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管材選用
1.壓力管道金屬材料的特點
  壓力管道涉及各行各業,對它的基本要求是“安全與使用”,安全為了使用,使用必須安全,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。
  (1)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℃以上環境時,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。
  (2)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。
  (3)管道在腐蝕環境下的性能變化
  石油化工、船舶、海上石油平臺等管道介質,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-不銹鋼復合管材。
  ②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。
  ③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。[1]2.壓力管道金屬材料的選用
  (1)金屬材料選用原則
  ①滿足操作條件的要求。首先應根據使用條件判斷該管道是否承受壓力,屬于哪一類壓力管道。不同類別的壓力管道因其重要性各異,發生事故帶來的危害程度不同,對材料的要求也不同。同時應考慮管道的使用環境和輸送的介質以及介質對管體的腐蝕程度。例如插入海底的鋼管樁,管體在浪濺區腐蝕速度為海底土中的6倍;潮差區腐蝕速度為海底土中的4倍。在選材及防腐蝕措施上應特別關注。
  ②可加工性要求。材料應具有良好的加工性和焊接性。
  ③耐用又經濟的要求壓力管道,首先應安全耐用和經濟。一臺設備、一批管道工程,在投資選材前,必要時進行可行性研究,即經濟技術分析,擬選用的材料可制定數個方案,進行經濟技術分析,有些材料初始投資略高,但是使用可靠,平時維修費用省;有的材料初始投資似乎省,但在運行中可靠性差,平時維修費用高,全壽命周期費用高。
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