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文檔簡介
壓力容器壓力管道材料設(shè)計基礎(chǔ)
-、壓力容器設(shè)計類別、級別的劃分:
(-)A類:
1、A1級系指超高壓容器、高壓容器(結(jié)構(gòu)形式主要包括單層、無縫、鍛焊、多層包扎、
繞帶、熱套、繞板等);
2、A2級系指第三類低、中壓容器;
3、A3級系指球形儲罐;
4、A4級系指非金屬壓力容器。
(二)C類:
1、C1級系指鐵路罐車;
2、C2級系指汽車罐車或長管拖車;
3、C3級系指罐式集裝箱。
(三)D類:
1、D1級系指第一類壓力容器;
2、D2級系指第二類低、中壓容器。
(四)SAD類系指壓力容器分析設(shè)計。
二、壓力管道設(shè)計類別、級別的劃分:
(-)長輸管道為GA類,級別劃分為:
1、符合下列條件之一的長輸管道為GA1級:
(1)輸送有毒、可燃、易爆氣體介質(zhì),設(shè)計壓力P〉1.6Mpa的管道;
(2)輸送有毒、可燃、易爆液體介質(zhì),輸送距離(指產(chǎn)地、儲存庫、用戶間的用于輸送商
品介質(zhì)管道的直接距離)2200km且管道公稱直徑DN2300mm的管道;
(3)輸送槳體介質(zhì),輸送距離250km且管道公稱直徑DN2150mm的管道;
2、符合下列條件之的長輸管道為GA2級:
(1)輸送有毒、可燃、易爆氣體介質(zhì),設(shè)計壓力PH.6Mpa的管道;
(2)GA1(2)范圍以外的管道;
(3)GA1(3)范圍以外的管道。
(二)公用管道為GB類,級別劃分為:
1、GB1:燃氣管道;
2、GB2:熱力管道。
(三)工業(yè)管道為GC類,級別劃分為:
1、符合下列條件之的工業(yè)管道為GC1級:
(1)輸送GB5044《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》中,毒性程度為極度危害介質(zhì)的管道;
(2)輸送GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》及GBJ16《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中規(guī)
定的火災危險性為甲、乙類可燃氣體或甲類可燃液體介質(zhì)且設(shè)計壓力P“.0MPa的管道;
(3)輸送可燃流體介質(zhì)、有毒流體介質(zhì),設(shè)計壓力PN4.0MPa且設(shè)計溫度大于等于400℃
的管道;
(4)輸送流體介質(zhì)且設(shè)計壓力P>10.0Mpa的管道。
2、符合下列條件之的工業(yè)管道為GC2級:
(1)輸送GB50160《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》及GBJ16《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中規(guī)
定的火災危險性為甲、乙類可燃氣體或甲類可燃液體介質(zhì)且設(shè)計壓力P<4.0Mpa的管道;
(2)輸送可燃流體介質(zhì)、有毒流體介質(zhì),設(shè)計壓力P<4.0Mpa且設(shè)計溫度大于等于400c
的管道;
(3)輸送非可燃流體介質(zhì),設(shè)計壓力P<10.0Mpa且設(shè)計溫度<400"C的管道。
三.壓力容器材料
(一)選材的基本原則
選擇壓力容器用材,須根據(jù)容器的使用條件(如溫度、壓力、介質(zhì)腐蝕
性、介質(zhì)對材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等)、制造工藝、
材料的焊接性能及經(jīng)濟合理性選擇具有適宜的機械性能、耐腐蝕性能、物
理性能等的材料。注意在同一工程中應盡量注意用材統(tǒng)一,具體的選材過程
中必須仔細考慮如下因素:
(二)材料的基本性能
1.機械性能
金屬的機械性能是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性,如強度、彈性、
硬度、韌性及塑性等。也可稱為“力學性能”。金屬材料就是用其在為同受力條件
下所表現(xiàn)出來的不同特性指標,來衡量金屬材料的機械性能。
(1)機械強度強度是材料抵抗外力作用不致破壞的性能特性。常用
的特性指標有屈服極限(a's)和強度極限(為)。數(shù)值由拉伸試驗獲得。高溫
時還要考慮蠕變極限(。%)和持久極限(6D)。
壓力容器用材要求材料不僅具有高的屈服極限,而且具有一定的屈強比(//③)。
屈強比反映了材料承受外載能力的能力,屈強比愈小,結(jié)構(gòu)零件的可靠性愈高,
萬一超載,由于塑性變形的產(chǎn)生而使金屬材料的強度提高而不致立刻破壞。壓力
容器用材的屈強比一般為0.6~0.7。碳素鋼的屈強比一般為0.6左右,低合金高
強度鋼為0.65-0.75,合金結(jié)構(gòu)鋼為0.85
