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1、浅谈管道材料的选用合理选择管道材料是材控专业的主要任务。本文共分两大部分：材料和管道元件。在第一部分中，重点介绍了黑色金属；在第二部分中，主要针对国内现状，讨论了管子、管件、法兰、垫片、紧固件、阀门等管道元件的选用问题。一 概述 管道是装置重要组成部分，它犹如人体内的血管，起着非常重要的作用。装置能否正常生产与管道是否正常工作关系密切。有资料表明，石化行业中发生的事故造成停车、人身伤亡、财产损失等，有近一半是由于管道出现问题造成的。另外，管道费用约占装置投资的1030%，对总投资起着举足轻重的影响。而管道是由管道元件组成的，由此可见，合理选择管道元件，就显得尤为重要。但由于涉及的因素较多，比较
2、复杂，所以一直是材料设计人员的重要研究问题。本文就这一问题谈一点个人的体会和看法。由于本人的理论水平和实际经验等方面的原因，文中的错误和不妥之处一定不少，敬请领导批评指正。二 材料鉴于篇幅有限，一下主要讨论黑色金属，对非金属及补里也作一简单介绍，不讨论有色金属。（一）黑色金属1 铸铁铸铁由于铸造性能与切削性能好，而且成本低，虽然它的机械强度比钢差，但在低压管道上一直广泛应用。例如，在渭河化肥厂合成氨装置中，日本宇部公司在冷却水、饮用水、低压（0.34Mpa）蒸汽、仪表空气等介质的管系中，全部闸阀、截止阀、止回阀、碟阀、球阀等采用铸铁。国内公用工程管道所用阀门与弯头、三通等管件也一直采用铸铁。但
3、由于国内铸铁阀门大多数是由中小企业生产，质量低劣，目前，除少数介质（如浓硫酸、浓硝酸、仪表空气等）外，大多数工艺介质管道元件都不采用铸铁。本人认为，如果我们与阀门厂加强合作，在设计上提出详细的合理的技术要求，对D类流体非易燃和无毒流体，设计压力10.5Kgf/cm2，设计温度：-29186。（注1）管道元件可以采用铸铁，以降低工程投资，增加经济效益。2 碳钢碳钢是现代工业中使用最广泛的金属材料之一，在石化工业上也不例外。之所以如此，主要是由于碳钢具有优良的机械性能和工艺性能。作为管道材料，常用的有10号钢，20号钢，Q235-A等。需要说明的是，由于碳钢在800（427）以上会引起石墨化现象，
4、致使机械性能降低，所以，在ANSI/ASME B31.3中规定A53-A，A53-B，A106-A，A106-B等碳钢材料的使用上限为800。在国内，各行业规定不统一。本人认为，10号钢与20号钢的上限温度应规定为425，Q235-A的上限温度应规定为300（但作为紧固件时，上限温度应为200）。3 合金钢合金钢分为低合金钢（合金元素含量5%）、中合金钢（合金元素含量为510%）、高合金钢三大类。在这类钢中，按其特性又可分为低温钢、高温钢、不锈钢等。（1）低温钢按照中国标准，温度在-20-196之间为低温。用于低温的合金钢有16Mn、09MnV、09Mn2V、奥氏体不锈钢等。16Mn的使用下限
5、温度为-40。09MnV和09Mn2V的使用下限温度为-70。奥氏体不锈钢的使用下限温度为-196。（2）高温钢一般将温度350称为高温。这里主要讨论含Cr元素与Mo元素的珠光体-马氏体型高温钢。同奥氏体不锈钢相比，这类钢有如下特点：膨胀系数较小，导热系数大，抗高温氧化性能和抗氢腐蚀性能较好，高温强度较高，工艺性能好，价格低等。常用的有12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2Mo、1Cr5Mo等。在上述几种材料中，需特别讨论12Cr1MoV材料。该材料具有比上述其它几种材料更优异的综合机械性能。另外同1Cr5Mo相比，它的含铬量较低，所以价格也低，有资料表明：它的价格为1Cr5
