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1、1 第一章第一章 燃气工程常用钢材燃气工程常用钢材 管材和配件 管材和配件 2 第一节 钢材的分类 第二节 钢材在燃气工程中的应用场合 第三节 钢材的机械性能指标 第四节 钢中化学元素对钢材特性的影响 第五节 管道标准 第六节 管材 第七节 管 件 第八节 阀 门 与 法 兰 本章主要内容 3 1 1 钢材的分类 4 1 1 钢材的分类 5 1 1 钢材的分类 一般为中 低碳钢 一般为高碳钢 6 燃气工程常用的钢主要是低碳钢 优质碳素结构 钢和低合金结构钢 应用场合 如钢质管道 天然气和液化石油气储配站内工艺管道 高 压球罐 液化石油气储罐等 1 2 钢材在燃气工程中的应用场合 7 1 3 钢
2、材的机械性能指标 1 抗拉强度 b 在拉伸 应变曲线上的最大应力点 2 屈服极限 s 材料的拉伸应力超过弹性范围 开始发生塑性变形时的应力 有 些材料的拉伸曲线上并不出现明显的屈服平台 不能明确地确定其屈 服点 为此在工程上规定 取试样产生0 2 残余变形的应力值作为 条件屈服极限 用 0 2表示 8 3 延伸率 表明试样在发生破坏时 产生了百分之几的塑性变形量 是 衡量钢材拉伸试验时塑性的一个指标 4 断面收缩率 断面收缩率表明试样在拉伸试验时 缩颈处在应力状态下所 产生的最大塑性变形量 是衡量材料塑性的另一指标 5 冲击功Ak 冲击功是衡量钢材韧性 确定钢材是否产生脆性破坏的一个 指标 9
3、 6 硬度HB 反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性 根据经验 硬度与抗拉强度有如下近似关系 轧制 正火的低碳钢 b 0 36HB 轧制 正火的中碳钢或低合金钢 b 0 35HB 硬度为250 400HB 经热处理的合金钢 b 0 33HB 10 7 可焊性 材料在焊接过程中不出现缺陷的倾向 8 冷脆性 钢材在常温或低温下脆化而突然开裂的现象 9 热脆性 钢材在焊接或在1000 1200 0C下轧制时开裂的现象 11 1 4 钢中化学元素对钢材特性的影响 燃气工程中的不同钢结构 对钢材的抗拉 冷弯 冲击韧性和硬 度等性能均有不同的要求 不同化学元素对钢材性能有重要影响 某 些钢材在一定条
4、件下 其性能亦会逐渐发生变化 钢中的铁和碳对钢材性能起主导作用 它们组成钢中的奥氏体 铁素体 渗碳体和珠光体等基本组分 化学元素对钢材性能的影响是 通过它们对基本组分的影响而体现的 1 化学元素成分的影响 碳 碳含量提高 钢中的强化组分渗碳体随之增多 抗拉强度和硬度 相应提高 伸长率和冲击韧性则相应降低 碳是显著降低钢材可焊性 元素之一 含碳量超过0 3 时 钢的可焊性显著降低 12 1 4 钢中化学元素对钢材特性的影响 硅 硅在钢中除少量呈非金属夹杂物外 大部分溶于铁素体中 当含量小于1 时 可提高钢材的强度 在低合金钢中 硅的作用 主要是提高钢材的强度 锰 锰能消减硫和氧所引起的热脆性 使
5、钢材的热加工性质改善 作为低合金钢的合金元素 锰含量一般在1 2 范围内 其 主要作用是熔于铁素体中使铁素体强化 降低奥氏体的分解温度 使珠光体细化 使钢材强度提高 13 1 4 钢中化学元素对钢材特性的影响 磷 磷是碳钢中的有害杂质 主要溶于铁素体起强化作用 含量 提高 钢材的强度虽有提高 但塑性和韧性显著下降 尤其是温 度愈低 对塑性和韧性的影响愈大 磷在钢中的偏析倾向强烈 一般认为 磷的偏析富集 使铁素体晶格严重畸变 导致钢材冷 脆性显著增大 从而降低钢材的可焊性 硫 硫是很有害的元素 呈非金属硫化物夹杂于钢中 降低钢的 各种机械性能 硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热 裂纹 热
