在介紹了金屬材料的基本知識(shí)、常用金屬材料和常見(jiàn)的介質(zhì)腐蝕環(huán)境后，就可以進(jìn)行工程選材了。事實(shí)上，工程上的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件是十分復(fù)雜的，不同的介質(zhì)、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等操作條件的組合，構(gòu)成了無(wú)數(shù)個(gè)選材條件。就常見(jiàn)的選材條件來(lái)說(shuō)，要想在這里逐一給出其選材結(jié)論是不現(xiàn)實(shí)的，它也正是各個(gè)設(shè)計(jì)院或工程公司一直致力研究的問(wèn)題。在這里將換一種方式，即以材料為主體，應(yīng)用金屬理論、腐蝕理論以及工程理論來(lái)確定各種常用材料的使用限制條件。這就好比拋開(kāi)了難以詳述的充分條件，而只講必要條件，相信這樣的介紹對(duì)工程選材會(huì)有一定的幫助。
工程上，壓力管道選材除了要確定材料牌號(hào)外，還要確定材料標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)椴煌牟牧蠘?biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料質(zhì)量的要求是不一樣的。部分與材料標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)的限制條件將在第五章中結(jié)合材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行論述。
一、一般限制條件
在進(jìn)行工程材料選用時(shí)，首先應(yīng)遵循下列一些原則。
1、滿足操作條件的要求
首先應(yīng)根據(jù)操作條件來(lái)判斷該管道是不是壓力管道，屬于那一類壓力管道。不同類別的壓力管道因其重要性不同，發(fā)生事故帶來(lái)的危害程度不同，故對(duì)材料的要求也不同。一般情況下，高類別的壓力管道（如一類壓力管道）從材料的冶煉工藝到最終產(chǎn)品的檢查試驗(yàn)都比低類別的壓力管道要求高。
其次是應(yīng)考慮操作條件對(duì)材料的選擇要求。從前面關(guān)于腐蝕的論述中可以看到，不同的材料對(duì)同一腐蝕介質(zhì)的抗腐蝕性能是不相同的。在腐蝕環(huán)境中，選用材料應(yīng)避免災(zāi)難性的腐蝕形式（如應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂）出現(xiàn)，而對(duì)均勻腐蝕，一般至少應(yīng)限定在“尚耐腐蝕”級(jí)，即最高年腐蝕速率不超過(guò)0.5mm。
介質(zhì)溫度也是選用材料的一個(gè)重要參數(shù)。因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)引起材料的一系列性能變化，如低溫下材料的脆性，高溫下材料的石墨化、蠕變等問(wèn)題。從前面所討論的腐蝕問(wèn)題中也可以看出，很多腐蝕形態(tài)都與介質(zhì)溫度有密切的關(guān)系，甚至是腐蝕發(fā)生的基本條件。因此壓力管道的選材應(yīng)滿足溫度的限制條件。
2、滿足材料加工工藝和工業(yè)化生產(chǎn)的要求
首先，理想的材料應(yīng)該是容易獲得的，即它應(yīng)具有良好的加工工藝性、焊接性能等。例如，對(duì)于一些腐蝕環(huán)境，選用碳鋼和不銹鋼復(fù)合制成的壓力管道及其元件來(lái)代替純不銹鋼材料無(wú)凝是經(jīng)濟(jì)適用的，但由于許多制造廠的復(fù)合工藝不過(guò)關(guān)，使用中屢此出現(xiàn)問(wèn)題，從而給復(fù)合材料的應(yīng)用帶來(lái)了限制，尤其是碳鋼與0Cr13的復(fù)合板材因現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量不容易保證，以致工程上不敢使用或者說(shuō)不敢大量使用它。
其次，工程上的材料應(yīng)用是系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的，它不象在試驗(yàn)室中，可以做到少量、理想化的材料應(yīng)用。將材料標(biāo)準(zhǔn)化、系列化便于大規(guī)模生產(chǎn)，減少材料品種，從而可以節(jié)約設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等各環(huán)節(jié)的投入，同時(shí)也將大大降低生產(chǎn)成本。所以工程上應(yīng)首先選用標(biāo)準(zhǔn)材料，對(duì)于必須選用的新材料，應(yīng)具有完整的技術(shù)評(píng)定文件，并經(jīng)過(guò)省級(jí)及其以上管理部門組織的技術(shù)鑒定，合格后才能使用。
