第三章管道材料
石油化工生产工艺和生产条件是多样化的，它的操作温度在-196℃～800℃之间变化，操作压力在从真空到36.0MPa乃至更高的范围内变化，操作介质更是多种多样，所以，对材料的要求也是多方面的。压力管道广泛采用的材料为金属材料，因此，如果没有特别指明时，书中所言的材料一般指金属材料。了解金属材料的特性，掌握工程选材的原则，从而选择合适的材料，对石油化工生产装置建设的经济性和运行的可靠性是十分重要的，也是材料工程师的主要任务。实际上，材料在工程上的应用是一个很复杂的问题。在选用工程材料时，首先要考虑材料对操作条件的适应性，然后再综合考虑材料的加工性能、经济性能和实际可得到的货源等因素。本章就试图在简单介绍材料的有关基本知识之后，着重结合使用条件来论述材料的工程应用原则及限制条件。
第一节金属材料基本知识（一）
金属材料的性能首先取决于它的元素组成，其次它也将受微观组织、加工方法、热处理方式等因素的影响，而工程选材主要是依据材料的性能而进行的。作为材料工程师，有必要对影响材料性能的有关基本知识有所了解，并能够对材料的加工方法、热处理、检查试验等提出适宜的要求，从而能够选用到既可靠又经济的材料。有关金属材料的基本知识将分两部分来介绍。本节作为第一部分将介绍金属材料的微观结构、基本性能、常见元素对金属材料性能的影响以及金属材料的分类及牌号标识等内容，而与制造有关的金属材料基本知识将在第九章中介绍。
一、金属的微观结构
金属是石油化工生产装置中最主要的应用材料，有人比喻说：“石油化工生产装置是用钢铁垒起来的”。此话一点都不过分。那么什么是金属呢？它与非金属相比，具有以下四个明显的特征：金属的固体是晶体；金属具有良好的导电、导热性；金属具有特有的颜色和光泽；金属具有塑性。同时具有上述四种特征的材料才是金属，只具有上述一种或两种特性的材料不一定是金属。
（一）钝金属的微观结构
钝金属在工程上用的很少，大多数用的是其合金材料。为了便于理解，还是首先从钝金属说起。上面已经提到，固体的金属都是晶体，而晶体的最大特点就是其原子按一定的规律整齐排列着。不妨用假想的几何联线将原子的中心线连起来，形成一个空间几何格子，并称之为晶格，见图3-1所示。构成晶格的最小单元叫做晶胞，晶胞
各边的尺寸（x，y，z）叫做晶格常
数。根据晶格常数及原子的配置位置
不同，可将晶胞分成以下常见的三种
型式：即体心立方晶胞、面心立方晶
胞和密排六方晶胞，见图3-2所示。
其中，体心立方晶胞为x=y=z的正方
体，每个节点和体心内各置一个原子。
配属于该晶胞的原子数为（1/8）x8+1=2
个。属于此类晶格结构的金属有α-铁图3－1金属的晶格
（α-Fe）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、
钒（V）等；面心立方晶
胞也为x=y=z的正方体，
但它除每个节点各有一
个原子外，其六个面上
还各置一个原子。配属
于该晶胞的原子数为
(1/8)x8+(1/2)×6=4个。
属于此类晶格结构的金
属有铝（Al）、铜（Cu）、（a）体心立方晶胞（b）面心立方晶胞（c）密排六方晶胞
镍（Ni）、铅（Pb）、r-铁图3－2晶胞结构
（r-Fe）、银（Ag）等；密
排六方晶胞的y/x≈1.633，其配属该晶胞的原子数为（1/4）x12+（1/2）x2+3=6个。属于此类晶格结构的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等。不同晶格型式的金属，其机械性能是不同的。我们知道，金属的强度表现为金属原子间的金属健结合。也就是说，金属原子（实为离子）周围的自由电子穿梭于各原子之间，它不再为某个原子所拥有，而是为相邻的所有原子共有，各原子正是靠这些自由电子将它们紧紧地“粘”在一起（通常称这种结合为金属健结合），从而使金属具有了较高的强度。如果相邻原子较远，其自由电子的“粘结力”将降低。从上面讲到的三种晶胞型式看，由于其各个几何面上的原子数及原子间的距离不同，故各几何面上的原子结合力是不同的，这就是通常所说的晶体具有“各向异性”的原因。
金属的变形，实质上就是其晶格的变形或移动。在外力的作用下，金属内部的晶格首先将发生伸长或歪扭变形，如果去掉外力，变形的晶格将恢复正常的稳定位置，此时的金属变形称为弹性变形。如果施加的外力足够大，以致超过了原子间的结合力，金属内部的晶格将发生错位（业内人士称其为位错）或滑移，移位后的原子将和新位置上的原子发生“粘结”，此时就说金属发生了塑性变形。如果再增大外力，使它能够克服整个金属断面上所有晶格滑移所需要的力，此时金属的塑性变形量将快速增加，直到金属的断裂。对单晶体来说，晶格的变形（拉伸或扭转）或移位（位错或滑移等）总是优先在原子结合力较小的面间进行，或者是沿原子密度最大的几何面（称为晶面）发生。对于每种晶胞来说，这种面越多，晶体变形越容易，表现出来的金属塑性越好。因为密排六方晶胞的变形面较多，面心立方晶胞次之，体心立方晶胞最少，故具有体心立方晶胞结构的金属强度最高，面心晶胞次之，密排六方晶胞则最低。
众所周知，工程上应用的金属材料并没有呈现各向异性的性能。这是因为实际的金属材料通常并不是一个单一的晶体，而是由无数个晶格取向各不相同的小晶体所组成。每个小晶体的外形多呈不规则的颗粒状，并称其为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。显然，晶界上的原子为了适应两晶粒间的不同晶格方位的过渡，其排列是不规则的，晶格也不再保持原形而发生畸变。根据金属变形的理论可知，此时晶界上的原子难以移位，晶格也难以变形，故使得金属的性能因晶界的存在而发生改变，具体表现为金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性下降。又由于晶界的原子排列不规则，自由电子的运动受到阻碍，使得晶界金属容易失去电子而遭受化学或电化学腐蚀，同时金属的导电率、导热率下降。由于各晶粒的晶格取向不同，每个晶粒发生晶格变形都将受到它周围晶粒的约束和阻碍，因此实际金属中的晶粒也变得难以变形和移动。晶粒和晶界共同作用的结果使得实际金属的强度一般高于单晶体。试验证明，金属的强度不仅与原子间的结合力有关，还与其晶粒的大小有关。理论上可以这样解释：因为金属的晶粒尺寸越小，单位体积内的晶粒数就越多，晶界的总面积就越大，每个晶粒周围不同取向的晶粒数越多，从而表现出金属的变形抗力就越大，金属的强度越高。另一方面，晶粒尺寸越小，金属的塑性和韧性也越好。这是因为此时单位体积内的晶粒数目增加后，同样的晶格变形可以分散在更多的晶粒中发生，产生较均匀的变形，不致于造成局部某个晶粒过大变形而导致裂纹的出现，甚至导致金属的过早断裂。基于这样的理论，工程上常将金属中晶粒的大小作为评定金属产品内在质量好坏的一个重要指标。这部分内容将在第九章中介绍。
从上面的论述中可以得到这样一个结论：金属的晶粒尺寸越小越好。金属晶粒尺寸的大小与它液态凝固时的条件、压力加工变形方法、热处理方法等因素有很大关系。采用合理的凝固条件、压力加工变形方法和热处理方法，可以获得良好的晶粒尺寸。本节主要讲凝固条件对金属晶粒度的影响，而热处理及压力加工变形方法对晶粒度的影响将放在第九章中讲述。
（二）钝金属的结晶过程
物质从液态变为固态的过程叫做凝固。金属凝固时因为伴随着晶体的形成，故称这种凝固过程为结晶。结晶的过程实际上是一个能量转换过程。液体金属温度较高，也就是说其自由能较高，当金属冷却凝固时，实质上是一个降低其自由能的过程。当金属温度降低到其凝固点时，结晶便开始。由热动力学理论可知，实际开始结晶的温度应低于金属的凝固点，以此获得一个结晶降能的足够动力，通常把这个温度差叫做过冷度。过冷度越大，降能过程获得的动力越大，此时结晶过程进行的越快。
结晶总是首先从高熔点物或局部过冷度较大的地方开始。较高熔点物因其凝固点较高而首先凝固，而获得较大过冷度的局部金属也将首先凝固，通常把首先凝固的细小颗粒叫做晶核。晶核形成之后，由于固体表面散热快，故结晶将围绕晶核进行，使晶核长大，直到各晶粒相互接触并完成结晶。由此也可以说，结晶的过程就是晶核形成和成长的过程。金属中高熔点成分越多，形成的晶核就越多，得到的结晶晶粒尺寸就越小。结晶过程的过冷度越大，同时生成的晶核数量也越多，而且因晶粒成长的时间较短，故得到的结晶晶粒尺寸就越小。因此，工程上往往在一些材料中有意加入一些高熔点元素，或者有意加快冷却速度，以期得到晶粒较细的组织。
图3-3给出了铸件的结晶组织。从图中可以看
出，外侧靠近模型的部分，由于开始时模具温度比
较低，结晶过冷度大，此时形核量大，故得到的是
细晶粒组织。随着模具温度升高，形核量减少，此
时主要是晶核长大过程。而由于垂直模壁方向的散
热条件好，故晶核优先在垂直于模壁方向长大，从
而形成柱状晶粒组织。柱状晶粒有时会因晶体的棱
角处散热快而沿棱角发展，最终得到的晶粒呈树枝
状，故称之为枝晶组织。由于枝晶组织塑性较差，图3－3铸造组织
压力加工时易断裂，故它是不希望得到的组织。工
程上，对一些重要的管道元件要限制这种组织的大小和数量。铸件中心是最后凝固结晶的部分，此时
的金属散热很慢，结晶过冷度较小，晶核的形成和成长均比较慢，而且无方向性，故得到的是粗大晶粒组织。粗大晶粒组织使得金属的强度、韧性、塑性均比较低。
值得一提的是，当结晶将要进行完毕时，最后凝固的液体会因为得不到钢液的补充而出现缩孔，缩孔往往出现在铸件的上部。当金属中存在低熔点的杂质元素（对合金则是低熔点成分）时，会在金属内部形成许多分散的微小孔隙，通常称之为疏松。疏松产生的原因是这样的：基体成分优先结晶并长大，当各晶粒凸出部分相互接触后，会隔断杂质（低熔点）成分的钢液，而当这部分钢液最后冷却时因得不到补充而形成疏松。如果这些杂质成分被集中在某个区域（一般是在较后冷却的部分），形成一个成分和性能有别于基体金属的局部组织，通常称这种现象叫做偏析。如果此时的杂质成分是非金属，则形成非金属物夹杂。疏松、偏析和非金属物夹杂均对金属的强度不利，工程上对这些缺陷的存在或量的多少均应进行限制，详细内容将在第九章中介绍。疏松、偏析和非金属物夹杂既可出现在铸件的上部最后冷却部分，也可能出现在钢材内部。铸件中除可能出现上述的缺陷外，还可能出现裂纹、气孔、夹砂、铸造应力等缺陷。该部分也将在第九章中介绍。
（三）合金的微观结构
通过熔炼、烧结或其它方法将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起并形成一种具有金属特性的新物质称为合金。这里讲的合金与通常所说的合金钢不一样，合金是指广义上的两种或两以上的元素形成的具有金属特性的物质。而合金钢是指在碳钢中加入一些合金元素（除铁以外的其它金属元素）以形成具有特殊性能的金属物质。
合金的晶体结构和结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，先给出几个基本概念：
a、组元：指组成合金的最基本的、独立的物质。组元不单是指元素，也可以是化合物。
b、相：指钝金属或合金中具有同一化学成分、同一结构并以界面互相分开的、均匀的组成部分。这里的界面并非指晶界，即一个晶粒内也可以有多个相，而多个晶粒也可以属同一个相。
c、系：指相同或大致相同的组元以不同的结合比例而组成的一系列合金的集合。例如，0Cr18Ni9，1Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni12Mo2等就是同一系合金，常称做300系列不锈钢。由此可以说，自然的钝金属是有数的，而合金则是无数的。
