彎曲度不得大於12mm。
（2）鋼管的牌號和化學成分
鋼管的牌號和化學成分見表24。
（3）鋼管的熱處理制度
鋼管的熱處理制度見表25。
① 當熱軋15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12cr1movG鋼管的終軋溫度符合表中規定的正火溫度時，可以熱軋代替正火。
