无缝钢管选用原则压力管道常用钢管材料选用原则及方法

　　无缝钢管选用原则压力管道常用钢管材料选用原则及方法无缝钢管是采用穿孔热轧等热加工方法制造的不带焊缝的钢管。必要时，热加工后的管子还可以进一步冷加工至所要求的形状、尺寸和性能。

　　GB5310、GB6479、GB9948三种标准的钢管，除了流体输送用钢管必须进行的试验外，还要求进行扩口试验和冲击试验；这三种钢管的制造检验要求是比较严格的江南平台app体育。

　　GB/T8163标准的钢管，除了流体输送用钢管的一般试验要求外，据协议要求进行扩口试验和冷弯试验。这两种管子的制造要求不如前三种严格。

　　GB/T8163和GB3087标准的钢管多采采用平炉或转炉冶炼，其杂质成分和内部缺陷相对较多。

　　GB6479和GB5310标准本身规定了炉外精炼的要求，其杂质成分和内部缺陷最少，材料质量最高。

　　一般情况下，GB/T8163标准的钢管适用于设计温度小于350℃、压力低于10.0MPa的油品、油气和公用介质条件下；

　　对于油品、油气介质，当其设计温度超过350℃或压力大于10.0MPa时，宜选用GB9948或GB6479标准的钢管；

　　对于临氢操作的管道，或者在有应力腐蚀倾向环境中工作的管道，也宜使用GB9948或GB6479标准。

　　凡是低温下(小于－20℃)使用碳素钢钢管应采用GB6479标准，只有它规定了对材料低温冲击韧性的要求。

　　《锅炉安全监察规程》强调指出，凡与锅炉相连的管子都属监察范围，其材料与标准的应用都应符合《锅炉安全监察规程》的规定，故锅炉、电站、供暖以及石化生产装置中用到的公用蒸汽管道(由系统供给)等都应采用GB3087或GB5310标准。

　　值得注意的是，质量好的钢管标准，钢管的价格也比较高，如GB9948比GB8163材料的价格高近1/5，因此，在选用钢管材料标准时，应依据使用条件综合考虑，既要可靠又要经济。还需注意，按照GB/T20801和TSGD0001，GB3087和GB8163标准的钢管不得用于GC1管道（除非逐根超声，质量不低于L2.5级，可用于设计压力不大于4.0Mpa的GC1(1)管道）。

　　GB/T14976、GB13296、GB9948、GB6479、GB5310共五个标准。其中，后三个标准中仅列出了两三个不锈钢材料牌号，而且是不常用的材料牌号。

　　因此，当工程上选用不锈钢无缝钢管标准时，基本上都选用GB/T14976和GB13296标准。

　　其中超低碳不锈钢(304L、316L)具有优良的抗腐蚀性能，在一定条件下，可代替稳定型不锈钢(321、347)用于抗介质的腐蚀；超低碳不锈钢高温机械性能较低，一般仅用于温度低于525℃的条件下；稳定型奥氏体不锈钢既具有较好的抗腐蚀性能，又有较高的高温机械性能，但321中的Ti在焊接过程中易被氧化而失掉，从而降低了其抗腐蚀性能，其价格较高，这类材料一般用在较重要的场合，304、316具有一般的抗腐蚀性能，价格便宜，因此被广泛应用。

　　在进行压力管道设计时，管径经计算确定以后，就要选择管子的材料。压力管道常用管子材料的使用时根据所输送介质的操作条件（如压力、温度）及其在该条件下的介质特性决定的。

　　材料选择不当，会造成浪费或埋下事故隐患。如可以用普通材料的管子，选用了较昂贵材料的管子，就增加了不必要的基建投资。该有耐酸不锈钢的场合用了碳钢就会直接影响压力管道的正常运行，甚至留下祸根。所以在选择管子材料时，要求设计人员首先要了解管子的种类、规格、性能、使用范围，最好还要调查该管子在其他类似的压力管道的应用情况，再根据以下的原则确定管子的材料。

　　在选用管子材料时，一般先考虑采用金属材料，金属材料不适用时，再考虑非金属材料。金属材料优先选用钢制管材，后考虑选用有色金属材料。钢制管材中，先考虑采用碳钢，不适用时再选用不锈钢。在考虑碳钢材料时，先考虑焊接钢管，不适用时再选用无缝钢管。

