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浅谈管道材料的选用.doc

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wumusenlin 2012-04-02 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《浅谈管道材料的选用doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含本帖最后由flute于:编辑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符等。

本帖最后由flute于:编辑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~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(Mpa)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Kgfcm设计温度:~。(注)管道元件可以采用铸铁以降低工程投资增加经济效益。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号钢号钢QA等。需要说明的是由于碳钢在()以上会引起石墨化现象致使机械性能降低所以在ANSIASMEB中规定AAABAAAB等碳钢材料的使用上限为。在国内各行业规定不统一。本人认为号钢与号钢的上限温度应规定为QA的上限温度应规定为(但作为紧固件时上限温度应为)。合金钢合金钢分为低合金钢(合金元素含量)、中合金钢(合金元素含量为~)、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。()低温钢按照中国标准温度在~之间为低温。用于低温的合金钢有Mn、MnV、MnV、奥氏体不锈钢等。Mn的使用下限温度为。MnV和MnV的使用下限温度为。奥氏体不锈钢的使用下限温度为。()高温钢一般将温度>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CrMo、CrMo、CrMoV、CrMo、CrMo等。在上述几种材料中需特别讨论CrMoV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CrMo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CrMo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)应用的场合有:高压(MPa)蒸汽高温高压(设计温度范围为~设计压力范围为~MPa)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)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CrMoV的作法在我们今后的设计工作值得考虑。()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:crNi、CrNi、CrNiMo、CrNiMo、CrNiTi等。其中CrNiTi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倾向大(特别是脆性问题)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Cr、CrMo、CrMo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。同奥氏体不锈钢相比双相不锈钢具有如下主要特点:<a>强度高。它的屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍。<b>膨胀系数小导热系数大。<c>对晶间腐蚀不敏感。<d>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。<e>Ni元素含量低。常用的双相不锈钢有CrNiMoSi、CrNiMo等。D马氏体不锈钢马氏体不锈钢主要是含铬量(一般为~)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Cr、Cr、Cr和Cr等。(二)非金属及衬里塑料()聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯具有优异的耐腐蚀性能。在条件下能耐多种酸、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下限温度为。()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~。()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()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。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。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。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MPa。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。例如在日本公制管以A表示公称直径mm的管子表示为A。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in的管子表示为B。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HG《化工配管用无缝及很节钢管尺寸选用系列》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GB或GB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(GB中管子外径范围为φ~mm)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minmm壁厚公差为)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HG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。