d、组织：指组成合金的各相在空间上的配置情况。它与合金的相既有联系，又有区别。所谓的联系是指组织是由相组成的。所谓的区别是指即使相同的合金相，如果其配置不同，得到的组织也是不相同的。合金的组织不同，其性能也不一样。换句话说，合金的性能受其组织的影响。
固态合金中的相，按其晶格结构的特征不同，可分为两大类：其一为固溶体，其二为金属化合物。
如果相的晶格结构与合金的某一组元的晶格结构相同，其它组元则包含其中，这样的相称之为固溶体。固溶体中保留原晶格结构的组元叫做溶剂，而溶入溶剂中的组元称为溶质。根据溶质在溶剂晶格中所占据的位置不同可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的位置时，形成的固溶体叫做置换固溶体。而当溶质原子不是占据溶剂的晶格位置，而是嵌入溶剂原子之间的空隙中，此时所得到的固溶体叫做间隙固溶体。一般情况下，当溶质的原子直径比溶剂小很多时，得到的固溶体往往是间隙固溶体。不难理解，在间隙固溶体中，溶质在溶剂中的溶解量是有限度的，即直到溶质原子填满溶剂的空隙为止。其溶解的量常用溶解度来表示，溶解度等于溶质的重量与固溶体总重的百分比。间隙固溶体往往使得金属的强度升高，而塑性和韧性下降，这是因为溶质原子嵌入溶剂晶格之间的空隙中，起“钉扎”作用，使溶剂晶格难以变形所致。通常所说的金属氢脆现象正是基于这样的一个机理。
如果各组元以一定的原子数量比结合在一起形成一种具有金属特性的新相，而且新相的晶格结构与其组元中任一组元的晶格都不同，那么该新相就叫做金属化合物。根据形成的条件不同可将金属化合物分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。其中，正常价化合物符合化学理论中的原子价规律，各组元的成分比例是固定的；电子化合物则不符合原子价规律，其各组元的比例是由电子浓度支配的；间隙化合物既具有间隙溶解的性质，又具有化学结合的性质，如钢材的渗铝、渗氮、渗硼等。一般情况下，金属化合物中的各组元是靠化学健或化学健与其它健共同作用结合的，故它具有高强度、高硬度、高熔点、高脆性的特点。
（四）合金的结晶过程
由于合金是由多组元组成的，各组元的熔点不同，配置比例不同，结晶时的冷却速度不同，最终得到的结晶组织也不同。因此合金的结晶过程要比钝金属复杂的多。为了便于介绍，也首先介绍几个基本概念：
a、相平衡：指合金中参于结晶或相变过程的各相之间的相对重量和相的浓度处于相对稳定而达到的一种能量平衡。
b、相图：指一个以温度为纵坐标，以组元成分为横坐标，表明合金系中各个合金在不同温度下的组成、以及相与相之间平衡关系的图形。相图在金属加工和工程应用中是一个很重要的工具，从相图中可以查到合金的熔点和凝固点；根据相图可以确定合金热加工时的加热温度和热处理温度；相图表明了合金的成分及基本组织，由此可以预测合金的性能。
c、共晶反应：指在结晶过程中，从一成分固定的合金溶液中同时结晶出两种成分和结构皆不相同的固相的过程。共晶反应是一个恒温转变过程。
d、共析反应：指在冷却过程中，从一均匀一致的固相中同时析出两种化学成分和结构皆不相同的新固相的过程。共析反应也是一个恒温转变过程。
e、次生相：指从固相中析出的相结构有别于母相的小晶体。它是由于液态和固态情况下溶剂对溶质的溶解度不一样，而冷却速度又快，致使共晶反应进行不彻底造成的。一个组织中，如果次生相较多，会造成材料的弥散硬化现象。因为次生相和共析组织都是在温度较低的固相转变中得到的组织，此时原子扩散困难，故得到组织为细晶粒组织。
f、偏析：指由于合金中各组元的溶点不同，结晶的快慢也不同，从而形成晶内化学成分不均匀的现象。如果偏析发生在技晶上，则为枝晶偏析。前面已经讲过，钝金属的偏析一般是由杂质引起的，而合金则可能因各组元的熔点不同而造成，故相对于钝金属，合金更容易出现偏析现象。合金中的偏析会影响其机械性能和耐蚀性，故一般要通过热处理进行消除或改善。
下面就以铁碳合金相图为例介绍合金的结晶过程。
图3-4给出了铁碳合金的相图。
图3－4铁碳合金相图
该相图中有两个组元，即铁（Fe）和渗碳体（Fe3C）。其中，Fe的性能表现为强度和硬度较低，而塑性和韧性较好；Fe3C为具有复杂晶格的间隙化合物，其性能表现为硬而脆。该相图中有四个基本相，即液相（L）、铁素体（α）、奥氏体（r）和渗碳体（Fe3C），此外还有一个次生相即珠光体（P）。其中，铁素体为碳在α-Fe中的间隙固溶体，它具有体心立方晶格，溶碳量较少，室温溶碳量为0.008%，属常温组织；奥氏体（r）为碳在r-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构，溶碳量较大，属高温组织。奥氏体具有良好的塑性，故金属热变形加工多是在这种相状态下进行的；渗碳体（Fe3C）为金属键及化学键结合的化合物，性能如上介绍，属于常温组织；珠光体（P）为铁素体和渗碳体的两相机械混合物，它既具有良好的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，属常温稳定组织。含碳量大于2.06%的合金组织以及高温下的δ-Fe组织在工程上已无太大的意义，故省略介绍。
相图中，A点为钝铁的熔点（1534℃），C点为奥氏体和渗碳体的共晶点（1147℃），D点为渗碳体的熔点（1600℃），S点为铁素体和渗碳体的共析点（723℃）。GS线为亚共析钢（含碳量小于0.8%的铁碳合金）加热时铁素体向奥氏体转变的终了温度线，或者冷却时奥氏体向铁素转变的开始温度线，通常称之为A3线。因为相变对过冷度和过热度的需要，通常将加热时的A3线叫做Ac3线，将冷却时的A3线叫做Ar3线；ES线为过共析钢（含碳量大于0.8%但小于2.06%的铁碳合金）加热时渗碳体向奥氏体转变的终了温度线，或冷却时奥氏体向渗碳体转变的开始温度线，通常称之为Acm线。同理，考虑过热度和过冷度的问题，将加热时的Acm线叫做Accm线，将冷却时的Acm线叫做Arcm线；PSK线为加热时珠光体向奥氏体转变的温度线，或冷却时奥氏体向珠光体转变的温度线，通常称之为A1线。同理，加热时的A1线叫做Ac1线，冷却时的A1线叫做Ar1线。
从相图中可以看出，亚共析钢的常温组织为（α+P）。当其含碳量较小时，它的组织成分主要是铁素体和一些少量的珠光体，此时材料的塑性和韧性较好，强度和硬度较低。随着含碳量的增加，铁素体量减少，而珠光体量增加，此时材料的塑性和韧性降低，强度和硬度升高；当含碳量增加到0.8%时，得到的合金叫做共析钢。此时合金的常温组织全部为珠光体组织，材料的性能表现为强度、硬度、塑性和韧性均较好；继续增加含碳量，即合金中的含碳量大于0.8%时，得到的合金叫做过共析钢。过共析钢的常温组织中开始出现渗碳体，而且渗碳体随着含碳量的增加而增加，珠光体则随着含碳量的增加而减少。此时材料的性能表现为强度和硬度继续升高，而塑性和韧性则大幅度下降；当含碳量增加到2.06%时，合金的常温组织则是以渗碳体为网络骨架的组织，此时材料的强度、塑性和韧性均较差；含碳量超过2.06%时，此时的合金已成为铸铁。
现在就以工程上常用的20钢（平均含碳量为0.2%）为例，根据铁碳合金相图来看一下其结晶的过程。
20钢在(点以上时为液体（L）。冷却至稍低于(点的温度时开始从液相中结晶出δ-Fe。冷却至(点温度以下时，发生包晶反应（由已结晶的固溶体和其周围尚未结晶的液体相互作用而生成一种新的固溶体的过程）生成奥氏体。继续冷却至(点以下时，发生奥氏体向铁素体的转变。至(点以下温度时，剩余的奥氏体通过共析反应转变成珠光体。故20钢常温得到的组织为铁素体+珠光体（α+P）。
20钢作为铸件时，也有出现柱状组织、枝晶组织、气孔、缩松、偏析和非金属物夹杂等铸造缺陷的倾向。这一结论对其它合金也同样适用，它是一般铸件普遍具有的缺陷。通过改善铸造条件可消除或减少这些缺陷对钢材性能的影响，详见第九章中的介绍。20钢的偏析常常是由钢中的杂质元素磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等造成，非金属物夹杂则常常是由杂质元素硫（S）、氧（O）等形成的非金属化合物造成。这些杂质在工程上常对其含量加以限制，一般硫（S）、磷（P）含量不应超过0.035%。20钢在铸造时除易出现上述缺陷外，还常出现其特有的粗大魏氏组织，即此时铁素体沿晶界分布并呈针状插入珠光体内。魏氏组织使20钢的塑性和韧性都大大下降。
（五）过冷度对合金组织的影响
前面讲述了纯金属及铁碳合金的结晶过程以及最终的结晶组织，但这些组织都是理想化的组织。也就是说合金的结晶是在共晶反应和共析反应彻底完成的理想冷却条件下进行的。事实上，这种理想状态是不存在的。如果结晶过程中过冷度较大，结晶过程进行的较快，那么在温度降到Ar1以下时，仍留有部分奥氏体没有来得及转变成铁素体、珠光体或渗碳体，此部分奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体在低于Ar1以下时仍将继续转变，而且在不同的温位，转变后得到的组织是不同的。这些组织将对合金的性能产生影响，有时甚至产生较大的影响，故对这个问题有必要作进一步的介绍。在第九章中讲到的热处理，也将用到这些理论。
1、过冷奥氏体的等温转变
假如完全控制着冷却温度，那么在Ar1以下，过冷奥氏体在不同的温度下将发生不同的组织转变。
如果将冷却温度控制在A1~550℃，则发生高温转变，即珠光体型转变。由于渗碳体熔点较高，它首先形核，随着核心的成长，周围的奥氏体因贪碳而转变成铁素体，铁素体周围又因富碳而形成渗碳体，如此反复即形成一层渗碳体、一层铁素体相间的机械混合物，该机械混合物即为珠光体。但因转变温度的差异，得到的珠光体粗细也不同。温度较高时，因铁和碳的扩散能力强，形成的珠光体较粗大。通常把在A1~650℃温度范围内得到的珠光体组织叫做正常珠光体，在650℃~600℃温度范围内得到的珠光体组织叫做索氏体，在600℃~550℃温度范围内得到的珠光体叫做屈氏体。显然，屈氏体组织要比索氏体组织细，索氏体组织要比正常珠光体组织细。而其表现出的机械性能也是屈氏体优于索氏体，索氏体优于正常珠光体。
如果将转变温度控制在550℃~Ms（马氏体转变温度），则发生中温转变，即贝氏体型转变。贝氏体为在铁素体中析出许多细小的渗碳体而形成的组织。此时由于转变温度较低，铁原子扩散困难，仅有碳子扩散而造成。在不同的温度下，得到的贝氏体形态是不一样的。在550℃~350℃温度s温度范围内转变时，得到的组织为下贝氏体组织。下贝氏体的形态呈针叶状。此时由于碳化物的弥散硬化作用使得材料的性能比较好，即强度和韧性都比较好。
如果将转变温度控制在Ms（约230℃）以下，则发生低温转变，即马氏体转变。此时由于转变温度很低，铁原子和碳原子的扩散都非常困难，转变后碳以过饱和的方式溶于α-Fe中，通常把碳在α-Fe中的过饱和固溶体叫做马氏体。马氏体的形态受合金含碳量的影响也呈多种行状存在，常见形状有两种，其一为板条状马氏体（C≤0.2%时），其二是片状马氏体（C≥1.0%时）。它们的晶格结构呈高密度错位，从而导致材料的组织不稳定性，并产生较大的结晶应力，最重要的是组织中的过饱和碳原子和高密度的晶格缺陷交互作用，导致了材料的强度和硬度增加，而塑性和韧性急剧下降。
2、自然冷却情况下的过冷奥氏体转变