(2)塑性材料的塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能
力。材料的塑性是用延伸率(6)及斷面收縮率(牛)來表示。它們的數(shù)值由拉
伸試驗獲得。一般情況下,塑性材料的延伸率和斷面收縮率較大,而脆性材料
則較小。金屬材料的塑性指標在壓力容器設(shè)計具有重要的意義。首先,塑性良好
的材料可以順利地進行某些成型工藝,如冷沖壓、冷彎曲等。其次,良好的塑性
使零件在使用時萬一超載,也能由于塑性變形使用權(quán)材料強度提高而避免突然襲
擊斷裂。壓力容器的主要零部件都是承壓的,無論從制造工藝的要求不是從使用
安全的要求,都希望金屬材料具有良好的塑性。一般碳鋼、碳鎰鋼嵌16%,其它
合金鋼6>14%o
(3)硬度所謂硬度是指金屬材料抵抗壓入物壓陷能力的大小,也可以說是
材料對局部塑性的抗力。硬度可采用不同的方法在不同的儀器上測定,其所得的
硬度指標也各不相同。最常用的硬度指標為布氏硬度(HB)、洛項度(HRC)、
和維氏硬度(HV),其數(shù)值可以互相換算。硬度是金屬材料的重要性能之一。
一般情況下,材料的硬度高,其耐磨性也較好。材料的硬度與強度之間也有一定
的關(guān)系(因為硬度是反映材料局部塑性變形的抗力),根據(jù)經(jīng)驗,硬度與抗拉強
度有如下近似關(guān)系:
軋制、正火或退火的低碳鋼ob=0.36HB;
軋制、正火或退火的中碳鋼ob=0.35HB;
硬度HB<250經(jīng)熱處理的合金鋼ob=0.34HB;
硬度HB250-400,經(jīng)熱處理的合金鋼Ob=0.33HB;
由于測定硬度方便,在生產(chǎn)中常用測定硬度的方法來估算鋼材的強度。
對焊接接頭,也常用測定熱影響區(qū)硬度的方法來確定其淬硬程度。
換熱管與管板的連接采用脹接時,換熱管材料的硬度值一般須低于管板材料的硬
度值。螺栓和螺母匹配使用,一般螺栓材料的硬度值須高于螺母3OHB。
(4)韌性韌性是指材料抵抗沖擊載荷的性能指標,材料韌性用沖擊功AKV來
衡量,沖擊功AKV是指材料受到?jīng)_擊負荷的作用下,產(chǎn)生斷裂時所消耗能量大小
的特性,即沖擊試樣所消耗的功,其單位為Jo由于沖擊功AKV是金屬材料各
項機械性能標中對材料的化學成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)及內(nèi)部缺陷等比較敏感
的一個質(zhì)量指標,而且也是衡量材料脆性轉(zhuǎn)變和斷裂特性的重要指標,所以對壓
力容器用鋼來說,尤其是低溫壓力容器沖擊功是一項重要的性能指標。
(5)溫度對材料機械性能的影響材料的屈服極限、強度極限和彈性模量隨溫
度的升高而降低。如果設(shè)備的操作溫度較高,則必須選用在相應溫度下能保持其
強度指標的材料。
216
177
137
700
(
600100/
9O
SO三
5007O(.
6O5
4005O
40*0
200
100
溫度/P
如果材料在高溫下承受高的應力,則材料的抗蠕變性能是關(guān)鍵性的。材料蠕
變極限指在某一溫度下受恒定載荷作用時,在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)(10萬小時)產(chǎn)生
1%的變形時的應力;持久極限是材料在某一溫度下受恒定載荷作用時,在規(guī)定
的持續(xù)時間內(nèi)(10萬小時)引起斷裂時的應力.在實際試驗中,常常用較短時間
的試驗結(jié)果來外推長時間的性能,但一般限制外推時間不得大于試驗時間的10
倍。持久強度是高溫元件設(shè)計選材的重要依據(jù),是GB150中確定許用應力的
強度指標之?.低溫情況下,通常塑性金屬材料往往以脆性方式破壞。引起鋼
制焊接壓力容器脆性破壞的因素非常復雜。它取決于材料的晶格結(jié)構(gòu),板材的厚
度,加工后的殘余應力、結(jié)構(gòu)缺陷以及材料的使用溫度。
目前各國標準規(guī)范均以夏比v型缺口沖擊試驗來檢驗材料對脆性破壞的敏
感性。
2.耐腐蝕性能
耐腐蝕性能是金屬材料抵抗介質(zhì)腐蝕的能力。壓力容器中處理的介質(zhì)大多數(shù)具有
腐蝕性的,在設(shè)計中必須根據(jù)操作介質(zhì)來選擇耐腐蝕材料。引起材料腐蝕的因
素多種多樣,工程中常將常見的腐蝕情況分為:均勻腐蝕、點蝕、應力腐蝕、晶
間腐蝕、氫脆、磨蝕等。
(1)均勻腐蝕
均勻腐蝕是在整個金屬表面均勻地發(fā)生腐蝕,這種腐蝕相對其它形式的腐蝕其
危害最小。GB150中C2只考慮均勻腐蝕C2=KB
其中B—設(shè)計壽命(年)K—腐蝕速率(mm/年)一般分為
不腐蝕輕微腐蝕腐蝕重腐蝕
Bmm/年<0.050.05-0.130.13-0.25>0.25
C2mm0>1>2>3
(2)應力腐蝕
應力腐蝕是指金屬在持久拉應力和腐蝕性環(huán)境聯(lián)合作用下產(chǎn)生腐蝕裂紋,并使裂
紋迅速擴展,從而可能出現(xiàn)的早期性破壞的腐蝕形式.