6、脆性 显著降低可焊性 硫也有强烈的偏析作用 增 加了危害性 14 1 4 钢中化学元素对钢材特性的影响 氧 氧是钢中的有害杂质 主要存在于非金属夹杂物内 少量熔 于铁素体中 非金属夹杂物降低钢的机械性能 尤其是韧性 氧 有促进时效倾向的作用 氧化物所造成的低熔点使钢材可焊性变 坏 氮 主要嵌熔于铁素体中 也可呈化合物形式存在 氮对钢材性 质的影响与碳相似 使钢材的强度提高 塑性和韧性显著下降 降低可焊性 在用铝或钛补充脱氧的镇静钢中 氮主要以氮化铝 或氮化钛等形式存在 可减少氮的不利影响 并能细化晶粒 改 善性能 15 1 4 钢中化学元素对钢材特性的影响 氢 以原子态或分子态存在于钢中 造成
7、 氢脆 和 白点 白点 是在钢材内部产生微小裂纹 这是由于钢在液态下吸收大量的氢 冷却后又来不及析出 就聚集在晶体的缺陷处 造成很大的应 力 钛 是强脱氧剂 能细化晶粒 钛能显著提高强度 对降低塑性 略有影响 由于晶粒细化 故可改善韧性 提高可悍性 是常用 的合金元素 钒 是强烈形成碳化物和氮化物的元素 钒能细化晶粒 有效地 提高强度 但焊接时增加淬硬倾向 16 1 4 钢中化学元素对钢材特性的影响 2 应变时效 碳钢和低合金钢均具有明显的屈服点 经过塑性变形后 在室温 下放置一段时间 几个月或几年 或经一定温度加热处理后 屈服点 会提高 塑性和韧性则相应降低 这种现象称应变时效效应 简称时
8、效 若在空气温度下放置称为自然时效 若是经加热处理称为人工时 效 一般认为 产生应变时效的原因 主要是由于晶格中的氮原子有 向缺陷移动 集中 甚至呈氮化物析出的倾向 当钢材在冷塑性变形 后 或者在使用中受到强力冷变形时 则氮原子的移动 集中大大加 快 造成缺陷处氮原子富集 使晶格畸变加快 因而脆性增加 应变时效对超高压燃气储罐和燃气管道的安全使用构成威胁 甚 至可能导致脆性破坏 17 燃气工程常用钢材主要是钢结构 管道和储罐等 用钢材和 少量钢筋混凝土结构 地沟和闸井等 用钢筋 一 钢结构用钢材 1 普通碳素结构钢与钢号 这类钢一般以保证证机械性能供货货 其牌号由屈服点的字母 屈服点数值 质量
9、等级符号 脱氧方法符号组成 例如 Q235表示屈服强度为235MPa的普通碳素结构钢 应应用场场合 各种型钢钢 条钢钢 螺栓 螺钉钉等 1 4 常用钢材的标准和选用 18 2 优质碳素结构钢与钢号 优质碳素结构钢除保证机械性能和化学成分外 还应保证S 0 045 P 0 040 其钢号以平均含碳量的万分数表示 沸腾钢 和半镇静钢应特别标明 例如 平均含碳量为0 10 的沸腾钢 其钢号写为 10F 特点 可焊性好 韧性好 低温性能好 常用10 20号钢 如储配站工艺管道 热水器外壳一般用08F等 一 钢结构用钢材 19 3 低合金结构钢与钢号 钢号的表示方法为 前面数字表示平均含碳量的万分数 其
10、 后元素名称为所加合金元素 如合金元素后面未附数字 表示其 平均含量在1 5 以下 例如 16Mn表示为平炉或氧气转炉镇静 钢 其平均含碳量为0 16 平均含锰量低于1 5 特点 可焊性好 韧性好 低温性能好 一般用在压力高的无缝钢管 直缝焊钢管 一 钢结构用钢材 20 4 高压燃气储罐用钢材 各类高压燃气储罐均属钢制压力容器 必须采用压力容器专用 钢 满足GB665 86 压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板 的要 求 压力容器专用钢在钢号尾部均标有汉语拼音字母 R 例如 16MnR 15MnVR等 l 不能用空气转炉冶炼 因为空气转炉钢含氮量高 时效倾 向严重 析出氮化物后 塑性和韧性明显下降
11、 2 一般应将含碳量控制在0 24 以下 一 钢结构用钢材 21 3 硫和磷含量应尽量低 一般要求是S 0 035 P 0 03 4 钢板结构要保证内部质量 出厂前必须进行超声波探伤 低 合金钢板应符合 压力容器用钢板超声波探伤 ZBJ74003 88 的 级要求 5 要比普通结构钢增加试验取样组数 4 高压燃气储罐用钢材 22 二 特殊钢 1 不锈钢与钢号 主要有 0Cr13 1Cr13 2Cr13 1Cr18 2Cr18等 钢号的表示方法为 前面数字表示平均含碳量的万分数 其后元素名称 为所加合金元素 例如 0Cr13表示其平均含碳量小于0 01 平均含铬量 为13 应用场合 不锈钢刀具