　　介质压力在1.6MPa以上时，可选用无缝钢管或有色金属管子。压力很高时，如在合成氨、尿素和甲醇生产中，有的管子介质压力高达32MPa，一般选用材料为20#或15CrMo的高压无缝钢管。在真空设备上的管子及压力大于10MPa时的氧气管子，一般采用铜管和黄铜管。

　　介质压力在1.6MPa以下时，可考虑采用焊接钢管、铸铁管或非金属管子。但铸铁管子承受介质的压力不得大于1.0MPa。非金属管子所能承受的介质压力，与非金属材料品种有关，如硬聚氯乙烯管子，使用压力小于或等于1.6MPa；增强聚丙烯管子，使用压力小于或等于1.0MPa；ABS管子，使用压力小于或等于0.6MPa。

　　对水管，当水的压力在1.0MPa以下时江南平台app体育，通常采用材料为Q235A的焊接钢管；当水的压力大于2.5MPa时，一般采用采用为20#的无缝钢管。

　　不同材料的管子，适用于不同的温度范围。压力为1.0MPa的氢气，当氢气的温度小于350℃时，一般采用20#无缝钢管，当氢气的温度在351~400℃范围时，一般采用15CrMo或12CrMo无缝钢管。

　　输送不同介质，采用不同的管材。有的介质呈中性，一般对材料要求不高，可选用普通碳钢管；有的介质呈酸性或碱性，就要选择耐酸或耐碱的管材。强酸强碱与弱酸弱碱对管子的采用要求也不一样，同样的酸或碱，浓度不同对管子的材料要求也有区别。如输送水及水蒸气，采用碳钢材料的管子就可以了。如在尿素装置中，输送二氧化碳的管子，一般采用不锈钢管，因为二氧化碳遇水形成碳酸，碳酸对一般钢管有腐蚀作用。如发烟硫酸可选用碳钢管子，稀硫酸就不得用碳钢管子，因为稀硫酸和碳钢能其化学反应，对碳钢有腐蚀，可采用硬铝管。

　　有些管子除需具备输送介质的功能外，还有具有吸震的功能、系数热胀冷缩的功能，在工作状况下，能经常移动的功能，如民用液化石油气、氧气、乙炔气在灌瓶的部位，管子常采用高压钢丝编织胶管，而不能使用移动不方便的硬质钢管。

　　管子的材料初步选定以后，还要进行管道压力降的计算，确定管子内径。通过压力降的计算，看选用的材料是否符合要求。特别是初步选用塑料管子时，更要重视压力降的复核。

　　压力管道的计算，在工程设计中，一般要根据生产规模进行物料衡算、能量衡算和设备计算，初步确定物料流量。并参照有关资料，假定一个物料流速，计算出管子内径，查手册或标准，选用标准管子，通常选用的标准管子内径应等于或略大于计算出的管子内径。再计算管道的压力降。

　　无缝钢管 是采用穿孔热轧等热加工方法制造的不带焊缝的钢管。必要时, 热加工后的管子还 可以进一步冷加工至所要求的形状、尺寸和性能。

　　检验 :一般流体输送用钢管必须进行化学成分分析、拉力试验、压扁试验和水压试验。GB5310、 GB6479、 GB9948三种标准的钢管,除了流体输送用钢管必须进行的试验外,还要 求进行扩口试验和冲击试验;这三种钢管的制造检验要求是比较严格的。

　　GB3087标准的钢管,除了流体输送用钢管的一般试验要求外,还要求进行冷弯试验。GB/T8163标准的钢管, 除了流体输送用钢管的一般试验要求外, 据协议要求进行扩口试验和 冷弯试验。这两种管子的制造要求不如前三种严格。

　　GB/T/8163和 GB3087标准的钢管多采采用平炉或转炉冶炼,其杂质成分和内部缺陷相对较 多。

　　GB6479和 GB5310标准本身规定了炉外精炼的要求, 其杂质成分和内部缺陷最少, 材料质量 最高。

　　一般情况下, GB/T8163标准的钢管适用于设计温度小于 350℃、压力低于 10.0MPa 的油品、 油气和公用介质条件下;

　　对于油品、油气介质,当其设计温度超过 350℃或压力大于 10.0MPa 时,宜选用 GB9948或 GB6479标准的钢管;