幾種常見的應力腐蝕環(huán)境:
a.碳鋼及低合金鋼焊制化工容器對介質(zhì)NaOH的應力腐蝕與介質(zhì)濃度、溫度
有關(guān)。當NaOH溶液在其與燒類的混合物中體積大于等于5%時,也應根據(jù)
NaOH溶液的濃度符合該要求。NaOH溶液濃度小于等于1%或NaOH溶液
在其與煌類的混合物中體積小于5%時,不受此限制。
NaOH溶液
NaOH溶液
2351015203040506070
重量%
溫度上限(℃)9088857670655448434038
當超過以上范圍的碳鋼、低合金鋼材料需焊后進行消除應力熱處理。
b.濕H2s應力腐蝕
介質(zhì)同時符合下列條件時,即為濕H2S應力腐蝕環(huán)境:
①溫度小于等于(60+2P)℃;
P為壓力,MPa
②H2s分壓大于等于0.00035MPa即相當于常溫在水中H2S溶解度大于等
于10p.p.m;
③介質(zhì)中含有液相水或處于水的露點溫度以下;
④PHV9或有氟化物(HCN)存在。
C.液氨應力腐蝕環(huán)境
當容器接觸的液氨介質(zhì)同時符合下列各項條件時,即為液氨應力腐蝕環(huán)境:
①介質(zhì)為液態(tài)氨,含水量不高(40.2%),且有可能受空氣(。2或CO#污染的場
合;
②使用溫度高于一5℃。
對于應力腐蝕環(huán)境的容器除進行焊后消除應力熱處理,在焊接要求、焊接接
頭硬度等方面都要提出具體要求。
奧氏體不銹鋼材料在氯化物溶液、高溫水、高濃度NaOH等介質(zhì)往往產(chǎn)生
應力腐蝕。
(3)氫腐蝕環(huán)境
氫在常溫常壓下不會對鐵碳合金引起氫蝕,當溫度在200℃~300℃發(fā)生“氫脆”,
金屬在高溫下與氫反應生成甲烷,甲烷氣在晶界空隙內(nèi)引起裂紋,使材料的塑性
降低,引起這種腐蝕有合成氨、合成甲醇、石油加氫等工業(yè)生產(chǎn),設(shè)計溫度大于
等于200℃與氫氣氛相接觸的壓力容器用鋼應按納爾遜曲線選材,并應留有2
以上的溫度安全裕度。滿足于曲線的碳素鋼和珠光體耐熱鋼在氫氣氛中使用
須經(jīng)過焊后消除應力熱處理。
奧氏體不銹鋼在氫分壓范圍的氫氣中使用都是滿意的,焊后也無必要進行消
除應力熱處理。
(4)晶間腐蝕
可能引起晶間腐蝕環(huán)境必須是存在電解質(zhì)的電化學腐蝕環(huán)境,奧氏體不銹鋼
晶間腐蝕的電解質(zhì)主要是酸性介質(zhì)。如:工業(yè)醋酸、甲酸、硝酸、草酸、鹽酸、
硫酸、磷酸等。防晶間腐蝕的措施:1)固熔化處理2)降低鋼中碳含量3)添
加穩(wěn)定碳化物的元素(Nb.Ti.Ni)
3.材料的物理性能
材料的主要物理性能包括:密度P、導熱系數(shù)入、比熱C、熔點端、線膨脹系
數(shù)a等。在不同的使用場合,對材料的物理性能有不同的要求,如用于傳熱表面
的材料要求有較高的導熱系數(shù)。
4.制造工藝性能
材料的工藝性能,選擇不合適,會造成加工困難。壓力容器應考慮的制造工藝性
能有焊接性、鍛造性、切削加工性、熱處理性及沖壓性等。對壓力容器來說重要
的是材料的焊接性,一般控制材料的含碳量小于0.25%o材料的含碳量越高,熱
影響區(qū)的硬化與脆化傾向越大,在焊接應力作用下容易產(chǎn)生裂紋。
奧氏體不銹鋼的使用溫度高于525℃時,鋼中含碳量應不小于0.04%o因為奧
氏體不銹鋼的使用溫度500~550℃時,鋼中含碳量太低,強度和抗氧化性會顯
著下降。
(三)壓力容器用鋼
1.鋼板
(1)碳鋼
壓力容器常用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼,包括普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。
a.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)要求,按《碳素結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定。質(zhì)量
分A、B、C、D四級,以脫氧方法不同又分沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜
鋼,是鋼液在澆注前經(jīng)過完全脫氧,凝固時不沸騰,故稱鎮(zhèn)靜鋼。這種鋼錠內(nèi)無
氣泡,鋼材質(zhì)量較高。鋼牌號由代表屈服強度的字母,屈服強度值,質(zhì)量等級符
號等部分組成,如:
Q215-AQ215-BQ235-AQ235-BQ235-CQ235-DQ255-A255-B鋼板適用范圍
GB700-88P(MPa)T(℃)8(mm)介質(zhì)限制
Q253-B(做常不得用于毒性為高
溫沖擊試驗)<1.60-350<20度、極速危險介質(zhì)
Q253-B(做0℃
沖擊試驗)<2.50-350W30
Q235-D(做3
0℃沖擊試驗)