自然冷却情况下，转变温度将跨过上述的各个温度区间，而又不在哪个特定区间停留足够的时间，故过冷奥氏体在任何特定温度区间的转变都是不彻底的。因此，自然冷却情况下得到的组织即不完全属于珠光体组织，又不完全属于贝氏体组织，也不完全属于马氏体组织，而是三者皆有，只不过对不同的材料，三者的比例和对材料性能的影响不同而已。
从前面的分析中可知，过冷奥氏体在不同温度下的转变所得到的组织，有的对材料性能是有利的，有的是不利的。对某些材料，自然冷却情况下得到的组织可能是不利的，此时可通过适当的热处理，即通过控制转变温度，从而可以获得有利的组织而避开不利的组织。
3、过冷度的影响
过冷度越大，奥氏体在高温下（Ac1以上）转变的时间越短，那么产生的过冷奥氏体量越多，使得低温（Ar1以下）转变得到组织越多，尤其是得到的马氏体组织越多。因此常说的淬火（急冷）易到淬硬马氏体组织的原因正在于此。对于淬火组织，一般要再进行一次高温回火处理，使马氏体分解并在高温下转变为珠光体。需要说明的是，不同的材料，其珠光体、贝氏体和马氏体的转变温度是不同的，因此导致了不同材料其热处理温度也不同，有关热处理的知识将在第九章中介绍。
二、金属材料的基本性能
在前面的介绍中，曾多次提到金属的成分、组织、晶体结构等对材料的性能有影响，那么，材料的性能究竞都包括那些内容呢？看起来有必要先介绍一下材料的基本性能和反映这些性能的参数指标，才能更好地去分析理解有关的金属理论，并有意识地采取措施以获得所希望的性能，或者根据材料的基本性能去指导工程设计选材。金属材料的基本性能一般包括以下五个方面：机械性能、耐腐蚀性能、物理性能、制造工艺性能和经济性。
（一）机械性能
材料的机械性能是指在外力的作用下，材料抵抗破裂和过度变形的能力。它包括材料的强度指标、弹性指标、塑性指标、韧性指标、疲劳强度、断裂韧度和硬度等。
1、强度指标
材料的强度指标是决定其许用应力值的依据。设计中常用的有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切的强度极限(b和屈服极限(s，高温时还要考虑蠕变极限(n和高温持久极限(D。
强度极限(b是指材料在外力的作用下，由开始加载到断裂时为止所能承受的最大应力。它是反映材料抵抗大量均匀塑性变形的强度指标。
屈服强度(s是指材料在外力的作用下，由开始加载到刚出现塑性变形时所承受的应力。它是反映材料抵抗微量塑性变形的强度指标。对某些材料，在加载试验时，其应力应变图中没有明显的屈服平台，此时就以产生0.2%塑性变形时的应力作为该种材料的屈服极限，并用(0.2表示。
蠕变极限(n是指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后产生的塑性变形量为1%时的应力。高温持久极限(D是指在一定的温度条件下，材料受外力作用在经历10万小时时间后产生断裂时的应力。蠕变极限(n和高温持久极限(D均是高温下材料抵抗破坏的强度指标。
2、弹性指标
弹性指标是稳定性计算的主要依据，它包括的参数主要有弹性量E等。
弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。
3、塑性指标和韧性指标
塑性指标和韧性指标是材料受冲击载荷作用时的主要设计依据，也是低温或超低温条件下对材料使用性考核的一个重要指标。其中，塑性指标包括的参数主要有材料的延伸率δ、断面收缩率ψ。韧性指标包括的参数主要有材料的冲击韧性αk和冲击功Ak等。
延伸率δ是指试样发生拉伸破坏时，产生的塑性变形量与原试样长度比值的百分数。根据所选试样长度是试样直径的5倍还是10倍，延延率δ分别有δ5和δ10两个数据。断面收缩率ψ是指试样发生拉伸破坏时，其缩颈处的横截面积缩小量与试样原横截面积比值的百分数。延伸率和截面收缩率均是反映材料塑性的指标。一般情况下，δ5<5%的材料为脆性材料。
冲击功Ak是指试样在进行缺口冲击试验时，摆锤冲击消耗在试样上的能量。而消耗在试样单位截面上的冲击功就是冲击韧性αk。它们是反映材料抗冲击载荷破坏的性能指标，或者说是反映材料韧性的一个性能指标。
由于冲击功仅为试样缺口附近参加变形的体积所吸收，而此体积通常又无法测量，且在同一断面上每一部分的变形也不一致，因此用单位截面积上的冲击功（即冲击韧性）αk来判断材料韧性的方法在国内外已逐渐被淘汰，而应用较多的则是冲击功Ak。
材料的塑性指标和韧性指标与其强度指标和弹性指标不同，它们不直接参与力学计算，而仅仅定性地反映材料的性能。
4、疲劳强度
疲劳强度是指材料在交变应力的作用下，发生破坏时的最大应力，通常用疲劳持久极限来衡量，即材料在交变应力的作用下，经过无数次（一般规定大于106次(107次）的应力循环也不会导致疲劳破坏时的最大应力。它是反映材料抗交变应力破坏的强度指标。
5、断裂韧度
断裂韧度是指材料在受力状态下，内部的裂纹刚刚扩展时其裂纹应力强度因子达到的临界值。如果应力强度因子超过这一临界值（即断裂韧度），裂纹将会扩展而导致材料断裂。断裂韧度是判断材料内部裂纹危险性的一个指标，该指标常被用在断裂力学设计中，或者用于在役压力管道的可靠性和剩余寿命的评估上。
6、硬度
硬度是指材料抵抗外物压入的能力，或者说是材料抵抗局部塑性变形的能力。材料硬度高时，其耐磨性也好。材料的硬度除了与其化学成分有关外，还与它的热处理状态、金相组织、加工或焊接残余应力等有关，故工程上常用检查硬度的办法检验材料热处理的效果，也用它来检验焊接残余应力的存在程度。一般情况下，材料的布氏硬度与其强度之间有着下列近似关系：
低碳钢： σb=0.36HB
高碳钢： σb=0.34HB
调质合金钢：σb=0.325HB
（二）耐腐蚀性能（化学性能）
金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。
石油化工生产过程中所处理的物料大多数是对金属材料有腐蚀的物质，因此材料对介质的抗腐蚀性就成了选择材料的重要依据。例如，材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生；选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效。等等。这些方面的内容将在本章第二节中详细论述。
（三）物理性能
材料的物理性能主要是指其密度g(kg/m3)、导热系数((kcal/m.℃.h）、比热(kcal/kg.℃）、熔点Tm（℃）、线膨胀系数α（1/℃）、弹性模量E和比重q等。不同的使用条件，对其物理性能有不同的要求。为了便于设计人员查找有关资料，特将有关常用金属材料的物理参数列于附录F3-1。
（四）制造工艺性能
材料的制造工艺性能主要是指其切削加工性、可铸性、可锻性、可焊性和热处理性能等。它也是影响材料选择的一个重要因素，例如，渗铝材料是一种抗硫腐蚀比较好而又相对廉价的材料，但因其焊接问题尚未解决好，使用范围便受到了限制，以至到目前尚不能用在压力管道上。
1、切削加工性能
它是反映金属及合金进行冷机械切削加工难易程度的一个指标。一般情况下，常用金属材料的切削加工性能由好到差的顺序是这样的：铝合金及镁合金>铜合金>一般铸铁>碳素钢>合金钢>奥氏体不锈钢。
2、可铸性
它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺陷的倾向性。常用的金属材料中，铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。
3、可锻性
它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。一般情况下，金属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。脆性材料无可锻性。
4、可焊性
它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。
5、热处理性能
金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。
（五）材料的经济性
材料的选择是不能脱离经济性这个杠杆作用的，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。例如，对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。
对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，充分发挥其优点，避开其缺点，使之物尽其用。通过了解这些基本性能，对正确选用材料，提出适宜的制造技术要求，做到既经济又可靠的设计是非常有必要的。
三、温度对金属材料性能的影响
金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。然而，温度对材料性能的影响是多方面的。以腐蚀为例，许多腐蚀的发生都与温度条件有关，而且，不同的温度条件，腐蚀发生的机理、形态、速度等都不一样。有关腐蚀与温度的关系将在本章第三节中介绍，在这里仅介绍在高温和低温条件下，材料性能发生的一些变化。
（一）金属材料在高温下的性能变化
在高温作用下，金属原子间的自由电子获得了外界的能量，其活动范围扩大，使原子间的“粘结力”减小，晶格错位容易进行，从而使金属材料的强度下降，而塑性和韧性升高。高温下材料许用应力降低的原因就源于此。
1、材料的蠕变及应力松驰
当材料的使用温度超过其熔点的（0.25~0.35）倍时，金属的性能已处于不稳定状态，eO+Fe3O4+Fe2O3氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。常用材料的抗氧化极限温度列于表3-1。一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下（如烧焦时）才可能这样做。
表3-1常用金属材料的抗氧化极限温度
钢材牌号 抗氧化极限温度℃ 碳素钢 ≤560 12CrMo ≤590 15CrMo ≤590 1Cr5Mo ≤650 0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2 ≤850 0Cr25Ni20 ≤1100
（二）金属材料在低温下的性能变化
在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性（冲击功）来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性（冲击功）的限制。
塑性材料在常温下均呈塑性断裂，断裂前有较大的塑性变形及缩颈，断裂过程较慢。在低温下，塑性材料将呈现脆性断裂，它在断裂前没有明显的塑性变形及缩颈，断裂常常是突然发生。
美国人W.S.Pellini等人通过大量的试验研究，得到了无缺陷材料脆断转变温度（NDT）的曲线（即以应力和缺陷为纵坐标，以温度为横坐标的曲线），在曲线的名义应力作用下，材料不会发生脆断。但实际的材料都是有缺陷的，温度的降低增加了材料内部裂纹脆断的危险性，因此NDT与材料的原始缺陷有关，若缺陷越大，NDT越小。但NDT有个极限，即应力水平低于某个值时，不论温度有多么低，也不会发生脆断。该应力一般为常温屈服极限的1/7~1/10。
四、常见元素对金属材料性能的影响
