管道材料设计部分

管道材料设计部分资料

邹跃平整理

中国化工学会培训中心

第一章管道材料设计工作内容简述

第二章在不同化工生产装置中管道材料设计的特点

第三章管道材料专业在工程设计中经常遇见的一些问题第四章管道材料选材

第一章管道材料设计工作内容

1.1 设计文件的组成

管道材料设计主要文件（工程设计）如下：

1.1.1管道材料控制专业图纸目录

1.1.2管道材料设计说明

1.1.3管道材料等级索引

1.1.4管道材料等级表

1.1.5管道壁厚表

1.1.6管道支管连接表

1.2简要说明

1.2.1管道材料控制专业图纸目录

仅列出需发往用户和施工现场的设计文件目录。

1.2.2管道材料设计说明

对于工程中所用的管道材料从标准、规范、单位、材质、标记、试验、检验等进行说明；对常用管子、管件、阀门、法兰、垫片、螺栓（母）的尺寸及公差进行选择并作出规定。

1. 常用管道材料的尺寸（阀门、法兰、管件等）在相应标准中已作出规定者，不需要使用者选择；

2. 常用管道材料的尺寸公差已由相应标准作出规定者，不需要使用者选择；

3. 如使用者对管道材料的尺寸及公差有特殊要求（不符合标准规范的工程特殊要求），可作出相应规定。管道材料设计说明.doc

1.2.3管道材料等级索引

针对某个具体工程，将所有流体按压力、温度和使用的材料分成若干个等级的简要说明；是管道材料控制专业编制的主要文件之一。管道材料等级索引.xls

1.2.4管道材料等级表

针对某个管道等级，所使用的全部管道组成件包括管子、管件、阀门、法兰、垫片及螺栓（母）以及其他附件所使用的标准、材料、尺寸、型号等作出规定；是管道材料控制专业编制的主要文件之一，是管道设计、管道材料汇总和工程施工安装、生产维修的重要依据。管道材料等级表.xls

1.2.5管道壁厚表

针对具体等级，将工程中所使用的各种等级管径的管道壁厚进行规定并列出表格。管道壁厚表.xls

1.2.6管道支管连接表

针对具体等级，从对主管上引出支管所采用的根部连接形式进行规定。

第二章在不同化工生产装置中管道材料设计的特点

2.1 水煤浆技术煤制甲醇/合成氨生产装置

2.1.1 气化单元中的煤浆、黑水和灰水介质如全部采用碳素体钢，管道的腐蚀

裕度CA值根据物料在管道中的磨蚀强弱来确定，一般磨蚀较轻时CA值为3 mm（如：灰水介质）；对于磨蚀较强，流速较高的含灰、渣的物料管道CA值一般取6mm、9mm（如：煤浆、黑水介质）；煤浆、黑水介质中CL-含量较高，易产生缝隙腐蚀，故不可采用承插焊的连接型式（小口径（DN≤40）的管件、法兰均采用对焊连接型式，阀门均采用法兰式连接）；煤浆、黑水介质考虑到其磨蚀性，阀门一般选用全通径球阀或轨道式球阀，不宜选用闸阀、截止阀。

对于高压氧气管道，在靠近气化炉的部位，从安全防火方面考虑，氧气切断阀及管道材料要求选用Inconel625或Inconel600，要求严格的脱脂、清洗、抛光等，其他氧气管道可选用不锈钢。气化变换单元等级表.xls 2.1.2 变换单元中工艺气体含有大量H2并且含有一定量的H2S，当介质操作温度

等于或高于200℃，应根据Nelson曲线确定是采用碳素体钢或采用珠光体（铬钼）耐热钢；当介质操作温度≥250 ℃，在满足氢腐蚀的基础上，应根据Couper曲线中高温H2S＋H2对各种钢材的腐蚀率来选择适当的材料。

2.1.3 脱硫、脱碳单元中工艺介质的设计温度多为低温，当设计温度>-20℃时采

用普通碳素体钢；当设计温度在-20～-40 ℃采用16MnD低温钢；设计温度＜-40 ℃采用0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。如果采用A333Gr.6，设计温度为-20～-45 ℃，设计温度＜-45 ℃采用0Cr18Ni9奥氏体不锈钢；对于低温介质的管道应选用低温阀门，低温阀门根据温度分为：DⅠ型低温（-46℃），DⅡ型低温（-101℃），DⅢ型低温（-196℃）。脱硫脱碳等级表.xls