沸騰鋼,是在鋼的冶煉過程中加入弱脫氧劑(錦鐵)脫氧,因此在鋼液中還
保留相當數(shù)量的FeO,在澆注與凝固時,由于碳和FeO反應,鋼液中不斷析
出CO,產(chǎn)生沸騰,故稱為沸騰鋼,如牌號Q235-AF這種鋼錠成材率高,但在
鋼錠內(nèi)有許多小氣泡(該氣泡在鍛軋時能排除),且偏析較嚴重,因此,不能確
保容器安全運行,避免和減少事故的發(fā)生,在各國壓力容器設(shè)計規(guī)范中都對其使
用加以限制。
半鎮(zhèn)靜鋼介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間,用七”來代替“F”。
b.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼
優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與普通碳素結(jié)構(gòu)鋼相比:硫、磷含量較少,機械強度較高。按
GB699-88《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)技術(shù)條件》規(guī)定。
壓力容器用鋼與鍋爐用鋼類同,首先要求保證足夠的強度,還要有足夠的塑性,
質(zhì)地均勻等。因此,必須用雜質(zhì)和有害氣體容量較低的碳鎮(zhèn)靜鋼。對于專業(yè)用鋼
符號,只需在優(yōu)質(zhì)碳素鋼后面加字母“R”、“g”,如:20R、20go
(2)低合金鋼
低合金鋼是指鋼中合金元素總含量在2~5%以下的鋼種,與一般碳素鋼相比,它
的機械性能提高了,耐熱性、耐腐蝕性、耐磨性都有所提高。因此,它在壓力容
器制造業(yè)中得到廣泛的應用。壓力容器用低合金高強度的鋼的屈服強度范圍為
294~696MPa。
a.低合金鋼中最常用的有:16MnR,它不僅硫、磷含量控制較嚴,更重要的是要
求保證足夠的沖擊韌性,在鋼材驗收方面也比較嚴格。因此其使用壓力不受限制。
使用溫度下限可達-20℃,是目前應用極廣的好材料。
b.中溫抗氫鋼
氫在常溫壓下不會對鐵碳合金引起顯著的腐蝕,但當溫度為200~300℃,壓
力高于30MPa則將產(chǎn)生極強的腐蝕作用,發(fā)生所謂“氫脆”現(xiàn)象。這種腐蝕常常
是合成氫、合成甲醇、石油加氫等工業(yè)中設(shè)備破壞的主要原因。它們都在高溫高
壓氫的環(huán)境中工作,會發(fā)生氫腐蝕破壞,氫滲入鋼中與鋼中滲碳體發(fā)生以應生成
甲烷,使?jié)B碳體脫碳變?yōu)殍F素體。甲烷氣集積于晶界的微空隙內(nèi),形成局部高度
應力集中而引起裂紋甚至鼓泡,滲碳體還原為鐵素體時體積縮小約7%,由此產(chǎn)
生組織間的應力,更促進裂紋發(fā)展,這時裂紋的擴展又給氫與碳的結(jié)合提供了條
件,使鋼完全脫碳而產(chǎn)生裂紋,這就是氫腐蝕的實質(zhì)。它既可能發(fā)生在金屬表面
也可發(fā)生在金屬內(nèi)部。因此,它是一種十分危險的晶間型破壞。
防止氫腐蝕的途徑有:一是降低降低鋼中碳的含量,例如采用微碳純鐵,
可以完全消除氫腐蝕產(chǎn)生的根源;二是采用抗氫鋼,在鋼中加入鉗、銘、鴇、鈍、
鈦等元素,形成穩(wěn)定的鋁、鉗等碳化物,使氫與碳不能結(jié)合。我國生產(chǎn)的中溫抗
氫鋼有:15CrMoR、14Cr1MoR等。
c.低溫用鋼
壓力容器的破壞通常都有是由于內(nèi)壓產(chǎn)生的機械應力達到容器材料的強度極
限而發(fā)生的。但是,當溫度降低到某一范圍后,容器壁內(nèi)的應力在沒有達到屈服
限,甚至低于許用應力的情況下也會發(fā)生破壞。相同的材料,相同規(guī)格的容器溫
度愈低,容器的爆破壓力也愈低。這種現(xiàn)象稱為低應力脆性破壞。
產(chǎn)生容器低應力破壞的主要原因之一是由于鋼材在低溫下的沖擊功值明顯
下降,因此,低溫用鋼的質(zhì)量在很大程度上取決于在使用溫度下沖擊功的大小。
低溫容器受壓元件用鋼必須是鎮(zhèn)靜鋼,碳素鋼和低合金鋼板使用溫度低于或
等于-20℃時,其使用狀態(tài)及最低沖擊試驗溫度應符合GB150中4.2.8節(jié)表
4-2的要求。
在低溫容器中的受壓元件均必須進行低溫夏比(V型缺口)沖擊試驗,鋼
材應按批進行沖擊試驗復驗。
(3)高合金鋼
高合金鋼的合金元素總含量大于10%,其中奧氏體不銹鋼在常溫和低溫下
有很高的塑性和韌性,不具磁性。由于這種鋼是單相的奧氏體組織,在許多介質(zhì)
中有很高的耐蝕性。其中銘是不銹耐酸鋼抗氧化性耐蝕性的基本元素,合金中含
碳量的增加將降低耐蝕性能,所以該含碳量0.08~、0.12%左右為高碳級不銹鋼,
鋼號前以T表示。含碳量0.03vC<0.08%為低碳級不銹鋼,鋼號前以“O”表示。
含碳量40.03%為超低碳級不銹鋼,鋼號前以“00”表示。
奧氏體銘銀不銹鋼壓力容器在加工和使用過程中,在400~450℃下重復加