焊接碳钢管(包括低合金钢管)从已有标准来看当公称直径in时只有仅适用于水、空气、煤气等低压(MPa)介质的英制管。公称直径in时既有英制管、又有公制管。无缝不锈钢管国内钢厂按GBT(原标准为GB)生产无缝不锈钢管。同GB一样GBT中的管子外径和壁厚也是一个密集尺寸系列:从φ~mm。但是存在的问题是从外径来讲当公称直径in时既能满足公制管要求又能符合英制管要求当公称直径>in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in的管子最小壁厚都较大例如in的管子最小壁厚为mmin的管子最小壁厚为mm。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。焊接不锈钢管GB《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HG~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后产品质量难以保证要求所以除大直径管子外一般都采用无缝管。经对市场进行调查了解到国内近几年来建立了几个设备水平一流、质保体系完善的不锈钢焊接管厂其产品质量高。本人认为可在今后的设计中采用以降低工程投资。(二)管件管件涉及的内容较多它们包括弯头、三通、异径管(大小头)、管接头、管帽、过滤器、疏水器、视镜等其中多数已有国标或行业标准一般都能满足设计需要。从连接形式来讲有对焊、承插焊、螺纹、法兰等。在选用连接形式时应特别注意下列问题。<>对焊与承插焊:为了满足国内现状以及与国际接轨在对焊与承插焊管件的国标中包括A系列(配英制管)与B系列(配公制管)。另外在GBT中最大承插焊管径为in本人认为:承插焊一般应选in的管径。经本人查阅许多引进装置一般也是这种规定。<>螺纹:在GBT中螺纹形式有两种一种是圆锥管螺纹简称NPT另一种是圆锥管螺纹简称Rc。前者是美国标准锥管螺纹在引进装置中大量采用后者是国内通用的。在GB~(螺纹法兰)中法兰的螺纹是Rc而ANSIB中的螺纹为NPT。关于法兰连接在下面一节专门讨论。(三)法兰法兰是管道中非常重要的元件正确选用法兰应注意如下问题。()分析不同体系防止混用在国际上法兰主要存在两大体系。美国ANSI管法兰体系与德国DIN管法兰体系。这两个体系的管法兰连接尺寸完全不同无法互配。新国家管法兰标准中包括了上述两个体系的管法兰所配管子要求按英制管执行。新的化工部管法兰标准是属于德国管法兰体系所配管子要求按公制管执行。为了满足需要化工部正拟定修改该标准使其既可配公制管又可配英制管。根据上述情况本人认为选用法兰时首先要分清属于那个体系(按公称压力等级区别如下:PN属于ANSI管法兰体系PN属于DIN管法兰体系)其次在一个装置中尽量避免两种体系混用。()合理选用法兰的密封面形式法兰密封面形式很多其中使用最广泛的是(凸)面(RF)这主要是由于它加工简单容易安装。另外金属缠绕垫的出现又大大弥衬了它的不是使其应用范围又扩大了许多。例如由于氨有很强的渗透性所以在过去的合成氨装置中大量采用凹凸面形式但是在渭化与合成氨装置中除少数高压场合采用环面形式外其余全部采用RF形式。本人认为在我院的设计中也应采用这种作法。()综合考虑压力与温度条件由于各种材料在不同的温度下许用应力不同所以选用法兰公称压力等级时要同时考虑设计压力与设计温度条件公称压力等级中同种材料由于设计温度不同其最高允许压力也不同。(四)垫片法兰密封失效即产生泄露尽管产生泄露的因素很多但是垫片对密封起着非常重要的作用应引起高度重视。垫片的品种很多应根据操作条件合理选用。在选用金属缠绕垫时需要注意下列问题。<>根据ANSIB的规定公称压力等级Lb(PNMPa)的法兰如果采用金属缠绕垫建议选用高颈对焊或活套式的法兰。<>金属缠绕垫的填料如果是聚四氟乙烯材料根据ASMEB的规定垫片都应带内环。凡带内环的垫片如管道所配法兰是ANSIB时管子壁厚也有要求:公称直径in的管子最小的壁厚应为sch公称直径~in的管子最小壁厚应为sch根据这一规定本人认为当介质允许用其它材料(如石棉)作填料时就不要选聚四氟乙烯以免产生最小壁厚要求从而增加投资。(五)紧固件关于紧固件的选用新国家管法兰标准中谈的很少不便选用。本人认为HGJ《钢制管法兰用紧固件》和HGJ《钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定》对该问题进行了比较详细地说明设计中应参考这两个标准合理选用紧固件。(六)阀门阀门是管道中最重要的元件阀门的费用约占管道材料费用的一半。所以如何正确选用阀门对装置能否正常运转对建设费用都关系重大历来受到重视。关于阀门需要讨论的问题很多限于篇幅本文讨论的问题是:在管道等级中是直接给出阀门型号还是给阀门数据表?这一问题对选择阀门是比较重要的。在许多引进装置的管道等级中尽管列出了阀门型号但由于该型号大多数是工程承包公司自己确定的不能通用。为此一般都针对每一型号具体给出详细的阀门数据表。数据表一般包括下列主要内容:<>公称直径范围<>设计压力和温度<>连接面形式<>结构形式<>阀体、阀芯、阀盖材料<>密封结构及材料<>阀门结构长度<>试验条件<>制造标准<>检验标准等。本人认为这种作法是不难理解的。原因是:国际上大的工程公司采购一般都是在国际范围内进行对于同一种形式的阀门每个国家或每个阀门制造企业都有他们自己的阀门型号往往各不相同。在这种情况下列阀门数据表是最好的而且是最可行的方法。但是这种作法给我们造成一种错觉似乎我们在制定管道等级中也必须建立阀门数据表。目前我院设计的项目几乎都是在国内建设的阀门采购也都立足于国内。根据这一基本情况应按照国内阀门产品现状来确定数据表的必要性。那么国内阀门产品现状是什么呢?经过本人调查分析情况如下:现在国内阀门产品主要由中国通用机械阀门行业协会所属企业制造。该协会的会员几乎包括了国内各重要阀门生产企业如我们熟知的苏阀、沈阀、上阀、良工、自贡、开封等。该协会把阀门分为标准系列与特殊系列。对于标准系列阀门型号的编制方法统一执行JB标准。可以这样讲该型号已成为国内阀门行业的统一语言。该型号所包括的内容比较全面。对于特殊阀门没有统一规定每个阀门企业都有自己的型号往往也是各不相同。标准阀门所包括类型、品种、规格一般情况下可以满足设计需要。根据上述情况本人认为如果所选阀门的条件标准阀门完全满足在管道等级表中可直接写出上述阀门协会的阀门型号阀门数据表也就没有必要了。如果所选阀门的个别条件标准阀门不能满足同样可以采用前面的方法只是在管道等级表中加一注释。如果不能满足上述条件办法有两种其一在管道等级表中直接写出能满足要求的企业阀门型号也不再另建立阀门数据表。其二采用前述国际工程公司的作法。需要再次说明的是上述作法的前提条件是设计的项目在国内建设采购在国内进行。否则阀门数据表就不能取消。

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