应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基体元素是铁（Fe），所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。
（一）常用碳素钢中各元素对其性能的影响
压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25%(0.45%的亚共析钢。
碳素钢中，其主要影响元素是碳（C）。除此之外，尚有硅（Si）、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素。
1、碳（C）在碳素钢中的作用
从铁碳合金相图中可以看出，碳素钢随含碳量的增加，其组织中的铁素体量在减少，而渗碳体的量则在增加，从而使得碳素钢的强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。一般情况下，当含碳量大于0.25%时，碳钢的可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。
含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。
2、硅（Si）在碳素钢中的作用
硅是碳素钢中的常见元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于锰、铬和钒，所以在炼钢过程为常用的还元剂和脱氧剂。为了保证碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量不应少于0.1%，因此，有时也根据碳素钢中是否含硅或含硅的多少来判断其脱氧程度。
硅在碳素钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用。但硅含量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性、延展性和可焊性，并易导致冷脆，对中、高碳钢回火时易产生石墨化。
3、硫（S）、氧（O）在碳素钢中的作用
硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物（如FeS、FeO）型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是硫的存在常引起材料的热脆注。硫和磷常是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。
注：由于FeS可与铁形成共晶，并沿晶界分布。Fe-FeS共晶物的熔点为985℃，当在1000℃(1200℃温度下对
材料进行压力加工时，由于它已经溶化而导致晶粒开裂，使材料呈现脆性。材料的这种脆性现象常称为热脆。
4、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）在碳素钢中的作用
磷、砷和锑是属于元素周期表中的同一族元素，因此三个元素在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性，尤其低温脆性。磷和砷又都有是造成碳素钢严重偏析的有害元素。磷对钢的焊接性不利，它能增加焊裂的敏感性。
注：由于磷以固溶型式存在于铁素体中，影响铁素体的晶格变形，使碳素钢在常温下呈现脆性。这种现象常称为
冷脆。
（二）常用低合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20%的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25%(0.45%的铬钢和铬钼钢。
低合金钢中，其主要影响元素有碳（C）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）、硅（Si）、铝（Al）等。除此之外，尚有硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素。
1、碳（C）在低合金钢中的作用
同碳素钢部分。
2、锰（Mn）在低合金钢中的作用
锰与铁形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。锰又是碳化物形成元素，它进入渗碳体中将取代一部分铁原子。锰还可起到细化珠光体的作用，因此，在碳锰钢中常利用锰来提高钢的强度，但它使材料的延展性有所降低，而且增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量应在1%~2%。
锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数量的锰。
锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好。
锰能强烈增加碳锰钢的淬透性。锰含量较高时，有使钢晶粒粗化并增加钢的回火脆性的不利倾向。
锰对钢的焊接性有不利的影响。为改善钢的焊接性，应在许可的范围内，适当降低钢的碳含量。焊接时也需采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。
3、铬（Cr）在低合金钢中的作用
铬是缩小(相区和形成(相圈的元素，在(－Fe中无限固溶，在(－Fe中的最大溶解度为12.5%。
铬属于中等碳化物形成元素。随铬含量的增加，可形成(Fe，Cr)3C、(Cr，Fe)7C3、(Cr，Fe)23C6等碳化物，使铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。
铬增加钢的淬透性并有二次硬化作用。
铬是显著提高钢的脆性转变温度的元素，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加而下降。
在含钼的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。
4、钼（Mo）在低合金钢中的作用
钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体；当含量较高时，则形成特殊碳化物。在较高回火温度下，由于钼的弥散分布，可使材料出现二次硬化。
钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。此外，钼还可有效地抑制渗碳体在450℃~650℃工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。自含钼0.5%的低合金钢用于锅炉管后，一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。
钼在钢中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。
钼常与其他元素如锰、铬等配合使用，可显著提高钢的淬透性；钼含量约0.5%时，能抑制或降低其他合金元素导致的回火脆性。
5、钒（V）在低合金钢中的作用
钒是缩小(相区、形成(相圈的元素，在(－Fe中无限固溶，在(－Fe中的最大溶解度约1.35%。
钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。在低合金钢中，钒能有效地固定钢中的碳和氮，并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒，即使在高温下，聚合长大也极缓慢，因而可以增加钢的热强性和对蠕变的抗力。一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12Cr1MoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。
含钒钢在热处理中，能提高晶粒粗化的温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等，尤其是它能提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性，因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。
由于钒对碳的固定作用，在高温下，对抗氢腐蚀（脱碳和脆化）是有益的。在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右，过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用，过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。
6、硅（Si）在低合金钢中的作用
硅作为杂质元素时，它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同，作为合金元素时，一般应不低于0.4%。
硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用，在常见元素中仅次于磷，而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。但硅含量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。
低硅含量对钢的抗腐蚀性能影响不大，只有当硅含量达到一定值时，它对钢的抗腐蚀性能才有显著的增强作用。硅含量为15%~20%的硅铸铁是很好的耐酸材料，对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定，但在盐酸和王水的作用下稳定性很小，在氢氟酸中则不稳定。高硅铸铁之所以抗腐蚀，是由于当开始腐蚀时，在其表面形成致密的SiO2薄层，阻碍着酸的进一步向内侵蚀。
含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成SiO2薄层，从而提高钢在高温时的抗氧化性。
7、铝（Al）在低合金钢中的作用
铝与氮及氧的亲和力很强，因此它也用作炼钢时的脱氧定氮剂，并起到细化晶粒、阻抑碳钢的时效、提高钢在低温下韧性的作用。
铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。因此，铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中，得到了广泛的应用。
铝在铁素体及珠光体钢中，当它的含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。
铝和碳虽然可以化合生成碳化物Al4C3和Al3C，但它和碳的亲和力小于铁和碳的亲和力，因此在钢中一般不存在铝的碳化物。
当铝含量达到一定量时，可使钢产生钝化现象，使钢在氧化性酸中具有抗蚀性，但使钢的焊接性变坏。
铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。铝含量在4%左右的钢，在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。
