管道材料等級(jí)制定與ASME

1、管道材料等級(jí)制定與 ASME21:54工程設(shè)計(jì)/llljq 發(fā)表于2007-08-14,作者：李敬琦一、 壓力管道設(shè)計(jì)常用ASME標(biāo)準(zhǔn)這里有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是組件尺寸型式標(biāo)準(zhǔn)（我國(guó)也有相應(yīng)組件形式標(biāo)準(zhǔn)），另一個(gè) 是材料標(biāo)準(zhǔn)（我國(guó)沒(méi)有對(duì)材料形成專(zhuān)門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)化）。Wrought型式標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組件的型式、系列、尺寸、公差、試驗(yàn)要求，以及該組件可采用的材 料標(biāo)準(zhǔn)等。材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了適用的對(duì)象、原材料（坯料）品種（采用鍛軋或鍛件Forged ）、化學(xué)成分、機(jī)械性能、制造工藝（包括焊接）、熱處理、無(wú)損檢 查、取樣和性能檢驗(yàn)、質(zhì)量證書(shū)、標(biāo)志等。1. 典型的組件型式標(biāo)準(zhǔn)1 ）鋼管ANSI/ASME B36.10MA

2、NSI/ASME B36.19M無(wú)縫及焊接鋼管不銹鋼無(wú)縫及焊接鋼管2）管件ANSI/ASMEB16.9工廠制造的鋼對(duì)焊管件ANSI/ASMEB16.1承插焊和螺紋鍛造管件ANSI/ASMEB16.28鋼制對(duì)焊小半徑彎頭和回彎頭3 ）閥門(mén)ANSI/ASMEB16.34法蘭連接、螺紋連接和焊接連接的閥門(mén)API 599法蘭或?qū)高B接的鋼制旋塞閥API 600法蘭或?qū)高B接的鋼制閘閥API 602緊湊型碳鋼閘閥API 609凸耳型對(duì)夾蝶閥4）法蘭ANSI/ASMEB16.5管法蘭和法蘭管件ANSI/ASMEB16.36孔板法蘭ANSI/ASMEB16.42球墨鑄鐵法蘭和法蘭管件ANSI/ASMEB16

3、.47大直徑鋼法蘭API 601突面管法蘭和法蘭連接用金屬墊片5）墊片ANSI/ASMEB16.20管法蘭用纏繞式、包覆式墊片和環(huán)槽式用金屬墊片ANSI/ASMEB16.21管法蘭用非金屬平墊片6）緊固件ANSI/ASMEB18.2.1方頭和六角頭螺栓和螺紋ANSI/ASMEB18.2.2方頭和六角頭螺母7）管件ASMEI B16.9ASME B16.11MSS-SP-432.材料標(biāo)準(zhǔn)工廠制造的鍛鋼對(duì)焊管件 承插焊和螺紋鍛鋼管件 鍛制不銹鋼對(duì)焊管件ASTM/ASME 材料標(biāo)準(zhǔn)主要集中收錄在ASME II A篇 鐵基材料，B篇 非鐵基材料，C篇焊條、焊絲填充金屬，D篇性能，以及一些增補(bǔ)內(nèi)容。與壓

4、力管道設(shè)計(jì)相關(guān)的典型的為A篇、D篇等。A篇的主要分類(lèi)有：鋼板、薄板和鋼帶，公稱(chēng)管（Pipe ），管子（Tube ），鋼法蘭、配件、閥門(mén)及零件，壓力容器用鋼板、薄板和鋼帶，結(jié)構(gòu)鋼，鋼棒材，鋼螺栓材料， 鋼坯和鍛件，鋼鑄件，耐腐蝕鋼和耐熱鋼，鍛軋鐵、鑄鐵和可鍛鑄鐵，以及方法標(biāo)準(zhǔn) 等。材料表示方法用”標(biāo)準(zhǔn)號(hào)-級(jí)別”及UNS。如304是級(jí)別。TP316 前面的TP表示管材，英文單詞TUBE & PIPE的首個(gè)字母。F316前面的F表示鍛件，是 FORGING 的縮寫(xiě)。一般在 ASME里，很多都是引用 A STM 標(biāo)準(zhǔn)，并在前面加個(gè) S，女口 A312 被ASME 納入后為 SA312。在ASTM 標(biāo)準(zhǔn)