12、双眼灶外壳等 2 耐热钢 主要有 1Cr18Ni8Ti等 钢号的表示方法为 前面数字表示平均含碳量的万分数 其后元素名称 为所加合金元素 应用场合 工业燃烧炉的喷头等 23 三 管线钢 管线钢钢级的命名以规定总伸长应力命名 规定总伸长应力 试样标距长度上产生0 5 的总伸长时所需的 拉应力 注 规范GB 9711 88 S系列己经被GB T 9711 1997L系列替代 24 三 管线钢 国标规定的钢级与ANSI API Spec 5L规定的钢级对比表 注 管线钢X46以上为合金钢 X46以下为碳素钢 X52以上称高 强度钢 25 1 5 管道标准 所谓管道标准 就是为了简化管子 管件 阀门和
13、法兰等的 品种规格 便于成批生产 使管道具有互换性 有利于设计和安 装时选用这样的目的而建立的 标准化的主要内容之一就是统一规定管子 管件 阀门和法 兰的主要结构尺寸与性能参数 如公称直径和公称压力 凡有相同公称直径与公称压力的管子 管件 阀门和法兰 可以互相配套 倘若材质相同 其结构尺寸也相同时 可以互换 使用 26 1 5 管道标准 一 公称直径 管道和工艺设备的公称直径是为了设计 制造 安装和检修 方便而人为规定的一种标准直径 通常以DN表示 DN后附加以 mm为单位的公称直径数字 27 一 公称直径 无缝钢管 DN后的数值等于外径 例如 DN159的无缝钢管就表 示外径为159mm 铸
14、铁管及其管件和阀门 DN后的数值等于内径 法兰 DN后的数值仅是与内径D或与外径相接近的整数 工艺设备 例如压缩机 液化石油气泵和燃气调压器等 DN后 的数值就是设备接口的内径 PE管 也就是聚乙烯管而言 公称直径用de表示 后面的数值表 示外径的尺寸 单位为mm 例如de63表示管子的外径为63mm 28 二 公称压力 管道和工艺设备的公称压力是为了设计 制造和使用方便而 人为规定的一种标准压力 通常用Pg表示 其后附加以MPa为单 位的公称压力数值 29 三 试验压力 试验压力是为了保证安全使用对管道和工艺设备进行强度和 密封性 严密性 试验而规定的一种压力 通常以Ps表示 Ps后 附加以
15、MPa为单位的试验压力数值 一般情况下 强度试验压力为设计压力的1 5倍 严密性试验 压力为设计压力的1 15倍 30 四 几个概念 设计压力 工作压力 最大允许工作压力 31 1 6 管材 32 1 6 1 钢管 要求油气钢管有足够的机械强度 抗拉强度 屈服强度 延 伸率 冲击韧性 可焊接性好 而且要有不透气性 钢管是燃气工程中应用较多的管材 按照制造方法分为无缝 钢管和焊接钢管 一般钢管规格的习惯表示方法是Dw 低压流 体输送用焊接钢管经常用DN表示规格 33 无缝钢管 无缝钢管用普通碳素钢 优质碳素钢 低合金钢或合金结构钢 轧制而成 品种规格多 强度高 耐压力高 韧性强 管段长 是 工业
16、管道最常用的一种管材 广泛用于工作压力为1 57MPa以下的 管道 钢管出厂长度 普通长度 定尺长度 倍尺长度 普通长度即不定尺长度 热轧管为3 12 5 m 冷拔管为1 5 9m 定尺长度即在普通长度范围内规定一个或几个固定长度供货 倍尺长度是在普通长度范围内按某一长度的倍数供货 34 根据制造方法 无缝钢管还有热轧和冷拨 轧 之分 热轧管的最大D为630mm 冷拨 轧 管的最大直径为 219mm 一般情况下 D 57mm时常选用热轧管 无缝钢管的强度很高 但受生产工艺和成本限制 多为DN 200 mm 以下的小口径钢管 无缝钢管 35 焊接钢管 焊接钢管亦称有缝钢管 其品种有低压流体输送用焊接钢管 螺旋缝电焊钢管和钢板卷制直缝电焊钢管 1 低压流体输送用焊接钢管 低压流体输送用焊接钢管和镀锌焊接钢管是有缝钢管 一般用 普通碳素钢制成 按表面质量分镀锌 白铁管 和不镀锌 黑铁管 两种 按管端带螺纹与否 又可分带螺纹与不带螺纹两种 按管 壁厚分 有普通和加厚两种 36 1 低压流体输送用焊接钢管 钢管最小DN为6mm 普通长度为4 12m 管子两端一般带有管螺 纹 采用螺纹连接的燃气管