铝对钢在水蒸汽、氯气、特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。
在钢铁材料表面镀铝和渗铝，可以提高其抗氧化性和在工业和海洋性气氛中的抗蚀性。
含铝的钢渗氮后，在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的氮化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。
铝是高锰低温钢的主要合金元素。一定量的铝，有提高铁锰奥氏体的稳定度、抑制(—Mn相变的作用，从而使铝在低温钢中得到了应用。
8、硫（S）、氧（O）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素在低合金钢中的作用
同在碳素钢中的作用。但由于低合金钢熔点较高，磷、砷、锑等杂质元素容易在高温下迁移聚集，从而导致低合金钢的高温回火脆性注。一般情况下，低合金钢均采用较高级的冶炼方法（如电炉冶炼），故其硫、磷等杂质元素含量较低。
注：合金钢在进行高温回火热处理或长期在高温下工作时，其中的杂质元素磷、砷、锑等容易在高温下迁移聚集。
由于这些元素的熔点一般比合金元素低，它将“割裂”材料基体而导致合金钢在高温下呈现脆性。因为合金
钢的这种脆性发生在红热的温度下，故常称为红脆。
（三）常用高合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中常用的高合金钢为含碳量小于0.10%的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。
高合金钢中，其主要影响元素有碳（C）、铬（Cr）、钼（Mo）、镍（Ni）、钛（Ti）、硅（Si）等。除此之外，尚有硫（S）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素。
1、碳（C）在高合金钢中的作用
碳也是高合金钢中的强化元素，但不是主要强化元素，此时的强化元素主要是合金元素。为了满足高合金钢的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能的要求，它的含碳量一般不大于0.1%。
对于铬镍或铬镍钼奥氏体不锈钢，它的含碳量一般不大于0.08%。当其含碳量小于等于0.03%时，由于含碳量较低，高温强度也较低，故不宜用于525℃及以上的温度环境中。作为高温下耐热用的高合金钢，其含碳量应大于等于0.04%，但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。
2、铬（Cr）在高合金钢中的作用
铬在铬钼高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。
铬在不锈耐热钢中，当其含量超过12%时，使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。但铬含量太高时或者处理不当，易发生(相和475℃回火脆化。
在单一的铬钢中，材料的焊接性能随铬含量的增加而恶化。
3、钼（Mo）在高合金钢中的作用
钼在铬钼高合金钢中的作用与在低合金钢中的作用相似。
钼在不锈耐热钢中，也能使钢表面钝化，但作用不如铬显著。钼与铬相反，它既能在还原性酸（HCI、H2SO4、H2SO3）中又能在强氧化性盐溶液（特别是含有氯离子时）中，使钢材表面钝化。因此，钼可以普遍提高钢的抗蚀性能。
钼加入奥氏体耐酸钢中，能显著地提高材料对醋酸、环烷酸的抗蚀性。
在含有氯化物的溶液中，常会引起奥氏体耐酸钢的点腐蚀和晶间腐蚀。材料中加入钼后，这种倾向在很大程度上会被减缓或抑止。
4、镍（Ni）在高合金钢中的作用
镍是扩大(相区，形成无限固溶体的元素，它是奥氏体不锈钢中的主加元素。
镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的(相和(相中，使之强化。
镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能。含镍量超过一定值的碳钢，其低温脆化转变温度显著降低，而低温冲击韧性显著提高，因此镍钢常用于低温度材料。一般情况下，含镍达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用，含镍达到9%的镍钢可在-196℃超低温下使用。含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳的性能。镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆。在高温时镍将与一氧化碳化合形成Ni(CO)4气体而由合金中逸出，从而在材料中留下孔洞。
在不锈耐热钢中，镍与铬、钼等元素适当配合使材料在常温下为奥氏体组织，即得到所谓的奥氏体不锈钢或耐热钢。然而，目前镍在全世界范围内都是一种比较稀缺的元素，故作为一种合金元素，应该只有在用其它元素不能获得所需要的性能时，才考虑使用它。
由于镍可降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而它可提高钢的淬透性。
镍不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作为热强钢中的强化元素。在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化，钢的强度必须靠其它元素如钼、钨、钒、钛、铝来提高。
镍是有一定抗腐蚀能力的元素，对酸、碱、盐以及大气均具有一定的抗蚀能力。
5、钛（Ti）在高合金钢中的作用
钛是缩小(相区，形成(相圈的元素。
钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧的亲和力也极强，是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素，正因为这样，含钛的高合金钢不宜用作铸件。
在奥氏体不锈钢中，由于钛能固定碳，有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。如果奥氏体不锈钢中的钛、碳含量之比超过4.5时，由于此时材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住，故使得材料对晶间腐蚀、应力腐蚀和碱脆有很好的抗力。
当钛以碳化钛微粒存在时，由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核，可使钢的淬透性降低，但也使材料的高温固溶强化效果降低。
钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。在高镍含铝合金中能形成((相(Ni3（Al，Ti）(，并弥散析出，从而提高材料的热强性。目前，钛越来越多地被用作航空、宇航工业材料。
钛作为强碳化物形成元素，可以提高钢在高温、高压、氢气中的稳定性。当钢中的钛含量达到碳含量的4倍时，可使钢在高压下对氢的稳定性几乎高达600℃以上。
6、硅（Si）在高合金钢中的作用
硅在高合金钢中常用于奥氏体－铁素体或铁素体－奥氏体双相不锈钢中，起固溶强化作用。
各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅，可以增强它们的高温不起皮性。
在铬、铬铝、铬镍、铬钨等钢中加入硅，都将提高它们的高温抗氧化性能。但硅含量太高时，材料的表面脱碳倾向增加。
7、硫（S）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素在高合金钢中的作用
同低合金钢部分。
思考题
1、金属具有那些特征？
2、什么叫晶体？什么叫晶格？什么叫晶胞？常见的晶胞形式有哪几种？
3、什么叫晶粒？什么叫晶界？晶界的特性有哪些？
4、为什么说金属的晶粒度越小，其综合机械性能越好？
5、什么叫结晶？什么叫过冷度？
6、什么叫金属的组元、相、系和组织？
7、什么叫固溶体？什么叫间隙固溶体？
8、什么叫相图？说明A3、A1、ACM线的意义。
9、什么叫共晶反应？什么叫共析反应？
10、什么叫马氏体？它对材料的性能有什么影响？
11、材料的机械性能指标有哪些？
12、高温环境对材料性能有哪些影响？
13、什么叫蠕变？什么叫应力松弛？
14、什么叫材料的球化？什么叫石墨化？
15、低温环境对材料性能有哪些影响？
16、什么叫低温脆性转变温度？
17、碳元素在碳素钢中有哪些作用？
18、碳元素在奥氏体不锈钢中的作用如何？
19、硫（S）和磷（P）对材料性能有什么影响？
20、什么叫热脆？什么叫冷脆？什么叫红脆？
第二节常用金属材料
从第一节中已经知道，压力管道中最常用的材料是金属材料，而且不同元素组成的金属材料其性能差别很大，既是相同的材料，在不同的环境下，其性能也不同。然而，不同的元素或相同的元素以不同比例组成可以得到无数种金属材料，要罗列出这些材料是不现实的，也是没有必要的。在这里仅对压力管道中常用的金属材料，就其分类、特点、用途和表示方法进行介绍。
在所用的众多金属材料中，大致可以分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属通常指铁和铁的合金，有色金属是指铁及铁合金以外的金属及其合金。
一、常用黑色金属材料
黑色金属根据它的元素组成和性能特点可以分为三大类，即铸铁、碳素钢及合金钢。
（一）铸铁
从铁碳合金相图（图3-4）中可以知道，含碳量大于2.06%的铁碳合金称为铸铁（而真正有工业应用价值的铸铁其含碳量一般为2.5%(6.67%）。铸铁的主要成分除铁之外，含碳和硅量也比较高。由于铸铁中的含碳量较高，使得其中的大部分碳元素已不再以Fe3C化合物存在，而是以游离的石墨存在，故铸铁的性能特点是可焊性、塑性、韧性和强度均比较差，一般不能锻造，但它却具有优良的铸造性、减摩性、切削加工性能，价格便宜，因此常用作泵机座、低压阀体等材料，有时地下低压管网也用铸铁做成的管子和管件。根据铸铁中石墨的形状不同可将铸铁分为灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁三类。
石墨以片状形式存在于组织中的铸铁称之为灰口铸铁。灰口铸铁浇铸后缓冷得到的组织为铁素体和游离石墨共存，断口呈灰色，灰口铸铁也因此而得名。灰口铸铁各项机械性能均较差，工程上很少用。根据GB9439的规定，灰口铸铁的牌号表示方法如下：
HTXX
最小抗拉强度的十分之一，MPa
“灰铁”两字的汉语拼音第一个字母
经过长时间石墨化退火，使石墨以团絮状存在于铸铁组织中，此类铸铁称之为可锻铸铁。在可锻铸铁中，由于团絮状石墨对金属基体的割裂和引起应力集中的作用比片状石墨小，故可锻铸铁的强度、塑性、韧性均优于灰口铸铁，其延伸率可达12%，但可锻铸铁制造工艺复杂，价格比较高。由于可锻铸铁具有一定的塑性，故“可锻”的名称也由此而出，其实它仍为不可锻。可锻铸铁在工程上常用作阀门手轮以及低压阀门阀体等。根据断面颜色或组织的不同，可锻铸铁又分为黑心可锻铸铁、白心可锻铸铁和珠光体可锻铸铁三种。常用的是黑心可锻铸铁，牌号有KTH330－8、KTH350－10（见GB9440标准）等。黑心可锻铸铁的牌号表示方法如下：