5、中， A表示為A系列材料，當(dāng)然還有 B、C等。美國(guó)高合金鋼用 UNS牌號(hào)表示，它是按美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)AISI的編號(hào)表示方法轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的，比如，AISI把18-8 不銹鋼記為 UNS No S 30400 （ 3代表鎳鉻鋼），ASTM弓I用過(guò)來(lái)叫它為 304型，于是各國(guó)也跟著這么叫，成為普遍的表示法。還比如316、316L、321、347、320、904 等。ASME （或 ASTM ）對(duì)公稱(chēng)成分相同（UNS No 號(hào)相同）的不同鋼材產(chǎn)品，還用不同的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分。比如板材SA-240 （牌號(hào)304 ），管材有213、249、312、376、430 （牌號(hào)都是 TP304 ）等，而鍛件 A-182 ，牌號(hào) F

6、304。ASTM的記法，女口 A-516 , A代表鋼鐵金屬，516只是個(gè)序號(hào)，后面跟著年號(hào)。ASME等同采用 ASTM的記法后在最前面加S。再有，B-表示非鐵基金屬，如SB-409 。下面列舉一些典型的ASME管道材料：1 公稱(chēng)管1 ） SA 106 高溫用無(wú)縫碳鋼公稱(chēng)管中、低碳鋼，其等級(jí)分A、B、C三級(jí)。C唏0.25%0.35%;合金總量V 0.2%。2 ） SA 312/SA 312M無(wú)縫和焊接奧氏體不銹鋼公稱(chēng)管適用于高溫及一般腐蝕用。級(jí)別有TP304H、TH316H 、TP321H 等9種。3 ） SA 333/SA 333M 低溫用無(wú)縫和焊接公稱(chēng)管適用于低溫公稱(chēng)壁厚的無(wú)縫以及焊接的碳

7、鋼、合金鋼公稱(chēng)管。其級(jí)別有1、3、4、6、7、8、9、10、11 共 9 種。4 ） SA 335/SA 335M 高溫用無(wú)縫鐵素體合金鋼公稱(chēng)管級(jí)別有 P1、P2、P5、P5c、P9、P11、P12、P15、P21、P22。5 ） SA 709/709M無(wú)縫及焊接的鐵素體、奧氏體不銹鋼公稱(chēng)管2. 鋼法蘭、配件、閥門(mén)及零件1 ) SA 105/SA 105M管道元件用碳鋼鍛件適用于室溫和高溫下工作的壓力系統(tǒng)中鍛制碳素鋼管道構(gòu)件。2)SA 182/SA 182M 高溫用鍛制或軋制合金鋼公稱(chēng)管道法蘭、鍛制管配件、閥門(mén)和零件級(jí)別較多，如 F1、F2、F5、F12 1、F12 2、F304H、F316L

8、H 等。3 ) SA 234/SA 234M 中、高溫用鍛制碳鋼和合金鋼管道配件適用于最新版的 ANSI B16.9、ANSI B16.11、ANSI B16.28 及 MSS SP 79 和MSS SP 95所包括的無(wú)縫的及焊接結(jié)構(gòu)的鍛制碳鋼和合金鋼管配件；這些管配件采用中溫及高溫的壓力管道和壓力容器制造。級(jí)別有WPB、WPC、WP 1、WP 2、WPR等多種。4 ) SA 403/SA 403M 鍛軋奧氏體不銹鋼管配件包括了若干級(jí)別的奧氏體不銹鋼合金，并分別依據(jù)所適用的ANSI或MSS尺寸及額定壓力標(biāo)準(zhǔn)，使用WP或CR前綴來(lái)標(biāo)志鋼的級(jí)別。5 ) SA 420/SA 420M 低溫用鍛造碳鋼

9、和合金鋼管配件適用于 ANSI B16.9、ANSI、B16.11、ANSI B16.28 及 MSS SP 79 和 MSSSP 95最新版標(biāo)準(zhǔn)的鍛制碳鋼和合金鋼無(wú)縫焊接結(jié)構(gòu)管配件。等級(jí)有WPL3、WPL6、WPL8、WPL9。6 ) SA 815/SA 815M 塑性加工成形鐵素體、奧氏體及馬氏體不銹鋼配件。3. 鋼螺栓材料1 ) SA 193/SA 193M高溫用合金鋼和不銹鋼材料適用于高溫壓力容器、閥門(mén)、法蘭及管配件用合金鋼和不銹鋼螺栓材料。材料類(lèi)別包 括鐵素體鋼和奧氏體鋼，其級(jí)別如B5、B8等多種。2 ) SA 194/SA 194M高溫高壓螺栓用碳鋼和合金鋼螺母包括從M6到M100