對(duì)于必須進(jìn)口的材料，應(yīng)提出詳細(xì)的規(guī)格、性能、材料牌號(hào)、材料標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)要求，并按國(guó)內(nèi)的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)其進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，合格以后才能使用。
3、符合既使用又經(jīng)濟(jì)的要求
這是一個(gè)很原則的問(wèn)題，實(shí)際操作起來(lái)是很復(fù)雜的。它要求材料工程師須運(yùn)用工程學(xué)、材料學(xué)、腐蝕學(xué)等方面的知識(shí)綜合判斷。這樣的問(wèn)題有時(shí)是可以定量計(jì)算的，有時(shí)則是不可以定量計(jì)算的。一般情況下，應(yīng)從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：
a、腐蝕方面
對(duì)于局部腐蝕，若通過(guò)其它措施（如工藝防腐措施）能防止或控制局部腐蝕的發(fā)生，特別是突然性、災(zāi)難性的局部腐蝕發(fā)生，就可以采用價(jià)格比較低的材料。否則，必須選用高級(jí)但價(jià)格高的材料。
對(duì)均勻腐蝕，在腐蝕環(huán)境比較惡劣的情況下，若選用低級(jí)但價(jià)格便宜的材料，其腐蝕速率可能會(huì)很大，短時(shí)間內(nèi)就必須更換材料。而用耐腐蝕比較好、價(jià)格比較高的材料，其腐蝕速率可能會(huì)較小，從而維持一個(gè)比較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期。進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)定，此時(shí)采用高級(jí)材料也許更經(jīng)濟(jì)些。反之，如果腐蝕環(huán)境比較緩和，此時(shí)選用低級(jí)材料雖然其腐蝕速率比較大，但其價(jià)格便宜，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算后，此時(shí)采用低級(jí)材料也許更經(jīng)濟(jì)些。總之，這一類型的材料選用是可以進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算的。
對(duì)于同一個(gè)腐蝕環(huán)境，若選用高級(jí)材料時(shí)遭受的腐蝕可能是危險(xiǎn)性較大的局部腐蝕，而選用低級(jí)材料時(shí)遭受的腐蝕可能是具有較大腐蝕速率的均勻腐蝕。此時(shí)就應(yīng)考慮選用低級(jí)材料并輔以其它防腐措施。
b、材料標(biāo)準(zhǔn)及制造方面
壓力管道的類別與材料標(biāo)準(zhǔn)和制造要求并沒(méi)有一個(gè)完全一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這就要求材料工程師應(yīng)用有關(guān)知識(shí)來(lái)綜合考慮。許多材料標(biāo)準(zhǔn)和制造標(biāo)準(zhǔn)中，都有若干供用戶確認(rèn)的選擇項(xiàng)。這些選擇項(xiàng)中，有些是一般的項(xiàng)目，當(dāng)用戶沒(méi)有指定時(shí)，制造商將按自己的習(xí)慣去做。例如，鋼管的供貨長(zhǎng)度、供貨狀態(tài)等都屬于這類項(xiàng)目。而另一些項(xiàng)目則是附加檢驗(yàn)項(xiàng)目，這些檢驗(yàn)項(xiàng)目不是必做的，只有用戶要求時(shí)制造商才做。也就是說(shuō)，用戶可以根據(jù)使用條件的不同，追加若干檢驗(yàn)項(xiàng)目，以便更好的控制材料的內(nèi)在質(zhì)量。但提出了這些特殊要求就意味著產(chǎn)品價(jià)格的上升，有些檢驗(yàn)項(xiàng)目如射線探傷的費(fèi)用是很高的。如何追加這些附加檢驗(yàn)項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合使用條件和產(chǎn)品的價(jià)格綜合考慮，有時(shí)要把握好這個(gè)尺度是很難的。有關(guān)這方面的問(wèn)題將在第九章中介紹。
c、新材料、新工藝應(yīng)用方面
積極采用新材料，支持新材料、新工藝的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，可以有效地降低建設(shè)投資，又能滿足生產(chǎn)工藝對(duì)材料的要求。例如采用滲鋁碳鋼代替不銹鋼用于抗硫和有機(jī)酸的腐蝕；用碳鋼與不銹鋼的復(fù)合材料代替純不銹鋼材料；用焊接質(zhì)量有保證的有縫鋼管代替無(wú)縫鋼管；等等。