2.2 硫酸生产装置

2.2.1 转化单元中存在高温SO2和SO3工艺气体的氧化和硫化；SO2和SO3

工艺气体有温度高，压力低，管径大的特点，其管道材料设计中对于管径DN≥200mm的钢管均采用现场钢板卷制焊接钢管，管道材料的选用根据设计温度做以下划分：T≤350℃，材料选用普通碳素体钢（如：Q235B）;350℃

阀门选用对焊蝶阀（DN≥100mm）；DN≥200mm的管件均采用现场制做。

硫酸装置等级表.xls

2.2.2 干吸单元中存在高温硫酸（操作温度T≤110℃），管道材料的选用316L+

阳极保护的防腐蚀措施。

2.3 磷酸/磷铵生产装置

2.3.1 用硫酸或硝酸、盐酸等分解磷矿制得磷酸通称为湿法磷酸，工业生产中

大多用硫酸分解磷矿。湿法磷酸生产装置用的防腐蚀材料有不锈钢和耐蚀合金以及非金属材料两大类。常见的腐蚀形态有点蚀、腐蚀-磨蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀等。在具体的工程设计中管道材料的选用如下：磷酸反应料浆、磷铵料浆、浓磷酸、稀磷酸和回磷酸介质的管道材料可选用00Cr17Ni14Mo2；酸性循环水、洗涤液、氟硅酸介质的管道材料可选用钢骨架复合HDPE；尾气（含氟）介质的管道材料可选用FRP；磷酸磷铵等级表.xls

2.4 羰基镍/羰基铁生产装置

根据《职业性接触毒物危害程度分级》GB5044的规定，介质羰基镍/羰基铁是Ⅰ级（极度危害）的毒物，该类介质的管道材料设计有如下特点：

法兰的选用要求：

●不应采用平焊（平板式）法兰；

●除了采用焊唇垫片外，法兰公称压力的选用宜留有≥25%的裕量，且

不应低于公称压力2.0MPa；

●采用软垫片时，应选用凹凸面或榫槽面的法兰。

阀门的选用要求：

应采用防止阀杆填料处泄露的阀门，包括波纹管密封的截止阀、旋塞型和其他具有可靠的密封结构型式的阀门（如采用两段填料间加孔环并带小引出口的结构）。

具体的管道材料设计见管道材料等级表。羰基镍羰基铁等级表.xls

第三章管道材料专业在工程设计中经常遇见的一些问题

3.1 管道材料等级表中其它Others栏中的备注说明是非常重要的，这些备注说

明不能在数据库中完全体现出来，必须要管道专业在接收到管道材料等级表后要仔细阅读，并在随后的工程设计中按备注说明的要求进行设计；对于有些备注说明，管道专业还必须把这些备注说明写到施工图说明里；管道材料等级表-备注.xls

3.2 氧气管道材料的选用除了要满足温度、压力及流速等工艺参数外，还和工

艺方案的选择有很大关系。例如：当氧气管道上调节阀组设置独立阀门室或防护墙时（手动阀门的阀杆伸出防护墙外操作），管道材料的选用可按温度、压力及流速等工艺参数进行选取；当调节阀组不单独设置阀门室或防护墙时，氧气调节阀前后8倍调节阀公称直径的范围内，应采用铜合金（含铝铜合金除外）或镍基合金材质。

3.3 在工程设计中经常会碰到这种类型的工程，该工程的基础设计是由一些国

外工程公司完成的，其要求全部采用ASTM或DIN标准材料以及ASME 或DIN制造标准，而该工程的详细设计和采购、施工又在国内进行，此时应采用国内材料替代国外材料。工程中常见的一些材料替代情况如下：国内的碳钢材料（20#钢）替代美标A53,A106,API 5L，不锈钢材料0Cr18Ni9替代美标A312 TP304，不锈钢材料00Cr19Ni10替代美标A312 TP304L，0Cr17Ni12Mo2替代美标A312 TP316，00Cr17Ni14Mo2替代美标A312 TP316L，耐热合金钢材料15CrMo替代美标A335 P12，12Cr2Mo替代美标A335 P22等等，在替代时应特别注意两者的使用范围、强度等的区别。