KTHXXX——XX
延伸率，（%）
最低抗拉强度，MPa
“可铁黑”三字的汉语拼音第一个字母
球墨铸铁是通过在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂进行球化处理，并加入少量的孕育剂以促进石墨化，在浇注后直接获得具有球状石墨结晶的铸铁。由于球状石墨比团絮状石墨对金属基体的割裂和引起应力集中的作用更小，故球墨铸铁的各项机械性能指标均优于可锻铸铁，故可代替可锻铸铁用在较苛刻的条件下。球墨铸铁比可锻铸铁价格便宜，故它的应用更广泛。球墨铸铁牌号的表示方法为QTXXX-XX，后面的数字意义同可锻铸铁，QT为“球铁”两字的汉语拼音第一个字母。常用的球墨铸铁有QT400－15、QT450－10等牌号，见GB12227标准。
（二）碳素钢
在铁碳合金相图（图3-4）中，含碳量小于等于2.06%的铁碳合金称为碳素钢。
注：实际上，从使用性上来说，锰钢（含锰的碳素钢）使用范围与碳素钢大致相同，仅仅是钢的强度比碳素钢高，
而重量略轻，故国外例如美国ASTM标准常将锰钢与碳素钢归为一类，统称为碳钢，而我国的材料标准则将
锰钢叫做低合金钢。作者认为有些不妥，因为在人们的印象中，凡合金钢都是通过加入Cr、Mo、Ni、V、W
等合金元素，且表现出特殊的性能（如耐热性、抗腐蚀性等）。但为了与我国的标准保持一致，这里仍将锰钢
等归为低合金钢。
碳素钢的分类方法有很多种，如按化学成分分类常分为低碳钢（C<0.25%）、中碳钢（C=0.25%~0.6%）和高碳钢（C>0.6%）三种；按质量分类常分为普通钢（S≤0.05%，P≤0.05%）、优质钢（S≤0.04%，P≤0.04%）和高级优质钢（S≤0.02%，P≤0.03%）三类；按用途分类常分为结构钢、承压用钢（压力容器用钢、锅炉用钢）、工具钢等。由于中碳钢和高碳钢可焊性较差，在工程设计中除螺栓材料之外，常用的压力管道材料都是低碳钢。
1、普通碳素钢
普通碳素钢与优质碳素钢相比，由于它的有害杂质元素S、P含量相对较高，综合机械性能和耐蚀性较差，故不宜用在较重要的场合，但普通碳素钢价格便宜，故工程上常用于各种钢构架、支吊架等，而流体输送管道上使用时常给与一定的限制，详见本章第四节。
普通碳素钢根据其冶炼过程的脱氧程度不同可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。在浇铸前不用硅和铝脱氧，浇铸时在钢锭模内产生沸腾现象，这类钢叫沸腾钢。而脱氧较完全，浇铸时钢水在钢锭模内不产生CO气体，这类钢叫镇静钢。进行中等程度脱氧，介于沸腾钢和镇静钢之间的钢叫半镇静钢。沸腾钢常在其材料牌号后面加字母F进行表示，半镇静钢则是在其材料牌号后面加字母b进行表示，镇静钢省略不加。
沸腾钢由于脱氧不完全，钢液中含氧量多，浇注及凝固时会产生大量CO气泡，造成剧烈的沸腾现象。沸腾钢冷凝后没有集中缩孔，因而成材率高，成本低，表面质量及深冲性能好。但因含氧量高，成分偏析大，内部杂质多，抗腐蚀性和机械性能差，且容易发生时效硬化和钢板的分层，故不宜作重要用途。
镇静钢由于脱氧完全，浇注时钢液平静，没有沸腾现象，冷凝后有集中缩孔，所以成材率低，成本高。但镇静钢中气体含量低，时效倾向小，钢锭中气泡、疏松较少，质量较好。
普通碳素钢的表示方法和代号按GB700标准规定如下：
QXXX——XX
冶炼时的脱氧方法，分别为F、z、b三个字母。F为沸腾钢；z为镇静
钢，可省略不注；b为半镇静钢。
质量等级号，分别用A、B、C、D字母表示。A级不做冲击试验，B级
做常温V形缺口冲击试验；C、D两级常用在重要场合下。
材料的屈服强度，MPa。分别为195、215、235、255、275五个等级
“屈”字汉语拼音第一个字母。
压力管道中常用的普通碳素结构钢牌号为Q235A（F、ｂ）、Q235B（F、b）、Q235C、Q235D四种，这些牌号的质量要求是顺次提高的。材料标准为GB700。
2、优质碳素钢
优质碳素钢中的有害杂质元素S、P比普通碳素钢低，不仅如此，二者的冶炼方法也多有不同，普通碳素钢多用成本最低的转炉冶炼，而优质碳钢则采用平炉或钝氧顶吹转炉冶炼，脱氧较好，杂质含量较低，故其综合机械性能、耐蚀性等均优于普通碳素钢。优质碳素钢与高级优质碳素钢相比，价格不高，故这类钢是工程上应用最广泛的碳素钢。
优质碳素钢的表示方法和代号按GB221标准规定如下：
XXXXXXX
特殊用途标记，如R表示压力容器用钢；g表示锅炉用钢；D表示低
温用钢。如果为沸腾钢或半镇静钢，尚应用“F”或“b”字母附后。
含锰元素的量达到0.7%以上时，或者特意加入的其它元素，为该元素
的化学符号，如Mn，Si等。
两位数数字，表示钢中平均含碳量的万分之几。常见的有10、20、25、
35等。
两个字母“ZG”，表示铸钢，铸钢以外的生产方法不表示。
GB699标准给出了优质碳素钢的化学成分和机械性能要求。该标准共列出了08F、10F、15F、08、10、15、20、25、……70Mn等31种材料牌号，而压力管道中常用的牌号为08、10、20三种。08和10钢因含碳量低、硬度低、塑性好，常用作金属垫片。20钢则常用于管子和管件。
GB8163、GB9948、GB6479、GB3087、GB5310等标准给出了优质碳素钢钢管的材料制造要求，它们都是压力管道常用的钢管标准，有关这些标准的应用将在第五章中介绍。
GB710、GB711、GB713、GB5681、GB6654等标准给出了优质碳素钢钢板的材料制造要求，它们都是压力管道常用的钢板标准。选用时，应根据其应用范围确定。
GB12225、GB12228等标准给出了压力管道常用的优质碳素钢的铸件材料制造要求。
3、高级优质碳素钢
高级优质碳素钢各方面性能略优于优质碳素钢，但价格较高，工程上应用的并不多。一般情况下，如果采用优质碳素钢不能满足使用条件要求时，将考虑选用相应的合金钢而不用高级优质碳素钢。高级优质碳素钢的表示方法是在优质碳素钢的牌号后面加字母“A”。
（三）合金钢
为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理化学性能，通常有意识地向钢中加入一些合金元素，由此得到的钢就叫合金钢。
材料中加入合金元素后，其性能将发生一系列的变化。
从本章第一节中已经知道，常用钢材都是由铁素体、奥氏体、碳化物、金属间化合物、金属和非金属夹杂物以及基本上不溶解于钢中的少量的游离元素等组成的混合体，但不同的钢具有不同的晶格结构和微观组织，也表现出不同的性能。钢的性能取决于铁的固溶体和碳化物的各自性能以及彼此相对的分布状态，合金元素正是通过改变上述的因素而发生作用的。
合金元素因溶于铁素体中起固溶强化作用，从而提高了材料的硬度和强度，但同时却使其韧性和塑性相对降低。在珠光体低合金钢中，合金元素主要是通过对铁素体的固溶强化和使珠光体变细而得到强化的。
一般情况下，除了碳元素对合金钢的淬火和回火性能有影响外，合金元素的影响则更大，其影响主要表现在：提高钢的淬透性，使截面积较大的零部件也能获得全部的马氏体组织；提高钢的回火稳定性，使材料在较高温度下回火也能获得较好的综合机械性能。
一般情况下，蠕变的产生常由于晶界强度的降低所致，而合金元素如钼、铬等能显著提高材料的晶界强度，从而使材料有较高的抗蠕变性能。
材料在低温下强度一般略有提高，但塑性和韧性则下降很多，通过添加一些合金元素可提高材料在低温下的塑性和韧性。例如，从组织上来讲，奥氏体组织有较好的塑性和韧性，超细晶粒组织其塑性和韧性也较好，故通过加入足够的合金元素使材料在常温下为奥氏体组织，或加入能使奥氏体晶粒变细的铝（Al）、镍（Ni）等元素而获得的材料，用于低温甚至超低温下仍具有良好的塑性和韧性。
奥氏体不锈钢由于有较多的合金元素，又具有单一的奥氏体组织，故它具有较好的抗氧化腐蚀性能和高温使用性能。工程上，奥氏体不锈钢常用于多种腐蚀工况和高温工况。
综上所述，合金钢与碳素钢相比，它具有较高的强度，较好的耐热性，较好的耐低温性能，较好的耐腐蚀性能等优点，甚至有些生产环境采用碳素钢是满足不了要求的。故合金钢是压力管道中常用的也是很重要的材料。根据用途不同，合金钢可以按表3-2分类：
表3-2合金钢的分类
第一层分类 第二层分类 第三层分类 特点及用途 合
金
合金结构钢
低合金钢 属于低碳型合金钢，合金元素总量一般不超过3%，强度明显高于碳素钢，有较好的塑性和韧性，可焊性尚可，常用于中高温、抗氢、抗高温硫腐蚀等工况条件
钢 调质钢 属中碳型合金钢，合金元素含量也比较低，主要是用于提高淬透性，获得强度较高的索氏体组织。这类合金钢常用作高温螺栓、螺母材料 表3-2（续）
第一层分类 第二层分类 第三层分类 特点及用途
合金结构钢 弹簧钢 其含碳量比调质钢更高，通过调质处理以获得较高的强度和屈强比，并有较好的抗疲劳强度，常用作弹簧材料 滚动轴承钢 属于高碳型合金钢，合金含量较高，通过球化退火、淬火、低温回火等获得高而均匀的硬度和耐磨性，常作滚动轴承等 刀具钢 属高碳型合金钢，通过淬火+低温回火获得马氏体组织，有较高的硬度、耐磨性和热硬性，常用作机加工切削工具 合 合金工具钢 模具钢 属中碳型合金钢，通过淬火+高温回火获得索氏组织，以获得较好的强度、韧性、硬度和耐磨性，同时还具有好的回火稳定性，常用作锻造模具 金 量具钢 属高碳型合金钢，通过复杂的热处理工艺（包括冷处理和人工时效处理）使得它既具有高的硬度和耐磨性，还具有机加工性能好、稳定性好等特点，常用作量具材料 钢 特殊性能钢 不锈钢 属于低碳高合金元素的合金钢，利用合金元素本身的抗蚀性或形成单一的组织，常用于抗腐蚀。一部分不锈钢可用作耐热钢。 耐热钢 属于低碳高合金元素的合金钢，但并不是所有的耐热钢都可以用作抗腐蚀 低温钢 属于低碳合金钢，根据耐低温的温度不同，其合金元素有高有低。常用的低温专用钢为镍钢
压力管道中常用的合金钢有低合金钢、调质钢、不锈钢、耐热钢和低温钢。其它钢种有时也会偶尔碰到，有兴趣的读者可查阅有关专著，在此不再作进一步的介绍。
1、低合金钢
工程上常用的低合金钢有碳锰系、碳锰钒系、铬钼系和铬钼钒系等系列。
GB/T1591标准给出了碳锰系和碳锰钒系低合金钢的化学成分和机械性能要求。该标准列出了Q295A（B）、Q345A(E、Q390A(E、Q420A(E、Q460C(E共20种材料牌号。其表示方法及代号含义同普通碳素钢部分。当用于常温及以上温度时，可用A、B或C级；当用于－20℃(－40℃时，可用D或E级。值得一提的是，该标准修订前与修订后的表示方法差别很大，而当该标准修订后，其它相应的配套标准（例如GB8163、GB9948、GB6479、JB4726、GB6654等）尚未随之变动，故近期应用时应注意这个问题。
GB3077标准给出了铬钼系和铬钼钒系低合金钢的化学成分和机械性能要求。该标准共列出了81种材料牌号，其表示方法按GB221标准的规定如下：
XXXXXXXXX
特殊用途标记，同优质碳钢部分。对于高级优质合金钢，则在其基
本代号后面加字母“A”。
主要合金元素符号及其含量，其中前两位为元素符号，后两位数字
表示该合金元素的平均百分比含量。数字为一位数时则用一个数字
表示，含量不足1.5%时可省略不注。有多个合金元素时则依次按此
规则填写。
两位数字，表示钢中平均含碳量的万分之几。
两个字母“ZG”，表示铸钢，铸钢以外的生产方法不表示。