熱,并且持續(xù)時間較長時,就會產(chǎn)生晶間腐蝕而破壞。通常把上述溫度稱為危險
溫度。因此,在不銹鋼焊接過程中,其焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生晶間腐蝕危險特別大,
這是由于在焊接后的冷卻過程中,要通過危險溫度的緣故。為此在不銹鋼件焊接
時,要求各連接件同時達到熔點。這對等厚板容易保證,而當兩連接件相差較多
時,就要注意將厚板削??;容器殼體上的縱焊縫不允許與環(huán)焊縫十字交叉,必須
將兩條焊縫拉開一段距離該距離應大于名義厚度的三倍,且不小于100mm。
不銹鋼的導熱系數(shù)人是碳鋼的1/3J/4,而它的線膨脹系數(shù)a卻是碳鋼
的1.5倍。因此,在焊接時必須注意,否則會引起很大的殘余應力。
壓力容器常用的此類板材的鋼號有:0Cr18Ni9、
0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2;
2.鋼管
選用鋼管應根據(jù)容器的具體設(shè)計條件,盡量選用和容器相匹配的材料,和容器
一樣注意碳素鋼、碳鎰鋼在高于425℃溫度下長期使用,鋼中碳化物相的石墨
化傾向,奧氏體不銹鋼在特定條件下的晶間腐蝕傾向?qū)τ谳^高壓力的接管或以
增加壁厚作為開孔補強時,根據(jù)需要選用標準中壁厚較大的無縫鋼管。
換熱管用鋼管使用還應符合GB151的規(guī)定。
3.鍛件
鍛件按使用要求分為I、II、III、IV四個級別,每個級別的檢驗要求及指標
要求按JB4726~4728-94規(guī)定。用作圓筒和封頭的筒形和碗形鍛件及公稱厚度
大于300mm的低合金鋼鍛件應選用III級或IV級。
a)筒形鍛件(L>D),t為公稱厚度
b)環(huán)形鍛件(L4D),L和t中的小者為公稱厚度
c)餅形鍛件(t?D),t為公稱厚度
d)碗形鍛件(H4D),t1和t2中的小者為公稱厚度
e)長頸法蘭鍛件(H4D)t1和t2中的小者為公稱厚度
f)條形鍛件(L>D),D為公稱厚度
鍛件的級別由設(shè)計單位確定,并應在圖樣上注明,如16MnRIk
4.緊固件
緊固件的使用溫度范圍應符合GB150表4-10,螺栓的硬度應比螺母稍高(HB3
0),可通過選用不同鋼材或不同熱處理而獲得。
5.焊接材
鋼制壓力容器的溶化焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動焊、等離子弧焊、氣體保
護焊和電渣焊。焊接方法在條件允許的條件下首先選用自動焊。手工焊焊條是
由焊條芯和藥皮兩部分組成。焊條芯起導電和填充焊縫金屬的作用,它的化學成
分和非金屬夾雜物的多少將直接影響焊縫質(zhì)量。藥皮則用于保證焊接順利進行并
使焊縫。一定的化學成分和機械性能,是決定焊縫金屬質(zhì)量的主要因素之一。焊
條藥皮類型較多,但大致可分為酸性焊條和堿性焊條兩大類。藥皮中不采用強堿
性氧化物而熔渣中含有較多強酸性氧化物的鈦型、鈦鈣型、鈦鐵礦型、氧化鐵
型以及錦型等類焊條稱為酸性焊條。而不含鐵或錦等氧化物的低氫型焊條稱為堿
性焊條。采用堿性焊條焊接時,大理石分解成CaO和大量的二氧化碳作為保護
氣體,與酸性焊條相比較,保護氣體中氫很少,因此又稱為低氫焊條。酸性焊條
由于氧化性強,對合金元素損量大,脫氫、脫硫、脫磷能力弱,故其焊縫的綜合
機械性能較差,尤其塑性、韌性低,抗裂性差;但對鐵銹、油污的敏感性小,不
易產(chǎn)生氣孔。堿性焊條則與此正相反,故對焊接二類、三類容器不宜用酸性焊條,
應選用低氫堿性焊條。對焊后需熱處理的容器還要求焊條含鈕量不得大于0.0
5%o焊材選用相同鋼號相焊,碳素鋼、碳鎰低合金鋼的焊縫金屬應保證力
學性能,且不應超過母材標準規(guī)定的抗拉強度的上限。高合金鋼的焊縫金屬應保
證力學和耐腐蝕性能。不同鋼號相焊,碳素鋼、低合金鋼的焊縫金屬應保證力
學,一般采用與強度級別較低的母材相匹配的焊接材料碳素鋼、低合金鋼與奧
氏體高合金鋼的焊縫金屬應保證抗裂性能和力學性能,一般采用銘鍥含量較奧氏
體高合金鋼母材高的焊接材料。
四、壓力管道材料
1、材料選用的基本原則
受壓元件(螺栓除外)用材料應有足夠的強度、塑性和韌性,在最低使用溫度下應
具備足夠的抗脆斷能力。當采用延伸率低于14%的脆性材料時,應采取必要
的安全防護措施。選用的材料應具有足夠的穩(wěn)定性,包括化學性能、物理性能、
耐蝕和耐磨性能、抗疲勞性能和組織穩(wěn)定性等。選用材料時,應考慮材料在可能
發(fā)生的明火、火災和滅火條件下的適用性以及由此而帶來材料性能變化和次生危
害。選用的材料應適合相應的制造、制作和安裝,包括焊接、冷熱加以及熱處理
等方面的要求。當幾種不同的材料組合使用時,應考慮可能產(chǎn)生的不利影響。材
料應具備可獲得性和經(jīng)濟性。
2、材料的使用限制
1)球墨鑄鐵、灰鑄鐵和可鍛鑄鐵
——球墨鑄鐵用于受壓管道組成件時,使用溫度應大于一20℃且不大于35