6、Mo价格的一半。正因为如此，在渭河化肥厂合成氨装置中，日本宇部公司大量采用了与之相近似的材料（注2），应用的场合有：高压（4.0MPa）蒸汽，高温高压（设计温度范围为290480，设计压力范围为6.614.9MPa）工艺气体。在吉化芳烃装置中，日本东洋公司在高压蒸汽和含氢的高温（最高温度551）工艺介质管线上采取了与宇部公司相同的作法。本人认为，在设计条件允许的前提下，优选12Cr1MoV的作法在我们今后的设计工作值得考虑。（3）不锈钢不锈钢属于高合金钢。不锈钢主要分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双桐不锈钢（即奥氏体-铁素体不锈钢）、马氏体不锈钢。其中，最常用的为奥氏体不锈钢。A 奥氏体不锈钢
7、奥氏体不锈钢有良好的韧性、塑性、焊接性、耐腐蚀性以及优异的低温和高温特性，因此，应用非常广泛。它的主要缺点是：含贵重的合金元素Ni较多，不耐含Cl-介质的腐蚀，切削加工性能较差等，从而使其应用又受到一定的限制。常用的奥氏体不锈钢有：0cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2、1Cr18Ni9Ti等。其中1Cr18Ni9Ti在过去应用较多，但由于该材料含碳元素较多，焊缝附近材料的晶间容易产生贫铬区，从而造成晶间腐蚀破坏，所以，一般可不选用它。B 铁素体不锈钢铁素体不锈钢的主要成分是Fe与Cr。它与奥氏体不锈钢同属比较古老的不锈钢材料，但由于其脆性
8、倾向大（特别是475脆性问题），焊后耐晶间腐蚀性能较差等原因，使它的应用受到很大的限制。但是，18-8型铬镍不锈钢对应力腐蚀断裂有高度敏感性，促使耐应力腐蚀性能较好的铁素体不锈钢得到一定发展。特别是冶金水平的提高，使高钝（含碳、氮极低）铁素体不锈钢的工业化生产成为现实，基本上克服了铁素体不锈钢的上述缺点，它又变成了一种耐腐蚀性能好、价格低廉的不锈钢。在天津化工厂环氧氯丙烷装置中，日本昭和电工公司就采用了该类不锈钢。常用的铁素体不锈钢有1Cr17、00Cr30Mo2、00Cr27Mo等。C 双相不锈钢双相不锈钢系指金相组织中既有奥氏体相、又有铁素体相的不锈钢。它兼有铁素体和奥氏体的性能特征。同奥
9、氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有如下主要特点：强度高。它的屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍。膨胀系数小，导热系数大。对晶间腐蚀不敏感。具有优良的耐应力腐蚀和腐蚀疲劳性能以及良好的耐点蚀性能。Ni元素含量低。常用的双相不锈钢有00Cr18Ni5Mo3Si2、Cr26Ni5Mo2等。D 马氏体不锈钢马氏体不锈钢主要是含铬量12%（一般为1218%）的高铬钢。该不锈钢硬度、强度、都较高，耐磨性能好，切削性能优良；所以在管道中常作为阀座、阀盘和阀杆材料使用。常用的有0Cr13、1Cr13、2Cr13和3Cr13等。（二）非金属及衬里1 塑料（1）聚氯乙烯（PVC）聚氯乙烯具有优异的耐腐蚀性能。在60条件下
10、，能耐多种酸、碱、盐、碳氢化合物、有机溶剂等介质的腐蚀。另外，它还有优良的机加工和力学性能，价格低廉。正因为如此，使聚氯乙烯在管道中广泛使用。但是聚氯乙烯不耐浓硝酸、发烟硫酸、醋酐、酮类等。在选用时，应注意使用温度，它的上限温度为60，下限温度为-15。（2）聚丙烯（PP）聚丙烯具有优良的耐腐蚀性能，较好的耐温性能。聚丙烯的使用温度范围为-20120。（3）聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯又称“塑料王”。具有极优异的耐腐蚀性能，良好的低温（-250）力学性能，优异的抗老化性能和自润滑性，极低的摩擦系数。这些特点，使它在管道中即可用作管子、管件等，又可以作为密封材料，还可用作管架材料（由于它的摩