常用的铬钼系和铬钼钒系低合金钢材料牌号有12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等，它们常用作抗氢腐蚀、抗高温硫或硫化氢腐蚀和耐热（次高温）等材料。例如，12CrMo和15CrMo常用于550℃以下的高温工况，或用于320℃以下的临氢工况；12Cr1MoV常用于575℃以下的高温高压蒸汽介质。
2、调质合金钢
调质合金钢属于低合金结构钢的一种，合金元素总量一般不大于3％，但由于它的含碳量较高，故强度高，可焊性差，常用于螺栓、螺母材料。
GB3077标准给出了调质合金钢的化学成分和机械性能要求，其表示方法同低合金钢中的铬钼系和铬钼钒系。常用材料牌号有40Cr、45Cr、30CrMo、30CrMoA、35CrMo、35CrMoA、25Cr2MoVA等。用作螺栓材料时常为高级优质调质合金钢。
3、不锈钢
不锈钢的最大特点就是其合金元素含量比较高，均超过10％，有的高达50％甚至更多。由于它含有大量的合金元素，故其耐热、耐蚀等性能大大优于碳素钢和低合金钢，但随之而来的是其价格也远远高于碳素钢和低合金钢。
不锈钢根据其常温的组织不同可分为奥氏体型、奥氏体—铁素体双相型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型五类。对于奥氏体型又可根据其含碳量的不同分为高碳型（C=0.04%~0.12%），低碳型（C≤0.08%）和超低碳型（C≤0.03%）三种。
a、奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢常温组织为单一奥氏体组织，它消除了组织之间的电位差，故有利于抗电化学腐蚀。又由于它含有大量耐蚀合金元素，故也抗高温化学腐蚀。奥氏体不锈钢具有良好的综合机械性能，也具有良好的可焊性，故工程上应用很广泛。但其价格较高，约是碳钢材料的10倍，是普通合金钢的近4倍，故不是必须使用时就不要轻易选用。
高碳奥氏体不锈钢由于其含碳量较高，高温强度较高，故常用作耐热钢。
超低碳型奥氏体不锈钢由于其含碳量较低，不易产生晶间腐蚀倾向，故常用作耐腐蚀钢。但它的强度较低，尤其是高温强度较低，故不应在高温下使用。
低碳型奥氏体不锈钢的性能介于高碳和超低碳之间，既可作防腐蚀用，又可作为耐热用。但其防腐性能不如超低碳型，而高温强度不如高碳型。
有时为了使奥氏体不锈钢既具有较高的强度和耐热性，又具有抗晶间腐蚀性能，常在低碳型奥氏体不锈钢中加入稳定化元素（Ti、Nb），得到稳定型的奥氏体不锈钢。这种材料对耐温和耐蚀兼而有之，故工程上应用较广。
不锈钢（包括奥氏体型、奥氏体—铁素体双相型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型）的表示方法按GB221标准规定如下：除含碳量的表示方法不同外，其它均与低合金钢相同。此时的含碳量以一位数字来表示，该数字为平均含碳量的千分之几。当平均含碳量小于千分之一时，用“0”表示；当平均含碳量小于0.03%时，用“00”表示。
GB1220标准共给出了33种奥氏体不锈钢的材料牌号，而常用的材料牌号有0Cr18Ni9(304)、00Cr19Ni10(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、00Cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb（347)、0Cr25Ni20（310）、0Cr23Ni13等。
b、奥氏体—铁素体型不锈钢
奥氏体—铁素体型不锈钢常温组织为奥氏体+铁素体组织。由于此类材料中含有硅、铝等合金元素，加之它具有双相组织，故它抗氯化物引起的晶间腐蚀和应力腐蚀性能明显优于奥氏体型不锈钢。它与奥氏体型不锈钢一样，具有良好的综合机械性能，也具有良好的可焊性，故常代替奥氏体型不锈钢用于容易发生晶间腐蚀的工作环境。r26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi、00Cr18Ni5Mo3Si2共3种奥氏体—铁素体型不锈钢的材料牌号。关于这些材料牌号的应用可参照有关的手册或专著。
c、铁素体型不锈钢
铁素体型不锈钢常温组织为铁素体组织。由于它的平均含铬量大于11.7%，可在材料表面形成一层致密的铬氧化物薄膜，从而能有效地保护材料免遭腐蚀。但其防腐性能不如奥氏体型不锈钢，焊接性能也比较差，还容易出现475℃回火脆性和σ相析出引起的脆性，故常用在腐蚀性较弱的环境。铁素体型不锈钢在压力管道中应用的不多，而在压力容器中常用作复合材料的复层。
GB1220标准共给出了7种铁素体型不锈钢的材料牌号，而常用的材料牌号有00Cr12和0Cr13Al。d、马氏体型不锈钢
马氏体型不锈钢的合金元素含量与铁素体型不锈钢类似，但其含碳量较高，淬透性较好，容易得到硬而脆的马氏体组织。因此，它具有较高的硬度和耐磨性，耐蚀性较弱，常用于医疗中的手术刀，而压力管道中则常用作碳素钢和铬钼钢阀门的阀杆和阀芯。
GB1220标准共给出了18种马氏体型不锈钢的材料牌号，而常用的材料牌号有1Cr13、2Cr13、3Cr13等。
e、沉淀硬化型不锈钢
沉淀硬化型不锈钢是指可以进行沉淀硬化处理的奥氏体或马氏体型不锈钢。经过沉淀硬化处理后，此类不锈钢有很高的强度和硬度，其耐蚀性则接近于奥氏体不锈钢，在压力管道中它常用作螺栓和螺母材料。
GB1220标准给出了0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al共3种沉淀硬化型不锈钢的材料牌号。关于这些材料牌号的应用可参照有关的手册或专著。
4、耐热钢
GB1221标准共给出了40种耐热钢的材料牌号。对比GB1220和GB1221标准就可以看出，除超低碳不锈钢和双相不锈钢外，大多数不锈钢都可用作耐热钢。耐热钢根据其常温的组织不同可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型和沉淀硬化型四大类。工程上常用的耐热钢材料牌号有：
a、奥氏体型：0Cr18Ni9(304)、0Cr17Ni12Mo2(316)、0Cr18Ni10Ti(321)、0Cr18Ni11Nb（347)、0Cr25Ni20（310）、0Cr23Ni13等；
b、铁素体型：00Cr12、0Cr13Al等；
c、马氏体型：1Cr5Mo、1Cr13、2Cr13、3Cr13等；
d、沉淀硬化型：0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等。
值得一提的是，作为耐热合金钢，工程上常用的还有Cr2Mo、Cr9Mo等材料，但GB1221标准中却没有列入。Cr2Mo、Cr9Mo材料和1Cr5Mo一样，属于低碳型合金钢，常温下可获得铁素体和珠光体组织，但容易淬硬而出现马氏体组织。这类钢有较高的热强性，常用于350℃~650℃且腐蚀性不强的工况下，如动力系统的高温蒸汽管道。它还有一定的抗高温硫腐蚀和高温氢腐蚀的能力，故也用在此类介质环境中。这类钢焊接性较差，容易出现延迟裂纹，故一般焊后要进行热处理。
5、低温用钢（镍钢）
具有面心立方晶格的金属材料（如铜Cu、镍Ni、奥氏体钢等），一般没有低温冷脆现象，是最好的低温用材，故含铜、镍等元素的合金钢常用于低温工况。此外，晶粒越细，钢材的低温冲击韧性越好，故一般铁素体钢要正火处理后使用。杂质元素硫（S）、磷（P）、氧（O）都将降低钢材的低温冲击韧性，故一般要严格控制。
我国的低温用钢有16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb等，或者用奥氏体不锈钢。但前者一般适应的低温温度不宜太低，而奥氏体不锈钢又比较贵，故这里介绍ASTM中常的低温用钢，即镍（Ni）钢。常用的镍钢牌号及其化学成分和性能见表3-3所示。
表3-3常用镍钢的化学成分和机械性能
化学成分 强度及塑性 V型冲击韧性 适用 牌号 C Mn Si Ni σs
(MPa) σb
(MPa) σ(%) T试(℃) (k
(J\cm2) 温度(℃） 2.5Ni ≤0.17 ≤0.70 0.15~
0.30 2.1~2.5 260 ≥500 23 -50 20 -50 表3-3（续）
化学成分 强度及塑性 V型冲击韧性 适用 牌号 C Mn Si Ni σs
(MPa) σb
(MPa) σ(%) T试(℃) (k
(J\cm2) 温度(℃） 3.5Ni ≤0.17 ≤0.70 0.15~
0.30 3.25~3.75 260 ≥500 23 -101 20 -101 5Ni ≤0.13 0.30~
0.60 0.20~
0.35 4.75~5.25 460 ≥670 20 -170 34 -170 9Ni ≤0.13 ≤0.90 0.15~
0.30 8.5~9.5 530 ≥700 20 -196 34 -196
二、常用有色金属材料
工业上通常将铝、铜、镁、铅、锌等金属及其以这些金属为基体组成的合金叫做有色金属。应该说，这些材料在压力管道上的应用并不多，但由于它们具有一些独特的性能，故仍有必要作一介绍。
有色金属与黑色金属相比，具有以下特点：重量轻，比强度高，有特殊的耐腐蚀性能。但其强度一般较低，冶炼困难，价格高。
有色金属的种类很多，比较常用的有色金属有铝及铝合金、铜及铜合金。表3-4给出了铝及铝合金、铜及铜合金的分类、特点和用途。
表3-4常用有色金属的分类、特点及用途
第一层
分类 第二层
分类 第三层
分类 特点及用途
铝合金 防锈铝
合金
（LF） 属于Al-Mn（LF21）或Al-Mg（LF5、LF11）合金。前者比钝铝有较好的耐蚀性，强度高，且有较好的压力加工性能和焊接性能，但机加工性能较差。后者重量比钝铝轻，强度比Al-Mn合金高，耐蚀性能好，可替代钝铝和Al-Mn合金，压力管道中常用作低温材料
常
用 硬铝合金
（LY） 属Al-Cu-Mg合金，它比防锈铝合金有较高的强度和较好的机加工性能，但防腐蚀性能不如防锈铝合金好，尤其不耐海水腐蚀，可作地脚螺栓等材料 有
色
金
属
铜合金 黄铜(主要添加成分为锌） 常用的有锡黄铜（HSn62-1）、铅黄铜（ZHPb59-1）和铁黄铜（ZHFe59-1-1）三种。锡黄铜能耐海水腐蚀，强度较高，常用于船舶用管；铅黄铜因铅的存在而使其加工性能较好，耐磨性也较好，但强度低，常用作阀杆轴承衬套；铁黄铜具有较好的耐海水腐蚀性能，强度适中，有较好的耐磨性，故常用作轴承衬套和船用管道附件 青铜(主要添加成分为锡） 常用的有锡青铜（QSn4-4-2.5）、铝青铜（QAl9-2）、铸造铝青铜（ZQAl9-2）三种。锡青铜有良好的减摩性和耐蚀性，常用作受磨擦的零件如轴承等；铝青铜有较高的机械性能和耐蚀性，可用作海轮上的管道配件；铸造铝青铜机械性能适中，用于铸造耐磨零件
1、铝及铝合金
铝很轻，比重为2.7，其密度大约是铜的三分之一；铝塑性好（(＝80％），强度低（(b＝80(100MPa），机加工性能较差；铝很容易被氧化而形成一层致密的、附着力很强的氧化膜，该氧化膜能保护铝进一步被腐蚀，故它具有很好的抗大气腐蚀性能。但因氧化膜的存在，增加了铝在焊接时的焊接缺陷，故它比碳钢的焊接性能差。铝与硅、铜、镁、锰等组成的合金，可以根据其组成的比例不同，而得到多种铝合金，而且不同合金的机械性能和耐腐蚀性能差别很大。常见铝合金的性能特点、用途已列入表3-4中，其化学成分、机械性能、可适用的腐蚀介质等可查阅有关手册或专著。铝合金的表示方法为：字母后面跟随数字，字母为“铝”及功能性代表字如“防、硬”的汉语拼音字母，后面的数字为该系列的顺序号。