0℃,但球墨鑄鐵不得用于GCI級管道。
——灰鑄鐵管道組成件的設(shè)計溫度應不小于一10℃且不大于230C,設(shè)計壓力
應不大于2.0MPa;
——可鍛鑄鐵管道組成件的設(shè)計溫度應大于一20℃且不大于300℃,設(shè)計壓力
應不大于2.0MPa:
——灰鑄鐵和可鍛鑄鐵管道組成件用于可燃介質(zhì)時,其設(shè)計溫度應不大于15
0℃,設(shè)計壓力應不大于1.0MPa;
——應采取防止過熱、急冷急熱、振動以及誤操作等安全防護措施;
——制造、制作、安裝過程中不得焊接;
——不得用于GCI級管道或劇烈循環(huán)工況。
2)結(jié)構(gòu)鋼
碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的使用限制應符合下列規(guī)定:
a)不得用于GC1級管道組成件;
選用Q215A、Q235A等A級鎮(zhèn)靜鋼時,設(shè)計壓力應不大于1.6MPa,設(shè)計
溫度應不大于350℃且不小于圖1曲線A(或表5)所示溫度,介質(zhì)限于非可燃
及非有毒流體;
選用Q215B、Q235B等B級鎮(zhèn)靜鋼時,設(shè)計壓力應不大于3.0MPa,設(shè)計
溫度應不大于350℃且不小于圖1曲線A(或表5)所示溫度;
對于焊接的管道組成件,含碳量不得大于0.30%。選用沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼時,
厚度應不大于12mm;選用A級鎮(zhèn)靜鋼時,厚度應不大于16mm:選用B級
鎮(zhèn)靜鋼時,厚度應不大于20mm。
3)管子和管件
碳鋼、奧氏體不銹鋼鋼管及其對焊管件應符合表1的規(guī)定。
在劇烈循環(huán)工況下選用鋼管、有色金屬管和對焊管件時,應符合下列規(guī)定:
a)應采用附錄A中表A.1所列無縫管、縱向焊接接頭系數(shù)大于或等于0.90
的焊管和板焊管,不得選用電阻焊(ERW)焊管以及未經(jīng)射線照相檢測的電熔焊(E
FW)焊管;
b)應采用無縫管件、縱向焊接接頭系數(shù)不小于0.90的板制對焊管件和質(zhì)量系數(shù)
①C。不小于0.90的鑄件。
4)碳鋼和銘鋁合金鋼
a)用于焊接的碳鋼、鋁鉗合金鋼,含碳量應不大于0.30%;
b)對于L290(GB/T9711.1-1997)和更高強度等級的高屈強比材料,不宜用
于設(shè)計溫度大于200C的高溫管道;
5)奧氏體不銹鋼
a)低碳(C<0.08%)非穩(wěn)定化不銹鋼(如0Crl8Ni9>0Cr17Ni12Mo2)在非固
溶狀態(tài)下(包括固溶后經(jīng)熱加工或焊接)不得用于可能發(fā)生晶間腐蝕的環(huán)境;
b)超低碳不銹鋼不宜在425℃以上長期使用。
6)鋁及鋁合金I
對于21CT-IMB鋼,當使用溫度大于455r時■,焊縫金屬的含麋St應大于
當選用材料的供貨狀態(tài)或厚度與附錄A中表A.1相同牌號的狀態(tài)或厚度不一致
時,其最低抗拉強度和屈服強度不得低于表A.1的規(guī)定。
7)低熔點金屬
鉛、鋅等低熔點金屬及其合金不得用于輸送可燃介質(zhì)的管道。
3、高溫條件下的材料使用限制
材料使用溫度上限,附錄A中表A.1及表A.2規(guī)定了一般情況下材料的使用
溫度上限;確定材料使用溫度上限應考慮腐蝕性介質(zhì)的影響。
1)高溫材料的選用原則:
a)高溫條件下長期使用的材料?,應考慮因組織或性能變化對材料使用可靠性的
影響;
b)蠕變溫度以上長期使用的材料,應考慮因蠕變引起的過度變形、過大位移、
材料組織和性能的劣化以及螺栓的應力松弛;
c)高溫條件下使用的材料,應考慮因化學腐蝕引起材料失效;
d)通過熱處理強化的材料?,如果長期在接近或高于回火溫度下使用,應考慮材
料強度降低的因素。
2)高溫條件下碳鋼及銘鋁合金鋼的使用
a)鑒于碳化物有轉(zhuǎn)化為石墨的可能,碳鋼、碳鎰鋼、低溫用銀鋼不宜在425℃
以上的溫度下長期使用,碳鋁鋼不宜在470℃以上的溫度下長期使用;
b)鑒于可能產(chǎn)生回火脆性,銘鋁合金鋼長期在400℃-550℃溫度下使用時,
應根據(jù)使用經(jīng)驗和具體工況采取適當?shù)姆雷o措施。
3)高溫條件下不銹鋼的使用
a)鑒于材料脆性,鐵素體不銹鋼及馬氏體不銹鋼不宜在370℃以上的溫度使
用;
b)鑒于輅銀奧氏體不銹鋼在540℃-900℃溫度下長期使用時可能產(chǎn)生。相脆
化,使用時應控制奧氏體鋼中的鐵素體含量及過度冷變形;
c)鑒于475℃脆性和。相脆化,雙相不銹鋼不得在300℃以上的溫度使用;
d)鑒于鋁、睇、鈕、鎘、保、鉛、鎰、錫、鋅及其化合物在高溫(高于低熔點
金屬的熔點)下對奧氏體不銹鋼的晶間侵蝕,在350℃以上的溫度使用時,奧
氏體不銹鋼不得與上述低熔點金屬及其化合物接觸;在高溫條件下,附錄A表A.