二、常用材料的應(yīng)用限制
1、鑄鐵
上節(jié)已經(jīng)講到，常用的鑄鐵有可鍛鑄鐵和球墨鑄鐵兩種。
工程上，一般限制可鍛鑄鐵使用在介質(zhì)溫度為-29℃～343℃的受壓或非受壓管道，同時(shí)不得用于輸送介質(zhì)溫度高于150℃或表壓大于2.5MPa的可燃流體管道和任何溫度壓力條件下的有毒介質(zhì)，并不得用于輸送溫度和壓力循環(huán)變化或管道有振動(dòng)的條件下。實(shí)際上，它經(jīng)常被用于不受壓的閥門手輪和地下污水管道。
球墨鑄鐵應(yīng)用限制條件同可鍛鑄鐵，它經(jīng)常被用于工業(yè)用水管道中的閥門閥體。
2、普通碳素鋼
普通碳素鋼的應(yīng)用應(yīng)遵循下列原則：
a、沸騰鋼應(yīng)限用在設(shè)計(jì)壓力≤0.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為0℃～250℃的條件下，并不得用于易燃或有毒流體的管道，也不得用于石油液化氣介質(zhì)和有應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中；
b、鎮(zhèn)靜鋼應(yīng)限用在設(shè)計(jì)溫度為0℃～400℃范圍內(nèi)。當(dāng)它用于有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感的環(huán)境時(shí)，本體硬度應(yīng)不大于HB160，焊縫硬度應(yīng)不大于HB200，并對(duì)本體和焊縫進(jìn)行100%無(wú)損探傷；
c、用于壓力管道的沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼，其含碳量不得大于0.24%。
GB700標(biāo)準(zhǔn)給出了四種常用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)，即Q235A（F、ｂ），Q235B（F、b）、Q235C、Q235D。這四種牌號(hào)的質(zhì)量要求是順次提高的。它們的適用范圍如下：
Q235－A·F鋼板：設(shè)計(jì)壓力P≤0.6MPa；使用溫度為0℃～250℃；鋼板厚度不大于12mm；不得用于易燃，毒性程度為中度、高度或極度危害介質(zhì)的管道。
Q235-A鋼板：設(shè)計(jì)壓力P≤1.0MPa；使用溫度為0℃～350℃；鋼板厚度不大于16mm；不得用于液化石油氣、毒性程度為高度或極度危害介質(zhì)的管道。
Q235－B鋼板：設(shè)計(jì)壓力P≤1.6MPa；使用溫度為0℃～350℃；鋼板厚度不大于20mm；不能用于高度和極度危害介質(zhì)的管道。
Q235－C鋼板：設(shè)計(jì)壓力P≤2.5MPa；使用溫度為0℃～400℃；鋼板厚度不大于40mm。
3、優(yōu)質(zhì)碳素鋼
優(yōu)質(zhì)碳素鋼是壓力管道中應(yīng)用最廣的碳鋼，對(duì)應(yīng)的材料標(biāo)準(zhǔn)有GB699、GB8163、GB3087、GB5310、GB6654、GB9948、GB6479等。這些標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)不同的使用工況而提出了不同的質(zhì)量要求。有關(guān)的應(yīng)用將在第五章中介紹。它們共性的使用限制條件有以下幾個(gè)方面：
a、輸送堿性或苛性堿介質(zhì)時(shí)應(yīng)考慮有發(fā)生堿脆的可能，詳見(jiàn)本章前面所述。錳鋼（如16Mn）不得用于該環(huán)境中；
b、在有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向的環(huán)境中工作時(shí)，應(yīng)進(jìn)行焊后應(yīng)力消除熱處理，熱處理后的焊縫硬度不得大于HB200。焊縫應(yīng)進(jìn)行100%無(wú)損探傷（對(duì)接焊縫應(yīng)是射線探傷）。錳鋼（如16Mn）不宜用于有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向的環(huán)境中；
c、在均勻腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)腐蝕速率、使用壽命等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，如果核算結(jié)果證明選用碳素鋼是合適的，應(yīng)給出足夠的腐蝕余量，并采取相應(yīng)的其它防腐蝕措施；
d、碳素鋼、碳錳鋼和錳釩鋼在427℃及以上溫度下長(zhǎng)期工作時(shí)，其碳化物有轉(zhuǎn)化為石墨的可能性，因此限制其最高工作溫度不得超過(guò)427℃（有的規(guī)范如鍋爐規(guī)范則規(guī)定該溫度為450℃）；