　　对于临氢操作的管道, 或者在有应力腐蚀倾向环境中工作的管道, 也宜使用 GB9948或 GB6479标准。

　　凡是低温下 (小于-20℃ ) 使用碳素钢钢管应采用 GB6479标准, 只有它规定了对材料低温冲击 韧性的要求。

　　GB3087和 GB5310标准是专门为锅炉用钢管而设置的标准。《锅炉安全监察规程》 强调指出, 凡与锅炉相连的管子都属监察范围,其材料与标准的应用都应符合《锅炉安全监察规程》的 规定,故锅炉、电站、供暖以及石化生产装置中用到的公用蒸汽管道 (由系统供给 ) 等都应采 用 GB3087或 GB5310标准。

　　**值得注意的是,质量好的钢管标准,钢管的价格也比较高,如 GB9948比 GB8163材料的 价格高近 1/5, 因此, 在选用钢管材料标准时, 应依据使用条件综合考虑, 既要可靠又要经济。

　　常用的不锈钢无缝钢管标准有:GB/T14976、 GB13296、 GB9948、 GB6479、 GB5310共五个 标准。其中,后三个标准中仅列出了两三个不锈钢材料牌号,而且是不常用的材料牌号。因 此, 当工程上选用不锈钢无缝钢管标准时,基本上都选用 GB/T14976和 GB13296标准。GB/T14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》:

　　※ 稳定型奥氏体不锈钢既具有较好的抗腐蚀性能, 又有较高的高温机械性能, 但 0Cr18Ni10Ti 中的 Ti 在焊接过程中易被氧化而失掉,从而降低了其抗腐蚀性能,其价格较高,这类材料一 般用在较重要的场合。

　　常用的管件有 :弯头、三通、异径管(大小头)、管帽、加强管嘴、加强管接头、异径短节、 螺纹短节、活接头、丝堵、仪表管嘴、软管站快速接头、漏斗、水喷头、管箍等。

　　管道的拐弯以前由现场煨制,该方法劳动强度大、效率低,,材料的组织状态和性能也不好, 而且往往因管壁厚减薄而导致拐弯处成为整个管道的薄弱环节;管道的分支一般是在管子上 直接开孔连接,此处有时虽然进行补强,但 . 焊缝一般为角焊缝,受力状况不好,焊缝质量也 不易控制,因此,该处往往也成为管道的薄弱环节。采用管件后,较好地解决了上述问题。因此,现在的压力管道已大量采用各种各样的管件,其投资约占整个管道投资的 1/5。

　　它是 DN≥50的管道及其元件常用的一种连接型式。对于 DN≤40的管子及其元件,因为它的 壁厚一般较薄,采用对焊连接时错口影响较大,容易烧穿,焊接质量不易保证,故此时一般 不采用对焊连接。但下列几种情况例外:

　　1) 对于 DN≤40、壁厚大于等于 SCH160的管道及其元件,其壁厚已比较厚,采用对焊连接 时前面所述的问题已不存在,故也常用对焊连接;

　　2) 有缝隙腐蚀介质 (如氢氟酸介质 ) 存在的情况下,即使 DN≤40、壁厚小于 SCH160,也采用 对焊连接,以避免缝隙腐蚀的发生,此时在焊接施工时常采用小焊丝直径、小焊接电流的氩 弧焊而不用一般的电弧焊;

　　3)对润滑油管道,当采用承插焊连接时,其接头缝隙处易积存杂质而对机械设备产生不利影 响,此时也应采用对焊连接;

　　弯头、三通、管帽、加强管嘴、活接头、管箍等为 承口管件 。在应用中应考虑这些管件之间 的搭配组合以及所需的结构空间。

　　常用的管件中,螺纹短节为阳螺纹,而弯头、三通、管帽、活接头等多为阴螺纹,使用时应 注意它们之间的搭配和组合。螺纹连接与焊接相比,其接头强度低,密封性能差,因此其使 用时,常受下列条件的限制 :

　　4) 螺纹连接不推荐用在可能发生的腐蚀江南平台app体育、缝隙腐蚀或振动、压力脉动及温度变化可能产生交 变载荷的管道上;