11、擦系数极低以及电绝缘性优异等，一般作垫板用）。由于国内水平的限制，聚四氟乙烯的使用上限温度为200。聚四氟乙烯的缺点是强度低、刚性差、价格高、所以本人认为一般应选它的金属衬里管道材料。2 玻璃钢除具有优异的耐腐蚀性能外，玻璃钢的力学性能和保温性能也很好。自八十年代以来，该材料在国内得到突飞猛进的发展，建立了一批像中意玻璃钢有限公司、连云港市玻纤玻钢总厂等高水平的大型玻璃钢生产企业。需要注意的是：同其它产品一样，玻璃钢也分为不同的品种，常用的有环氧、聚脂、酚醛、呋喃等，应根据不同的介质条件，参照各种玻璃钢的特性，合理选用。3 衬里衬里是指金属管道元件内衬非金属材料。衬里既有非金属材料优异的耐腐蚀
12、性能，又具有金属材料的强度和刚度，在管道中应用也非常广泛。在天津化工厂环氧氯丙烷装置中，日本昭和电工公司采用了衬PVC、PTFE、PFA（氟塑料合金）、FEP（聚全氟乙丙烯）、玻璃、搪瓷等六种衬里管道材料。由于金属与非金属的热膨胀系数相差很大，加之国内加工制造工艺落后，产品质量差，因此，本人认为在选用衬里产品时要认真了解设计条件，详细考察制造厂的生产水平、质保体系、产品性能等，作到心里有数。衬里设计压力应1.6MPa。常用的衬里有衬橡胶、衬塑料、衬玻璃、衬搪瓷等。三 管道元件在讨论该问题以前，需要先解释两个概念：公制管与英制管。公制管：严格地讲，公制管是指尺寸以国际单位制（SI）而计算的管子。
13、例如，在日本公制管以A表示，公称直径100mm的管子，表示为100A。国内现在所讲的公制管，已经是广义的概念，它是对国内沿用的（而且目前还在广泛使用）老系列的通称。英制管：同样，严格的讲，英制管是指尺寸以英寸（in）为单位而计算的管子。例如，在日本英制管以B表示，公称直径4in的管子，表示为4B。国内现在所讲的英制管，也是广义的概念，它是相对上述公制管而言的，是对尺寸与美国标准相同（或相近）的管子的通称。新国标管法兰的颁布实施，使英制管在国内的应用愈来愈广泛。（一）管子1 无缝碳钢管（包括低合金钢管）国内大多数钢厂至今仍未按英制管组织无缝管生产。在HG20553化工配管用无缝及很节钢管尺寸选用
14、系列中讲到：上海宝钢、成都无缝钢管厂、天津钢管公司等三家钢管加工企业可以生产供应英制管，经与后两个单位联系知道情况并非如此。他们仍按GB8163或GB3087组织生产。有幸的是，由于这两个国标的管子外径尺寸和壁厚是一个密集尺寸系列（GB8163中管子外径范围为6426mm），其中的一些管子尺寸与英制管相同或相近，加上制造公差因素（外径公差为1%，min0.5mm；壁厚公差为15%，-12.5%），所以钢厂基本上可以满足设计要求的英制管。根据这一情况，本人认为，在设计中不论是采用HG20553中的Ia系列，还是采用Ib系列都是可行的。但是一方面为了方便，另一方面为了与国际接轨，一般应采用Ia系列
15、。2 焊接碳钢管（包括低合金钢管）从已有标准来看，当公称直径6in时，只有仅适用于水、空气、煤气等低压（1.6MPa）介质的英制管。公称直径8in时，既有英制管、又有公制管。3 无缝不锈钢管国内钢厂按GB/T14976（原标准为GB2270）生产无缝不锈钢管。同GB8163一样，GB/T14976中的管子外径和壁厚，也是一个密集尺寸系列：从10426mm。但是存在的问题是，从外径来讲，当公称直径10in时，既能满足公制管要求，又能符合英制管要求；当公称直径10in时，只有公制管。从壁厚来讲，也存在问题。由于制造工艺限制，公称直径2in的管子，最小壁厚都较大，例如6in的管子，最小壁厚为7mm，12in的管子，最小壁厚为12mm。上述问题的存在，直接影响到设计中材料的选用。本人认为，还需进一步进行市场调查，解决这些问题。4 焊接不锈钢管GB12771流体输送用不锈钢焊接钢管不论是从尺寸，还是从技术要求，都难以满足石化管道的需要。本人认为一般不考虑选用，可选用HG20537.34中的不锈钢焊接钢管，该标准有英制管与公制管，技术要求也符合石化管道的需要。由于无缝管的壁厚较大，价格较高，国外焊接不锈钢管使用非常广泛。例如在天津化工厂环氧氯丙烷工程的合同附件谈判时，所谈的三家外商在其装置中所使用的不锈钢管几乎全是焊接管。国内由于制造工艺落