e、臨氫操作時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)生氫損傷的可能性。詳見(jiàn)前面所述；
f、含碳量大于0.24%的碳鋼不宜用于焊連接的管子及其元件；
g、用于-20℃及以下溫度時(shí)，應(yīng)做低溫沖擊韌性試驗(yàn)；
h、用于高壓臨氫、交變載荷情況下的碳素鋼材料宜是經(jīng)過(guò)爐外精煉的材料。
值得一提的是，優(yōu)質(zhì)碳素鋼的材料標(biāo)準(zhǔn)中也有沸騰鋼牌號(hào)，但對(duì)于應(yīng)用優(yōu)質(zhì)碳素鋼的場(chǎng)合而采用沸騰鋼牌號(hào)甚為不合理，實(shí)際工程中也很少這樣用，故上述的規(guī)定僅是對(duì)鎮(zhèn)靜鋼提出的，如果確實(shí)用到了優(yōu)質(zhì)沸騰鋼，其應(yīng)用限制條件可參照普通碳素鋼部分。
4、鉻鉬合金鋼
常用的鉻鉬合金鋼材料標(biāo)準(zhǔn)有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，它們的選用將在第五章中介紹，有關(guān)共性的使用限制條件有以下幾個(gè)方面：
a、碳鉬鋼(C-0.5Mo)在468℃溫度下長(zhǎng)期工作時(shí)，其碳化物有轉(zhuǎn)化為石墨的傾向，因此限制其最高長(zhǎng)期工作溫度不超過(guò)468℃；
b、在均勻腐蝕環(huán)境下工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)腐蝕速率、使用壽命等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，同時(shí)給出足夠的腐蝕余量；
c、臨氫操作時(shí)，應(yīng)考慮發(fā)生氫損傷的可能性，詳見(jiàn)本章第二節(jié)；
d、在高溫H2+H2S介質(zhì)環(huán)境下工作時(shí)，應(yīng)根據(jù)Nelson曲線和Couper曲線確定其使用條件；
e、應(yīng)避免在有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的環(huán)境中使用；
f、在400℃～550℃溫度區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)期工作時(shí)，應(yīng)考慮防止回火脆性問(wèn)題。
g、鉻鉬合金鋼一般應(yīng)是電爐冶煉或經(jīng)過(guò)爐外精煉的材料。
5、不銹耐熱鋼
壓力管道中常用的不銹耐熱鋼材料標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制條件有以下幾方面：
a、含鉻12%以上的鐵素體和馬氏體不銹鋼在400℃～550℃溫度區(qū)間內(nèi)長(zhǎng)期工作時(shí)，應(yīng)考慮防止475℃回火脆性破壞，這個(gè)脆性表現(xiàn)為室溫下材料的脆化。因此，在應(yīng)用上述不銹鋼時(shí)，應(yīng)將其彎曲應(yīng)力、振動(dòng)和沖擊載荷降到敏感載荷以下，或者不在400℃以上溫度使用；
b、含鉻16%以上的高鉻不銹鋼和含鉻18%以上的高鉻鎳不銹鋼在540℃～900℃溫度區(qū)間長(zhǎng)期工作時(shí)，應(yīng)考慮防止發(fā)生σ相析出，從而引起室溫下材料的脆化和高溫下材料蠕變強(qiáng)度的下降。這種現(xiàn)象可以通過(guò)將其加熱至1000℃以上進(jìn)行退火處理來(lái)消除。有資料指出，σ相析出一般發(fā)生在鐵素體不銹鋼中，對(duì)于奧氏體不銹鋼，只要控制其鐵素體含量（一般為3％～8％）即可避免。對(duì)于常用的奧氏體不銹鋼，除鑄件外，其鐵素體含量一般不會(huì)超過(guò)上述值；
c、奧氏體不銹鋼在加熱冷卻的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)540℃～900℃溫度區(qū)間時(shí)，應(yīng)考慮防止產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。當(dāng)有還原性較強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)存在時(shí)，應(yīng)選用穩(wěn)定型（含穩(wěn)定化元素Ti和Nb）或超低碳型（C<0.03%）奧氏體不銹鋼；
d、不銹鋼在接觸濕的氯化物時(shí)，有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和點(diǎn)蝕的可能。應(yīng)避免接觸濕的氯化物，或者控制物料和環(huán)境中的氯離子濃度不超過(guò)25PPm；
