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不同工況條件下壓力管道金屬材料選用

來源: 瀏覽次數:4119次 更新日期:2007-05-05

    壓力管道涉及各行各業,對壓力管道的基本要求是“安全與使用”,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。而材料是壓力管道工程的基礎,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,由于處在不同的環境、溫度和介質下工作,還承受著特殊的考驗。

一、管道金屬材料在低溫下的性能變化

    當環境溫度低于該材料的臨界溫度時,材料沖擊韌性會急劇降低,這一臨界溫度稱為材料的脆性轉變溫度。常用低溫沖擊韌性(沖擊功)來衡量材料的低溫韌性,在低溫下工作的管道,必須注意其低溫沖擊韌性。

二、管道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。鋼材蠕變特征與溫度和應力有很大關系。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于試驗溫度鋼材的屈服強度。因此,對于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,碳鋼中的滲碳體由于獲得能量將發生遷移和聚集,形成晶粒粗大的滲碳體并夾雜于鐵素體中,其滲碳體會從片狀逐漸轉變成球狀,稱為球化。
    由于石墨強度極低,并以片狀出現,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,在大于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,最后導致破裂。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。碳鋼處于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。

三、管道在腐蝕環境下的性能變化

    石油、化工等行業的管道介質,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。

引起管道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,并伴隨氫脆發生,對不銹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,如采用碳鋼襯塑復合管材。
  2. 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)不銹鋼材料是抗環烷酸腐蝕的有效材料,常用于高溫環烷酸腐蝕環境。
  3. 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,事后經磁粉探傷,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。
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