　　(ISO7/1)为 550锥管螺纹。日本标准同时包含 550锥管螺纹和 600锥管螺纹两种。

　　常用的对焊管件包括弯头、三通、异径管 (大小头 ) 和管帽,前三项大多采用无缝钢管或焊接 钢管通过推制、拉拔、挤压而成,后者多采用钢板冲压而成。

　　它们通过公称壁厚等级(管子表号或壁厚值)来实现与管子等强度 ,至于其局部应力集中的 补强,是制造厂应解决的事情。制造厂应对对焊管件的强度进行设计,并通过验证试验法进 行验证。

　　短半径弯头(R =1.0DN ):多用于尺寸受限制的场合。其最高工作压力不宜超过同规格长半 径弯头的 0.8倍。

　　弯管 (R =nDN ) :用于缓和介质在拐弯处的冲刷和动能, 可用到 R=3DN、 6DN 、 10DN 、 20DN 根据制造方法不同又分为推制弯头、挤压弯头和焊制斜接弯头

　　焊制斜接弯头:常用于介质条件比较缓和的大尺寸管道上, 同时要求其弯曲半径不宜小于其 公称直径的 1.5倍。当斜接弯头的斜接角度大于 450时,不宜用于剧毒、可燃介质管道上,或 承受机械振动、压力脉动及由于温度变化产生交变载荷的管道上。

　　平封头制造较容易,价格也较低,但其承压能力不如标准椭圆封头,故它常用于 DN≤100、 介质压力低于 1.0MPa 的条件下。标准椭圆封头为一带折边的椭圆封头, 椭圆的内径长短轴之 比为 2:1,它是应用最广的封头。

　　它一般是指 DN≤40的管道元件,包括弯头、三通、加强管嘴、加强管接头、管帽、管箍、异 径短节、活接头、丝堵、仪表管嘴、软管站快速接头、水喷头等。

　　各种管件标准,对焊无缝和钢板制对焊管件均等有效采用 ANSI B16.9和 ANSIB16.28。锻钢 制承插焊和螺纹管件均等有效采用 ANSI B16.11。但各标准同类管件的结构尺寸不尽相同。

　　法兰、垫片及螺栓三者组成管道中可拆卸的连接结构,压力管道中应用很普遍也是一种很重 要的连接形式。通常,法兰、螺栓与垫片三者共同构成一个密封副,三者共同作用,相辅相 承,才能保证接头的良好密封。

　　盲板、 8字盲板、限流孔板、混合孔板等与法兰、垫片及螺栓关系比较密切,常与它们配合 使用,一起进行介绍。

　　法兰是确定管道公称压力等级的基准件。由前面的介绍可知,法兰的种类很多,不同型式的 法兰,其密封性能不同,适用场合也不同。在这里仅讨论不同型式的法兰应如何选用,仅供 参考。

　　◆ 结构型式 管道法兰按与管子的连接方式分为以下六种基本类型:平焊、对焊法、承插 焊、松套、螺纹法兰和整体法兰,如图 6-1。

　　平焊法兰:多用于介质条件比较缓和的情况下,如低压非净化压缩空气、低压循环水,它的 优点是价格比较便宜;

　　对焊法兰:最常用的一种,它与管子为对焊连接,焊接接头质量比较好,而且法兰的颈部利 用锥度过渡,可以承受较苛刻的条件;

　　松套法兰:常用于介质温度和压力都不高而介质腐蚀性较强的情况。当介质腐蚀性较强时, 法兰接触介质的部分 (翻边短节 ) 为耐腐蚀的高等级材料如不锈钢等材料,而外部则利用低等 级材料如碳钢材料的法兰环夹紧它以实现密封;

　　全平面密封面:常与平焊型式配合以适用于操作条件比较缓和的 (PNg1.0)工况下;常用于铸 铁法兰或与铸铁连接的钢法兰;

　　凹凸面密封面:常与对焊和承插型式配合使用,在 美式法兰中不常采用,在 欧式法兰 中常 用在 PN4.0、 PN6.4MPa 等级中。但它不便于垫片的更换;