e、奧氏體不銹鋼與鉛、鋅或它們的化合物在其溶點(diǎn)溫度以上接觸時(shí)，有晶間腐蝕破壞的敏感性；
f、奧氏體不銹鋼使用溫度超過(guò)525℃時(shí)，其含碳量應(yīng)大于0.04%；
g、對(duì)有劇烈環(huán)烷酸腐蝕的環(huán)境，應(yīng)選用含鉬的奧氏體不銹鋼（如316、316L）或其復(fù)合材料（復(fù)合板或復(fù)合管）。
三、其它方面對(duì)材料的限制
1、碳當(dāng)量
金屬材料在焊接時(shí)，其焊縫及熱影響區(qū)將被加熱至Ac3以上的溫度，由于焊縫及其熱影響區(qū)的冷卻速度較快，冷卻后容易被淬硬。鋼材含碳量越高，焊縫及其熱影響區(qū)的硬化與脆化傾向越大，在焊接應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋。鋼的各種化學(xué)成分對(duì)鋼淬硬性的影響通常折算成碳的影響，稱為碳當(dāng)量，用Ce表示。關(guān)于碳當(dāng)量的折算方法有很多不同的公式，而常用的有以下兩種：
a、國(guó)際焊接學(xué)協(xié)會(huì)推薦的碳鋼及低合金鋼常用碳當(dāng)量計(jì)算公式如下：
Mn Cr+Mo+V Ni+Cu
Ce % = C % + —— % + ———— % + % 6 5 15
經(jīng)驗(yàn)表明：
當(dāng)Ce＜0.4%時(shí)，鋼材的淬硬傾向不明顯，可焊性優(yōu)良，焊接時(shí)不必預(yù)熱；
當(dāng)Ce =0.4%～0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需要采取適當(dāng)預(yù)熱、控制線能量等工藝措施；
當(dāng)Ce＞0.6%時(shí)，鋼材的淬硬傾向很強(qiáng)，屬于難焊材料，需要采取較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的焊接工藝措施。
b、我國(guó)有關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)推薦的碳鋼及低合金鋼碳當(dāng)量計(jì)算公式如下：
Mn Si Ni Cr Cu Mo P
Ce % = C % + —— % + —— % —— % + ——% + —— % + —— % + —— %
6 24 15 5 5 40 2
當(dāng)焊縫厚度小于13mm時(shí)，其Ce值應(yīng)不大于0.45；
當(dāng)焊縫厚度為13mm ~25mm時(shí)，其Ce值應(yīng)不大于0.4；
2、常用材料在無(wú)腐蝕情況下的最高使用溫度應(yīng)符合表3-8的要求。
表3-8 常用材料的使用溫度要求
|
材 料
|
使 用 溫 度
|
|
10、20
|
-20℃～425℃
|
|
16Mn
|
-40℃～450℃
|
|
09Mn2V
|
-70℃～100℃
|
|
12CrMo
|
≤525℃
|
|
15CrMo
|
≤550℃
|
|
1Cr5Mo
|
≤600℃
|
|
低碳奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni10Ti等）
|
-196℃～700℃
|
|
超低碳奧氏體不銹鋼（00Cr19Ni10）
|
-196℃～400℃
|
|
超低碳奧氏體不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2）
|
-196℃～450℃
|
|
0Cr25Ni20
|
≤800℃
|
|
鋁及防銹鋁合金
|
-200℃～200℃
|
3、復(fù)合管材和復(fù)合板材
鑒于目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)碳素鋼+不銹鋼復(fù)合管材和復(fù)合板材的生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的實(shí)際情況，工程上宜謹(jǐn)慎選用。如果如果必須使用，應(yīng)要求復(fù)合處的縱向抗剪力應(yīng)不低于200MPa。
4、滲鋁管
滲鋁鋼是一種抗高溫硫腐蝕比較好而且價(jià)格相對(duì)便宜的材料，但其焊接問(wèn)題目前尚在研究中，故目前不推薦用于介質(zhì)條件較苛刻的壓力管道。
思考題：
1、管道材料選用的基本原則有哪些？
2、可鍛鑄鐵的使用范圍是什么？
3、Q235A.F鋼板的使用范圍是什么？
4、Q235B鋼板的使用范圍是什么？
5、優(yōu)質(zhì)碳素鋼在使用時(shí)一般應(yīng)注意哪些問(wèn)題？
6、鉻鉬合金鋼在使用時(shí)一般應(yīng)注意哪些問(wèn)題？
7、不銹耐熱鋼在使用時(shí)一般應(yīng)注意哪些問(wèn)題？
8、國(guó)際焊接學(xué)協(xié)會(huì)推薦的碳鋼及低合金鋼的碳當(dāng)量計(jì)算公式是什么？
9、常見(jiàn)金屬材料無(wú)腐蝕時(shí)的使用溫度是多少？