10、的各種碳鋼、合金鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼螺母。奧氏體級(jí)別，加前綴8和9 ;鐵素體級(jí)別有1 , 2 , 2H , 2HM , 3 , 4 , 6 , 6F , 7 , 7M ,16。二、壓力管道材料等級(jí)表內(nèi)容簡(jiǎn)述管道材料等級(jí)中包含了材料規(guī)定，是針對(duì)一系列介質(zhì)條件而編制的管道器材應(yīng)用明細(xì) 表。它是根據(jù)管道系統(tǒng)中的溫度和壓力及腐蝕性來(lái)分類(lèi)的。通過(guò)情況下，材料等級(jí)表 的內(nèi)容有：1 )等級(jí)名稱(chēng)(或等級(jí)號(hào))、設(shè)計(jì)條件(設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和介質(zhì))、法蘭公稱(chēng)壓 力等級(jí)、材料腐蝕余量等。2)鋼管外徑尺寸系列信息及壁厚鋼管外徑尺寸系列有大小外徑之分，ASME標(biāo)準(zhǔn)采用大外徑。外徑尺寸定位后，意味著與其相關(guān)的鋼

11、管、管件、閥門(mén)、法蘭、墊片、緊固件、附件等都要與之匹配。就法蘭系列而言，一類(lèi)是以200 C作為計(jì)算基準(zhǔn)溫度的”歐式法蘭”，一類(lèi)是以大約 430 C(對(duì)150LB 級(jí)則是300 C)作為基準(zhǔn)溫度的”美式法蘭”。ASME標(biāo)準(zhǔn)的鋼管外徑尺 寸系列標(biāo)準(zhǔn)為 ANSI B36.10 、 ANSI B36.19 ，其公稱(chēng)直徑范圍為 DN6DN2000 mm 。鋼管壁厚的表示方法有三種，如管表號(hào)（ SCH ）、壁厚（ mm ）、重量 （STD 、XS 、X XS） 。3 ）鋼管、管件（彎頭、三通、異徑管、支管接頭等）、閥門(mén)、法蘭、墊片、緊固件 等全面一些，在標(biāo)識(shí)時(shí)除了提供鋼管、管件等的材料（標(biāo)準(zhǔn)）、連接形式（

12、對(duì)焊、承插 焊、螺紋連接）、表面狀態(tài)（無(wú)縫、有縫）等內(nèi)容外，還應(yīng)提供組件型式標(biāo)準(zhǔn)。4 ）管道分支信息 即管道分支表，提供主管與支管連接應(yīng)匹配的規(guī)定。通常情況下，應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo) 準(zhǔn)管件，如三通 / 四通（等徑、異徑）、支管接頭等。若出現(xiàn)主、支管相差太大無(wú)法選 擇時(shí)，才使用非標(biāo)接頭形式，并需要計(jì)算是否需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)等加強(qiáng)措施。三、 ASME B31.3 鋼管壁厚計(jì)算 制定材料等級(jí)表需要計(jì)算的內(nèi)容有兩種情形，其一是前面提到的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，其二 是這里提及的鋼管（含彎頭等）的強(qiáng)度計(jì)算。ASME B31 系列鋼管壁厚計(jì)算的公式有多種，對(duì)于石化項(xiàng)目必須按 B31.3 管道規(guī)范 中的方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。強(qiáng)度計(jì)算需

13、要的條件為設(shè)計(jì)條件（溫度、壓力）、材料許用 應(yīng)力、鋼管外徑（或內(nèi)徑）、質(zhì)量系數(shù)（也稱(chēng)焊接接頭系數(shù)）、溫度影響系數(shù)，此外 還要考慮材料腐蝕余量、加工裕量等。壁厚計(jì)算的結(jié)果是進(jìn)行鋼管（及彎件）壁厚選 用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的依據(jù)。這種方法與容器壁厚選用的方法基本一致。彎頭等管件的壁厚也 有計(jì)算方法，但是在通常情況下，是以直管的計(jì)算為依據(jù)選用標(biāo)準(zhǔn)厚度即可。而開(kāi)孔 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法就與容器的完全一致了。四、選材與腐蝕 進(jìn)行材料等級(jí)表制定需要考慮的事項(xiàng)有多種，除了前面提及材料滿(mǎn)足強(qiáng)度要求只是其 中之一，還要考慮操作介質(zhì)的性質(zhì)、操作工況等引起材料的各種腐蝕。就腐蝕形式而言，根據(jù)腐蝕發(fā)生的機(jī)理可劃分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和