H02-7C001.pdf

3.4 在工程设计中常会遇见两种不同金属材料之间的连接，对于异种金属材料

之间的连接，宜优先选择法兰连接的形式，如要采用焊接连接的形式，则需注意异种钢之间的焊接问题；有关异种钢焊接是有相关标准规范的，例如《石油化工异种钢焊接规程》SH/T 3526-2004，管道专业还必须把异种钢焊接所遵循的标准规范写到施工图说明里。SHT 3526-04 石油化工异种钢焊接规程.pdf

3.5 新的管道命名表中有了关于管道施工中无损检测的检查方法和比例的要

求，管道专业在完成该管道命名表时，常会有关于无损检测的检查方法和比例如何确定的问题；以下列出的几个标准规范中均有关于无损检测的检查方法和比例的规定；管道专业可参考上述标准规范来完成该管道命名

表。

3.5.1 《压力管道规范工业管道第5部分：检验和试验》中第2～6页；GBT

20801.5压力管道规范工业管道第5部分：检验与试验.pdf

3.5.2 《工业金属管道设计规范》GB 50316-2000(2008年版)中第145～146页；

GB 50316-2000 (2008年版) 《工业金属管道设计规范.pdf

3.5.3 《工业金属管道工程施工及验收规范》GB 50235-97中第35～36页；工业

金属管道工程施工及验收规范（GB50235-1997）.pdf

3.5.4 《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》SH3501-2002中

第13～14页；SH3501-2002 石油化工有毒可燃介质管道工程施工及验

收规范.doc

3.5.5输送氧气介质的管道，管道的焊缝检查应采用射线检测，

设计压力p≤0.6MPa时，检测比例不小于15%，焊缝质量等级不低于Ⅲ级；

设计压力0.6＜p≤4.0MPa时，检测比例为100%，焊缝质量等级不低于Ⅱ级；

（上述数据出自《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》GB 16912-200）。

第四章管道材料选材

应满足管内介质对材料耐腐蚀性（包括磨蚀）温度、压力方面的要求

1)．耐腐蚀：

酸、碱、尿素、NH3、氢、氧、氯离子、硫化氢汽、CO2汽等在不同温度不同浓度下的腐蚀性。

要考虑磨蚀：加腐蚀裕量

2）．耐温度

注：铸铁（一般不用于压力管道）

①普通灰铸铁

不得用于有毒﹑可燃或温度急剧变化的受压管道，但可用于设计温度0~150℃，设计压力≤1.6MPa的一般介质管道。特殊情况输送可燃流体，但T设＜150℃，P设≤1.0MPa。