1中的低碳級(C<0.08%)奧氏體不銹鋼還應滿足表2的附加要求,如不能滿
足表2的附加要求,其許用應力應按超低碳不銹鋼選取。低碳級奧氏體不銹鋼
高溫使用的附加要求
4)高溫條件下其他材料的使用
a)鈦及鈦合金不宜在300℃以上的溫度下使用;
b)鍥及鍥基合金的使用溫度上限按表3規(guī)定。
5)低溫條件下的材料使用限制
最低使用溫度及沖擊試驗免除
材料及其焊接接頭的沖擊試驗應按8.2的規(guī)定進行;
確定最低設(shè)計溫度時,應考慮流體節(jié)流效應及環(huán)境溫度的影響;
用于GC3級管道的碳鋼材料可免除沖擊試驗。
五、壓力管道及壓力容器用新材料
1、孔網(wǎng)鋼帶聚乙烯復合管是以冷軋鋼帶焊接的孔網(wǎng)管為增強骨架、復合熱塑性
塑料的復合管材。由于引入增強骨架,管材的耐熱強度顯著提高。工藝上,本產(chǎn)
品在鋼帶和聚乙烯之間引入粘合層,并在鋼帶焊縫時采用氨氣保護,防止高溫焊
接時鋼板熔融物氧化,徹底解決了復合管材的竄水難題,使復合管材性能更加優(yōu)
良。?具有較高的耐壓強度和抗蠕變性能,良好的環(huán)剛度和抗沖擊性,?低的線膨
脹系數(shù)和導熱系數(shù),?良好的抗腐性和耐磨性,?內(nèi)壁光潔,不結(jié)垢,水頭損失比
鋼管低30%o
1)給水管道系統(tǒng):給水用孔網(wǎng)鋼帶聚乙烯復合管道系統(tǒng)采用進口的PE80或P
E100等材料,按照CJ/T181-2003行業(yè)標準制造,具有良好的可焊接性、抗環(huán)
境應力開裂性和抗快速開裂性,其性能指標超過了純PE給水管的性能指標。按
50年使用壽命設(shè)計。衛(wèi)生性好,解決了飲用水二次污染問題,符合GB/T17219
-1998安全性評價規(guī)定。
2)燃氣管道系統(tǒng):燃氣用孔網(wǎng)鋼帶聚乙烯復合管道系統(tǒng)采用進口的PE80或P
E100兩種材料,按照CJ/T182-2003行業(yè)標準制造,具有良好的可焊接性、抗
環(huán)境應力開裂性和抗快速開裂性,其實用性能指標超過了純PE燃氣管。該產(chǎn)品
已經(jīng)獲得中華人民共和國特種設(shè)備制造許可證(壓力管道),證書編號為:TS2
710270-2009o按50年使用壽命設(shè)計??垢g性強。
3)熱水用孔網(wǎng)鋼帶耐熱聚乙烯(PE-RT)復合管
本產(chǎn)品是以冷軋沖孔鋼帶焊接的孔網(wǎng)管為增強骨架,耐熱聚乙烯(PE-RT)為主
體材料復合而成,由于引入了增強骨架和耐熱聚乙烯(PE-RT),管材的耐壓強
度與耐熱性能都得到顯著提高。使原本只能用于低溫(440℃)供水的復合管道
可用于熱水輸送和二級供熱采暖管道以及化工醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域中輸送一些高溫
介質(zhì)的管道。為保證在90℃溫度下復合管道產(chǎn)品質(zhì)量,開發(fā)出業(yè)界領(lǐng)先并受國
家專利技術(shù)保護的復合管道電熱熔內(nèi)套管,徹底解決了鋼塑復合壓力管道中復合
層的靜液壓穩(wěn)定性,提高管道的安全性與可靠性,延長了管道的使用壽命。
管件采用PE-RT電熔管件和鋼骨架增強PE-RT電熔管件。PE-RT電熔管件
在90度溫度下設(shè)計壓力為0.4MP,鋼骨架增強PE-RT電熔管件在90度的溫度
下設(shè)計壓力為1.0MP。
2、玻璃鋼管道(FRP管道)及玻璃鋼復合管道
程控機械纏繞生產(chǎn)各種規(guī)格系列玻璃鋼管道(FRP管道)及玻璃鋼復合管道
(如FRP/PVC復合管):0.6MPa,1.0MPa,1.6MPa等各類壓力及各種剛度等級玻璃
鋼給排水管,玻璃鋼工藝管,玻璃鋼夾砂管,玻璃鋼風管,玻璃鋼電纜保護套管,玻
璃鋼煙囪等玻璃鋼防腐管材產(chǎn)品。同時生產(chǎn)各種規(guī)格系列玻璃鋼法蘭、玻璃鋼彎
頭、玻璃鋼三通、玻璃鋼四通、玻璃鋼變徑管(玻璃鋼大小頭)等玻璃鋼管道配
件產(chǎn)品或玻璃鋼復合管道相應玻璃鋼復合管件。
玻璃鋼管道優(yōu)點:
a、輕質(zhì)高強
玻璃鋼管道的材料密度通常為1.8-2.0g/cm3,約為鋼材的1/4-1/5,環(huán)向抗拉
強度N300MPa,比強度比鋼材高。
b、耐化學腐蝕,使用壽命長
玻璃鋼管道具有優(yōu)異的耐化學腐蝕性能,在輸送腐蝕性介質(zhì)時,玻璃鋼顯示
出其他材料所無法比擬的優(yōu)越性,不同基體原材料可以耐多種酸、堿、鹽和有機
溶劑。
C、可設(shè)計性強
可以通過改變原材料的組合和內(nèi)襯層、結(jié)構(gòu)層、外表抗老化層等各層厚度結(jié)