　　选择法兰连接用紧固件材料时,应同时考虑 管道操作压力、操作温度、介质种类和垫片类型 等因素。

　　垫片类型和操作压力、操作温度一样,都直接对紧固件材料强度提出了要求。例如,采用缠 绕式垫片密封的低压剧毒介质管道的法兰连接,尽管管道的操作压力和温度都不高,但因为 使缠绕式垫片形成初始密封时所需要的比压力较大, 从而要求紧固件的承受载荷也大, 因此, 在这种情况下就要求紧固件采用高强度合金钢材料。

　　合金钢螺柱均应采用高级优质钢 . 即材料牌号后均应加字母 A ,如 35CrMoA 、 25CrMoVA 根据结构型式的不同,螺栓可分为六角头螺栓和双头螺栓 (又称为螺柱 ) 两类,而双头螺栓又 分为通丝和非通丝两种。

　　六角头螺栓 :常与平焊法兰和非金属垫片配合用于操作较缓和的工况下。六角头螺栓常用材 料是 BL3或者是 Q235B ;

　　双头螺栓 :常与对焊法兰配合使用在操作条件比较苛刻的工况下,其中,因为通丝型双头螺 栓上没有截面形状的变化,故其承载能力强。而非通丝型双头螺栓则相对承载能力较弱。

　　螺母材料常根据与其配合的螺栓材料确定, 这些组合在一般的标准中都有规定。一般情况下, 螺母材料应稍低于螺栓材料,并保证螺母硬度比螺栓硬度低 HB30左右。

　　垫片是借助于螺栓的预紧载荷通过法兰进行压紧,使其发生弹塑性变形,填充法兰密封面与 垫片间的微观几何间隙,增加介质的流动阻力,从而达到阻止或减少介质的泄漏的目的。垫 片性能的好坏以及选用的合适与否对密封副的密封效果影响很大。

　　石棉橡胶垫片 ,它是通过向石棉中加入不同的添加剂压制而成。在美国,很多标准中都将石 棉制品列为致癌物质而禁用。但在世界范围内,石棉仍以其弹性好、强度高、耐油性好、耐 高温、易获得等优点而得到广泛应用。

　　特点:压缩回弹性好、强度高,有利于适应压力和温度的变化,能在高温、低温、冲击、振 动及交变载荷下保持良好的密封性能。

　　铁包式垫片:密封性能不如缠绕式垫片,故压力管道中用的不多,它常用在换热器封头等大 直径的法兰连接密封副上。

　　柔性石墨复合垫 由冲齿或冲孔金属芯板与膨胀石墨粒子复合而成。适用于突面、 凹凸面和榫 槽面法兰。

　　金属垫片常用在高压力等级法兰上,以承受比较高的密封比压。常用的金属垫片有平垫、八 角形垫和椭圆型垫三种。

　　八角形金属垫片和椭园形金属垫片 :常与环槽面法兰使用。与椭圆形金属垫片相比八角形金 属垫片容易加工,故其应用比较多。

　　金属垫片的材料应配合法兰材料选用,且要求垫片硬度比法兰密封面硬度低 (不少于 HB30) 。

　　如果不考虑法兰选用的温度 -压力问题,请写出该管道等级的最小压力级别,并写出两种 以上的法兰、垫片的组合形式。

　　是否有内漏或内漏的大小是衡量一个阀门质量的主要技术指标,对于压力管道来说,处理的 介质大都是可燃、易燃、易爆、有毒的介质,阀门关闭时,希望通过阀板的泄漏 (内漏 ) 越少 越好,甚至有些介质的泄漏要求为零。常用的评判阀门内漏的标准有 API598、 ANSI B16.104和 JB/T9092。

　　外漏是指通过阀杆填料和阀盖垫片处的介质外泄漏。它同样是衡量阀门好坏的一个重要指标。对有些介质,外漏的要求甚至比内漏要求更严格,因为它直接泄入大气,会直接引起事故造 成人身伤害。对于这种情况, 有时不得不采用波纹管密封阀或隔膜阀来保证阀门的外漏为零。限制外漏的标准目前大多数采用美国环保局的限定,即不超过 500ppm 。

　　材料质量是衡量阀门强度可靠性和使用寿命的一个重要指标。众所周知, 大多数 DN≥50的阀 门都是铸造阀体,如果质量不好, 会直接影响到阀门的可靠性和使用寿命。ASTM 和我国的 材料标准通常情况下的要求都是比较低的,为了保证在苛刻情况下材料能较好地适应操作条 件的要求,这些标准中都设置许多选择性附加检验项目,设计人员如何根据使用条件来选择 这些附加项目是一个技术性很强的问题,如果要求不当,会无意义的增加基建投资。