14、物理腐蝕三 類(lèi)。根據(jù)腐蝕形態(tài)可劃分為均勻腐蝕、局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕三類(lèi)。其中局部腐蝕又可 分為電偶腐蝕（如碳鋼與不銹鋼接觸并處于電解質(zhì)環(huán)境中）、點(diǎn)蝕（如對(duì)奧氏體不銹 鋼材料的應(yīng)用要注意氯離子的含量）、縫隙腐蝕、晶間腐蝕（如高溫時(shí)奧氏體不銹鋼 產(chǎn)生的晶界貧鉻）。因此就需要了解材料的耐腐蝕性能，并查詢(xún)金屬腐蝕相關(guān)手冊(cè)等資料。五、鐵碳合金相圖 管道材料等級(jí)表的技術(shù)主要在對(duì)材料性能的掌握上，因此各設(shè)計(jì)院通常是由機(jī)械專(zhuān)業(yè) 的人來(lái)進(jìn)行此方面的工作。而材料的關(guān)鍵技術(shù)又與了解其本質(zhì)鐵碳合金相圖是密切 相關(guān)的。鐵碳合金相圖是以溫度為縱坐標(biāo)， 碳含量 （組元） 為橫坐標(biāo)。 表示在接近平衡條件 （鐵 -石墨）和亞穩(wěn)條

15、件（鐵碳化鐵）下（或極緩慢的冷卻條件下）以鐵、碳為組元的二 元合金在不同溫度下所呈現(xiàn)的相和這些相之間的平衡關(guān)系。相圖在金屬加工和工程應(yīng) 用中是一個(gè)很重要的工具，從相圖中可以查到合金的溶點(diǎn)和凝固點(diǎn)，根據(jù)相圖可以確 定合金熱加工時(shí)的加熱溫度和熱處理溫度，由此可以預(yù)測(cè)合金的性能。該相圖中有兩個(gè)組元，即Fe和Fe3C。其中，F(xiàn)e的性能表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度較低，塑性和韌性較好；Fe3C為具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，其性能表現(xiàn)為硬而脆。四個(gè)基本相，即液相（L ）、鐵素體（a）、奧氏體（Y）和滲碳體（Fe3C）;此外還有一個(gè)次生相珠光體（P）。其中，鐵素體為碳在a-Fe中的間隙固溶體，具有體心立方晶格，溶碳量

16、較少，室溫溶碳量為0.008% ，屬常溫組織；奧氏體為碳在Y-Fe中的間隙固溶體，具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，溶碳量較大，屬高溫組織，奧氏體具有良好 的塑性，故金屬熱變形加工多是在這種相狀態(tài)下進(jìn)行的；滲碳體為金屬鍵及化學(xué)鍵的 結(jié)合物，屬于常溫組織；珠光體為鐵素體和滲碳體的混合物，既具有很好的強(qiáng)度和硬度，又具有良好的塑性和韌性，屬常溫組織。含碳量大于2.06% 的合金及溫度下的S-Fe在工程上無(wú)太大意義。（鐵-碳相圖略）相圖中，A點(diǎn)為純鐵的溶點(diǎn)（1534 C） , C點(diǎn)為奧氏體和滲碳體的共晶點(diǎn)（1130 C）,D點(diǎn)為滲碳體的熔點(diǎn)（1600 C）, S點(diǎn)為鐵素體和滲碳體的共析點(diǎn)（723 C）。GS線（A

17、3線）為亞共析鋼（ C0.8% ）加熱（稱(chēng) Ac3線）或冷卻（稱(chēng) Ar3線）時(shí)鐵 素體與奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度線（稱(chēng)Ac3線）。ES線（A cm線）為過(guò)共析鋼（0.8%C2.06%）加熱（稱(chēng) Accm線）或冷卻（稱(chēng) Arcm線）時(shí)滲碳體與奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度線。PSK （A1線）為加熱（稱(chēng) Ac1線）或冷卻時(shí)（稱(chēng) Ar1線）珠光體與奧氏體轉(zhuǎn) 變終了的溫度線。從相圖可以看出，亞共析鋼（常溫組織a +P）共析鋼（常溫組織 P）-過(guò)共析鋼（常溫組織P+ Fe3C）鑄鐵（常溫組織Fe3C）隨含碳量的變化，表現(xiàn)出的材料塑性、韌性與強(qiáng)度、硬度的變化關(guān)系。另外，從相圖可以看出，對(duì)同一材料，在從高溫到常溫轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，會(huì)得到不同的 組織形式。對(duì)于影響材料中不理想的組織通過(guò)熱處理（如退火、正火、淬火、回火、 調(diào)質(zhì)等）來(lái)處理，以此達(dá)到材料性能要求。即將材料加熱到臨界溫度（A3、A1、A cm ）以上3050 C、保溫、冷卻等來(lái)得到不同的轉(zhuǎn)變組織。退火冷卻是在爐內(nèi)緩冷的過(guò)程；可達(dá)到細(xì)化晶粒、消除偏析、降低硬度而提高塑性和韌性的目的。正火較退火冷卻速 度快一些（空氣中冷卻）。淬火是冷卻時(shí)間最快的一種（水冷），用于提高材料硬度和耐磨性。了解鐵碳合金相圖