構(gòu)及成型工藝從而調(diào)整玻璃鋼管道的物理化學性能,以適應不同介質(zhì)和工作條件
下的需要,達到各方面性能的最優(yōu)化。
d、節(jié)能環(huán)保
玻璃鋼管內(nèi)表面光滑,管內(nèi)絕對粗糙度只有0.008001,可提高液體輸送能
力20%以上,同等條件下可大幅節(jié)約能源,減少維護費用。
3、耐磨復合管
1)耐磨鋼塑復合管
為適應長距離、高壓力、高耐磨、抗粘附結(jié)垢等要求,開發(fā)生產(chǎn)①65mm-①800mm
多種規(guī)格的超高分子量聚乙烯鋼塑復合管、優(yōu)質(zhì)無縫鋼管復合管。以上幾種不同
類型復合管材內(nèi)襯超高分子量聚乙烯管,既充分利用了超高分子量聚乙烯具有的
優(yōu)異性能,同時通過復合增強達到適應高壓力、長距離野外輸送、防外力破壞等
作用,填補了國內(nèi)該類復合管道的空白,拓展了應用領(lǐng)域。
超高分子量聚乙烯復合管產(chǎn)品特性主要有:
(1)具有了超高分子量聚乙烯管的所有特性
由于輸送介質(zhì)和鋼管完全有效的隔離,只與超高分子量聚乙烯管層接觸,憑借
UHMW-PE的獨特分子結(jié)構(gòu),使其具有了超高分子量聚乙烯管的所有特性,如:
極高的耐磨特性、優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、良好的自潤滑性、對生物無毒性、獨特的
耐低溫性、表面非附著性等,大大延長管道的使用壽命。
(2)極高的耐沖擊性
超高分子量聚乙烯管本身就具有極高的耐沖擊性,其作為加強護層的鋼管能有效
防止內(nèi)襯管蠕變,更增加了其對抗沖擊、壓力、彎曲和強度的能力,具有更強的
承受力,比普通的工程塑料管道能承受更高的水壓,經(jīng)測試后能達到6.4Mpa,
且超高分子量聚乙烯復合管不怕磕碰,襯里不會破裂,特別適用于一些環(huán)境惡劣
的高壓輸送管路設(shè)備。
(3)保溫性好
由于超高分子量聚乙烯管導熱系數(shù)比鋼材小1000多倍,可大大降低管路輸送保
溫要求,其溫度性能在-50℃到80℃的環(huán)境下使用性能良好,這對于寒冷地帶流
體輸送具有重大意義。
(4)使用壽命長
該產(chǎn)品集兩種管材優(yōu)點和特點于一身,大大提高了使用壽命,目前是其它管材不
可比擬的高新技術(shù)產(chǎn)品。
(5)安裝簡便
該產(chǎn)品主要采用法蘭連接,易拆、易卸,安裝方便,管節(jié)連接處不加任何防腐密
封,減少了管路中的故障點,便于維修,大大降低了安裝和維修費用,提高經(jīng)濟
效益。
(6)可循環(huán)使用
鋼管僅需一次性投資,可將用過的舊鋼管修復后襯上超高分子量聚乙烯管層繼續(xù)
使用,每襯一次超高分子量聚乙烯管層相當于金屬管壽命的4-5倍。又進一步節(jié)
約了資金。
2)離心澆鑄復合管
離心澆鑄復合管是采用“自蔓燃高溫合成-高速離心技術(shù)”制造的復合管材,
在高溫高速下形成均勻、致密且表面光滑的陶瓷層及過渡層。因為制作工藝簡單,
成本較低,適合長距離輸送粉體采用,但是其耐磨性比耐磨陶瓷管道稍差,一般
用作直管。
3)貼片耐磨管道
貼片耐磨管道是用耐高溫強力粘膠將氧化鋁陶瓷片粘貼在管道內(nèi)壁,經(jīng)加溫固
化后形成牢固防磨層。該種產(chǎn)品制作工藝相對簡單,制作周期短,成本相對較低。
貼片耐磨陶瓷管道基本上不受管道大小限制,直徑從1寸到120寸,甚至更大
都可以生產(chǎn)。
4)一體成型耐磨管道
一體成型是將管件整體燒制后,用特制填充料將其澆筑在鋼管內(nèi)部組裝而成。
該管道內(nèi)壁光滑、密封性密封性好,具有良好的耐磨、耐腐蝕性能。但是該種產(chǎn)
品制作周期長、成本高。全稱陶瓷內(nèi)襯復合鋼管。
復合管因充分發(fā)揮了鋼管強度高、韌性好、耐沖擊、焊接性能好以及剛玉瓷高
硬度、高耐磨、耐蝕、耐熱性好,克服了鋼管硬度低、耐磨性差以及陶瓷韌性差
的特點。因此,復合管具有良好的耐磨、耐熱、耐蝕及抗機械沖擊與熱沖擊、可
焊性好等綜合性能。是輸送顆粒物料、磨削、腐蝕性介質(zhì)等理想的耐磨、耐蝕管
道。
由于該管具有耐磨、耐蝕、耐熱性能,因此可廣泛應用于電力、冶金、礦山、
煤炭、化工等行業(yè)作為輸送砂、石、煤粉、灰渣、鋁液等磨削性顆粒物料和腐蝕
性介質(zhì),是一種理想的耐磨蝕管道。
(-)耐磨陶瓷復合管制作工藝
剛玉陶瓷耐磨管是采用高技術(shù)生產(chǎn)工藝-自蔓燃高溫離合合成法制造。該管從
內(nèi)到外分別由剛玉陶瓷、過渡層、鋼三層組成,陶瓷層是在2200℃以上高溫形
成致密剛玉瓷(AL2O3),通過過渡層同
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