　　1) 阀门出厂前要根据 JB/T9092-1999《阀门的检验与验收》 进行壳体压力试验和密封试验。密封试验分上密封、低压密封和高压密封试验。

　　3) 壳体压力试验,一般采用温度不超过 52℃的水或粘度不大于水的非腐蚀性流体,以 38℃ 时 1.5倍的公称压力进行。

　　5) SH3064《石油化工钢制通用阀门选用、 检验及验收》 对不同等级的压力管道提出了相应的 检验要求,比 JB/T9092要求更严格。

　　国内现行的阀门型号表示方法,对阀杆及内件材料、填料种类、中法兰垫片种类、中法兰紧 固件材料种类等均无规定,不能全面说明阀门的属性。

　　阀门型式的选用是材料工程师的重点工作内容之一,也是难点之一,它要求材料工程师不仅 应对常用阀门的结构型式、性能特点、相关标准等比较熟悉,也应对应用环境和工程要求比 较熟悉。

　　结构特点 :. 闸阀的闸板由阀杆带动,沿阀座密封面作升降运动,可接通或截断流体的通 路,它主要用于管道的关断。

　　2) 当部分开启时,介质会在闸板背面产生涡流,易引起闸板的冲蚀和振动,阀座的密封面也 易损坏,故一般不作为节流用;

　　3) 与球阀和堞阀相比,闸阀开启时间较长,结构尺寸较大,不宜用在直径较大的情况。阀门标准 :API 和 ANSI B16.34,前者专用于石油化工装置,后者则使用面比较广。GB12232,它与管道的连接可以是螺纹、承插焊、法兰或对焊连接。

　　b. 截止阀、节流阀 :对要求有一定调节作用的开关场合 (如调节阀旁路、软管站等 ) 和输送液化 石油气、液态烃介质的场合,宜选用截止阀以代替闸阀。

　　结构特点 :都是向下闭合式阀门,阀瓣由阀杆带动,沿阀座中心线做升降运动的阀门。截止 阀和节流阀结构基本相同,只是阀瓣形状不同。截止阀的阀瓣为盘形;节流阀的阀瓣多为圆 锥流线型。

　　结构特点 :止回阀又称单向阀,它只允许介质向一个方向流动,当介质顺流时阀瓣会自动开 启,当介质反向流动时能自动关闭。安装时,应注意介质的流动方向应与止回阀上的箭头方 向一致。

　　升降式止回阀 :是靠介质压力将阀门打开,当介质逆向流动时,靠自重关闭 (有时是借助于弹 簧关闭 ) ,因此升降式止回阀只能安装在水平管道上;受安装要求的限制,常用于小直径场合 DN≤40。

　　旋启式止回阀 :是靠介质压力将阀门打开,靠介质压力和重力将阀门关闭,因此它即可以用 在水平管道上,又可用在垂直管道上 (此时介质必须是自下而上 ) 。(DN≥50)

　　结构特点 :具有 900旋转快速开启关闭的特点,重量轻,结构尺寸小 (尤其是对夹式蝶阀 ) 等优 点。但密封性能不如闸阀可靠,在某些条件下可以代替闸阀

　　结构特点 :阀瓣为一中间有通道的球体,球体绕自身轴线旋转,达到启闭目的。球阀 的最大特点是在众多的阀门类型中其流体阻力最小,流动特性最好。其密封性能较可靠。与 蝶阀相比,它的重量较大,结构尺寸也比较大,故不宜用于直径太大的管道。

　　◆※与蝶阀一样,长期影响它不能在石化生产装置上应用的问题是热胀或磨损后会造成密封 不严的题。软密封球阀虽有较好的密封性能,但当它用于易燃、易爆介质管道上时,尚须经 受火灾安全试验和防静电试验。因此,石化生产装置上球阀应用的也不多,近年来,许多球 阀生产厂开发出了一些新型结构的球阀,如 :轨道球阀、偏心球阀等,一些球阀将阀座设置成 金属弹性阀座,使其在热胀和磨损的情况下仍有良好的密封。因此,这些球阀也在石化生产 装置上开始应用。