②球墨铸铁

-20~343℃≤2.5 MPa，常温下可用于≤4.0MPa

③可锻铸铁

-20~343℃，对可燃介质仅用于设计温度≤150℃，设计压力≤2.5MPa

——要区别使用镇静钢与沸腾钢

①输送极毒、高度毒性、可燃介质、液化烃的压力管道应用镇静钢。

②输送可燃介质管道不得采用沸腾钢制造

③含C量＞0.24%的钢材，不宜用于焊制管子和管件。

3）．耐压力（与温度共同对管材壁厚强度的要求）

①管表号的含义

Sch.N O=1000P/〔σ〕

Sch的数值相当于钢管〔σ〕为100MPa时的承压能力（bar）。

Sch.N O适用于表达一定承压范围内多个公称直径管子的壁厚，将钢管壁厚系列化，便于组织批量生产。

②壁厚（mm）t

1000P D O

壁厚（mm）t = ————．———+ C

〔σ〕.φ1750

式中：P. 内压；MPa 〔σ〕.. 许用应力；MPa

D O，外径；mm C. 腐蚀裕量；mm（2.54mm）

φ.焊缝系数

2工程可用钢管

1）分类

（1）按材料

（2）按用途

（3）按制管工艺

无缝（热轧、冷拔、冷轧、锻造、离心铸造）

有缝（焊接）

1.直缝（焊接：ERW、EFW、EAW、GTAW、GMAW、PAW、FCAW、SMAW）

2.螺旋焊缝（ERW、SAW）

其中：ERW、电阻焊

EFW、电熔焊

SAW、埋弧焊

GTAW、手工或自动惰性气体保护钨极电弧焊

GMAW、金属极惰性气体保护电弧焊

PAW、等离子焊

FCAW、CO2药芯焊丝保护焊

SMAW、焊条电弧焊

i 连续炉焊钢管仅用于水及压缩空气

ii 电阻焊管：以管子（带卷）本身作为电流回路，利用电阻加热的同时，在压

力作用下连续对接焊接的管子，用于≤200℃无毒介质，不得用于剧烈循环工

况。

iii 电熔焊管：采用自动电弧焊或手工电弧焊，在预成形的坯料上纵向对接焊成

的管子

iv 直缝埋弧焊管≤1.6MPa ，水、空气、蒸汽、低压煤气及非极毒介质

v GB9711螺旋焊天然气钢管，中度及轻度毒性介质≤300℃

ⅵ钢管、水煤气输送钢管≤1.0MPa 0~200℃

（4）管子和管件

4.1 碳钢、奥氏体不锈钢钢管及其对焊管件应符合表1的规定。

表1 碳钢、奥氏体不锈钢钢管及其对焊管件

4.2 在剧烈循环工况下选用钢管、有色金属管和对焊管件时，应符合下列规定：

a) 应采用附录A中表A.1所列无缝管、纵向焊接接头系数大于或等于0.90的焊管和板焊管，不得选用电阻焊(ERW)焊管以及未经射线照相检测的电熔焊(EFW)焊管；

b) 应采用无缝管件、纵向焊接接头系数不小于0.90 的板制对焊管件和质量系数ΦC。不小于0.90 的铸件。

4.3 碳钢和铬钼合金钢

a) 用于焊接的碳钢、铬钼合金钢，含碳量应不大于0.30％；

b) 对于L290 (GB/T 9711.1－1997) 和更高强度等级的高屈强比材料，不宜用于设计温度大于200℃的高温管道；

c) 对于2.25Cr-1Mo 钢，当使用温度大于455℃ 时，焊缝金属的含碳量应大于

0.05％。

4.4 奥氏体不锈钢

a) 低碳(C≤0.08％) 非稳定化不锈钢(如0Crl8Ni9、0Cr17Ni12Mo2) 在非固溶状态下(包括固溶后经热加工或焊接)不得用于可能发生晶间腐蚀的环境；

b) 超低碳不锈钢不宜在425℃以上长期使用。

（5）常用钢管

5.1 碳钢

5.1.1电阻焊管（ERW）

5.1.2 电熔焊、埋弧焊管（EFW/SAW）

5.1.3 无缝管

5.2 低温钢

5.2.1 低温电熔焊、埋弧焊管（EFW/SAW）

5.2.2低温无缝管

5.3 合金钢

5.3.1 电熔焊管（EFW）

5.3.2 无缝合金钢管

5.4 不锈钢

5.4.1 电熔焊不锈钢管（EFW）(一)

5.4.2 电熔焊不锈钢管（EFW）(二)

5.4.3 不锈钢无缝管

b 许用应力值旁的直线(│)表示材料高于相应温度时，尚应符合GB/T 20801.3中第6、7章的规定；

c 采用黑体字表述的奥氏体不锈钢和镍基合金许用应力值取相应温度下材料屈服强度90％，当用于非标法兰或按GB/T 20801.3中7.3.2 计算时应将该值乘以75％；标有下横线的许用应力值大于相应温度下材料屈服

强度三分之二，当用于非标法兰或按GB/T 20801.3中7. 3.2计算时应适当降低。

d 材料不宜长期、满负荷地在带括号许用应力值所对应的温度下使用，且应符合GB/T 20801.3中第7章的

规定。

e 焊接后该铝合金材料的许用应力应按T4焊和T6焊选取。

f 高温条件下的奥氏体不锈钢应符合GB/T 20801.3中表2的规定。

g 高温条件下的镍及镍基合金应符合GB/T 20801.3中表3的规定。

h 板焊管标准可参照ASTM A671《常温和较低温用电熔焊钢管》、A STM A672《中温高压用电熔焊钢管》、

ASTM A69l《高温高压用碳素钢和合金钢电熔焊钢管》。

i 铝制管件标准可参照ASTM B361《铝及铝合金焊接管件》。

j 括号内标准或牌号系参照使用。

k 应附加低温冲击试验要求。

l 尚应符合GB/T 20801.3中6.1 条的规定。

m 尚应符合GB/T 20801.3中表l的规定。

n 尚应符合GB/T 20801.3中表4和6.2 条的规定。

o 数字表示最低使用温度，英文字母A或B表示本部分图l中的曲线，材料尚应满足GB/T 20801.3中8.1.3～

8 .1.5 条规定。

p 大于500℃，缺乏数据。

q 管件用原材料的标准有GB/T 1277l、G B/T 14976、GB 5310、G B 9948、HG /T 20537.3。

附图1：碳钢免除冲击试验的最低使用温度(℃)