2、铜及铜合金
铜是良导体，故常用作电导体元件；铜的化学性能比较稳定，能很好地耐大气甚至海洋大气腐蚀，但不耐氨以及强氧化性介质的腐蚀；铜的塑性很好，可以承受各种形式的冷热压力加工。铜与锡（Sn）、铅（Pb）、铝（Al）、铁（Fe）等元素并以不同的比例结合，可以得到一系列铜合金。与不同的元素结合，或以不同的比例结合，得到的铜合金性能差别很大。常见铜合金的性能特点和用途已列入表3-4中，其化学成分、机械性能、可适用的腐蚀介质等可查阅有关手册或专著。铜合金的表示方法按相应的国家标准规定为：“字母+主加元素符号+铜含量—主加元素含量”。对黄铜来说，此处的字母为“H”，即“黄”字的汉语拼音第一个字母；对青铜来说，此处的字母为“Q”，即“青”字的汉语拼音第一个字母。如果该合金为铸造合金，则尚应在牌号前加字母“Z”。
思考题：
1、什么叫铸铁？工程上常见的铸铁材料有那几种？
2、什么叫普通碳素钢？表示方法如何？
3、什么叫沸腾钢？什么叫镇静钢？什么叫半镇静钢？
4、沸腾钢和镇静钢各有何优缺点？
5、什么叫优质碳素钢？表示方法如何？
6、常用优质碳素钢的材料标准和材料牌号有哪些？
7、什么叫合金钢？常用的合金钢有哪几类？
8、低合金钢的表示方法如何？
9、常用低合金钢的材料标准和材料牌号有哪些？
10、常用调质合金钢的材料牌号有哪些？
11、什么叫奥氏体不锈钢？常用奥氏体不锈钢的材料标准和牌号有那些？
12、常用耐热钢的材料标准和牌号有那些？
13、ASTM标准给出的镍钢牌号有哪些？适用温度范围如何？
14、什么叫黑色金属材料？什么叫有色金属材料？
15、有色金属材料与黑色金属材料相比有何特点？
第三节石油化工生产过程中常见的腐蚀环境
石油化工生产过程中所处理的介质大多数是对金属材料有腐蚀的介质，或者说，在石油化工生产中，金属腐蚀可能发生在生产装置的各个部位和每个过程。事实证明，金属腐蚀的危害性是十分普遍的，而且也是十分严重的。首先，腐蚀会造成重大的直接或间接损失，例如，金属材料的应力腐蚀和疲劳腐蚀，往往会造成灾难性重大事故，不但给生产者带来重大的经济损失，而且危及人身安全。其次，金属腐蚀会带来大量的金属消耗，从而浪费大量的资源。据统计，每年因腐蚀要损耗掉钢材产量的10%～20%。第三，因腐蚀而造成的生产设备和管道的跑、冒、滴、漏，会影响生产装置的生产周期和设备寿命，增加生产成本，同时还会因有毒物质的泄漏而污染环境，危及人民健康。等等。
前面已经提到，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。因此，对材料工程师来说，有必要熟悉石油化工生产过程中常见的腐蚀环境，了解腐蚀发生的机理、形态和条件，从而能够正确选择材料以避免发生腐蚀破坏。
然而，金属的腐蚀涉及到了一系列的基础理论知识，就以金属腐蚀学来说，它涉及到了金属学、金属物理学、物理化学、电化学、力学等多门学科的知识，而金属腐蚀学本身又包括了腐蚀电化学、腐蚀金属学、腐蚀工程力学、生物腐蚀和防腐系统工程等多门学科的知识。在这里来系统的介绍这些方面的知识是不现实的，为此，本书仍就在简单介绍一些基本概念后，着重就石油化工生产过程中常见的腐蚀环境进行论述，并由此提出选材的有关要求。
一、常见的腐蚀类型及其定义
腐蚀的分类方法较多，例如按腐蚀介质分，有大气腐蚀、水腐蚀、土壤腐蚀、干燥气体腐蚀及各种酸、碱、盐的腐蚀等；按遭受腐蚀的材料分，有碳钢的腐蚀、不锈钢的腐蚀、各种有色金属的腐蚀及高分子材料的腐蚀等。但比较容易与工程选材结合的腐蚀分类方法有以下两种，即按腐蚀发生的机理划分和按腐蚀形态划分。
（一）根据腐蚀发生的机理划分
按腐蚀发生的机理来分，可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三大类。
1、化学腐蚀
化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。其特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应，形成腐蚀产物，而没有电流产生。
金属在高温气体中的硫腐蚀、金属的高温氧化均属于化学腐蚀。
2、电化学腐蚀
电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发生电化学反应而引起的破坏。其特点是：它至少包含一个阳极反应和一个阴极反应，腐蚀反应过程中电子通过金属从阳极区流向阴极区，其结果必然伴随着电流的产生。电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀，例如金属在大气、海水、土壤和各种电解质溶液中的腐蚀都属此类。
3、物理腐蚀
它是指金属由于单纯的物理溶解而引起的破坏。其特点是：当低熔点的金属熔入金属材料中时，会对金属材料产生“割裂”作用。由于低熔点的金属强度一般较低，在受力状态下它将优先断裂，从而成为金属材料的裂纹源。应该说，这种腐蚀在工程中并不多见。
（二）根据腐蚀形态划分
按腐蚀形态分类，可分为均匀腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三大类。
1、均匀腐蚀
它的特点是腐蚀均匀地发生在整个金属表面。大多数的化学腐蚀均属于这种类型。均匀腐蚀是危险性最小的一种腐蚀，工程中往往是给出足够的腐蚀余量就能保证材料的机械强度和使用寿命。
均匀腐蚀常用单位时间内腐蚀介质对金属材料的腐蚀深度或金属构件的壁厚减薄量（称之为腐蚀速率）来评定。SH3059标准中规定：腐蚀速率不超过0.05mm/a的材料为充分耐腐蚀材料；腐蚀速率为0.05mm/a～0.1mm/a的材料为耐腐蚀材料；腐蚀速率为0.1mm/a～0.5mm/a的材料为尚耐腐蚀材料；年腐蚀速率超过0.5mm/a的材料为不耐腐蚀材料。
2、局部腐蚀
局部腐蚀又叫非均匀腐蚀，它的特点是腐蚀发生在金属材料的一些特定区域。局部腐蚀虽不象均匀腐蚀那样造成大量的金属损失，但其危害性远比均匀腐蚀大，因为均匀腐蚀容易被发觉，容易设防，而局部腐蚀则难以预测和预防，往往在没有先兆的情况下，使金属构件突然发生破坏，从而造成重大火灾或人身伤亡事故。局部腐蚀很普遍，据统计，均匀腐蚀占整个腐蚀中的17.8%，而局部腐蚀则占80%左右。工程中，选材时应力求避免局部腐蚀的发生。根据腐蚀发生的条件和形态不同，局部腐蚀又可分为以下几种：
a、电偶腐蚀
当两种电极电位不同的金属或合金接触并处于电解质溶液环境中时，电位较负的金属其腐蚀速度会比它单独存在时更快，而电位较正的金属腐蚀速度反而比它单独存在时减慢，这种腐蚀称之为电偶腐蚀。如碳钢与不锈钢接触并处于电解质环境中时，碳钢将被加速腐蚀，而不锈钢则被保护。工程上，应尽可能避免具有不同电位的金属材料在腐蚀环境中直接接触。
b、点蚀
对于表面有钝化膜或保护膜的金属，当其钝化膜表面存在机械裂缝、擦伤、夹杂物等缺陷造成钝化膜的厚薄不均匀时，甚至露出基体金属时，便形成活化—钝化腐蚀电池，从而产生局部腐蚀。这种腐蚀一般纵向发展，形成蚀坑或蚀孔，通常称这种腐蚀为点蚀。具有钝化膜或保护膜的金属有铝及铝合金、不锈钢、耐热钢、钛合金等。这种腐蚀环境多为含有氯离子或氯化物等强还原性介质的的腐蚀环境。点蚀的破坏性和隐蔽性较大，它往往又是晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等发生的诱因。工程上防止点蚀发生的措施是：选择对点蚀不敏感的材料，控制介质中氯离子的含量。
c、缝隙腐蚀
金属构件表面由于存在异物或由于结构上的原因而存在缝隙（一般在0.025mm～0.1mm）时，因为缝隙内存在的腐蚀介质迁移比较困难，从而引发金属的腐蚀，这种发生在缝隙内的金属腐蚀叫做缝隙腐蚀。缝隙腐蚀往往会成为其它腐蚀如点蚀、应力腐蚀的诱因，因此，工程上应力求避免缝隙腐蚀的发生。对于容易产生缝隙腐蚀的介质，在管道结构设计上应避免有缝隙存在。
d、晶间腐蚀
晶间腐蚀是一种因微电池作用而引起的局部破坏，是特定的金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界产生的腐蚀。它的特点是在表面还看不出破坏时，晶粒之间已丧失了结合力。它是一种危害性很大的局部腐蚀。晶间腐蚀的发生有两个条件，其一是晶界物质的物理化学状态与晶粒本身不同；其二是有特定的腐蚀环境存在。工程上最常见的容易发生晶间腐蚀的材料是奥氏体不锈钢。防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀发生的措施主要有三个：其一是降低不锈钢中的含碳量，使之小于奥氏体室温溶解度（0.02%～0.03%)以下；其二是进行固溶热处理，使晶粒和晶界物质的化学成分一致；其三是采用含稳定化元素（主要是钛和铌）的奥氏体不锈钢。
关于奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的机理，目前说法很多，但能为大多数人所接受的说法是贫铬说。贫铬说认为，由于高温奥氏体和低温奥氏体对碳的溶解度不一样，当材料从高温冷却时，过饱和的碳元素将从奥氏体中析出并向晶界迁移，同时铬元素也向晶界迁移，但碳和铬的迁移速度不同，碳元素的迁移速度快。当冷却速度较快时，碳和铬都来不及迁移，而碳被固溶在奥氏体中，此时晶界的化学成分没有发生变化，也就不会产生晶间腐蚀倾向。当冷却速度非常慢时，碳和铬先后都充分迁移到晶界，从新达到碳铬平衡，此时晶界与晶粒内的化学成分也没有差别，故也不会产生晶间腐蚀倾向。这种冷却方式在工程上是不现实的。当冷却速度介于极快和极慢之间时，由于碳元素迁移的速度快，在铬还来不及充分迁移到晶界时，冷却已经完成，此时就造成晶界上的碳元素多，铬元素少，也就是说造成了晶界的贫铬。贫铬的晶界其耐腐蚀性能下降，从而导致材料晶间腐蚀倾向产生。对于超低碳奥氏体不锈钢，因其碳含量低于奥氏体室温溶解度，不存在过饱和的碳迁移问题，也就不存在晶间腐蚀倾向问题。对于稳定型奥氏体不锈钢，由于其中的稳定化元素（钛和铌）与碳形成很稳定的碳化物（碳化钛、碳化铌），它将固定着碳使它不能迁移，从而抑制了晶间腐蚀倾向的产生。
晶间腐蚀是点蚀的一种特例，只不过它是发生在晶界上而已，而点蚀既可以发生在晶界上，又可以发生在晶内。
3、应力作用下的腐蚀
应力作用下的腐蚀也象局部腐蚀那样，在没有发生预兆的情况下，突然导致金属构件的破坏。因此它也是一种危害性较大的腐蚀。与局部腐蚀有所不同的是，应力作用下的腐蚀通常是在应力和腐蚀介质共同作用下产生的，而在实际工程应用中，管道元件通常都是在受力状态下工作的，因此，它也是一种普遍存在的腐蚀类型。根据腐蚀发生的条件和形态不同，它又可分为以下几种类型：
a、应力腐蚀
它指的是金属构件在拉伸应力和腐蚀环境共同作用下引起的破坏。应力腐蚀断裂的产生应具备以下三个条件：其一是要有特定的腐蚀环境（包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等）；其二是要有足够大的拉伸应力（应超过某一极限值）；其三是金属材料具有特定的合金成分和组织（包括晶粒大小、晶粒取向、形态、相结构、各类缺陷等）。常用金属材料易产生应力腐蚀断裂的环境组合见表3-5。
表3-5易产生应力腐蚀开裂的金属材料和环境组合
材料 环境 材料 环境 高温碱液 碳钢 苛性碱溶液 奥氏 氯化物水溶液 及低 氨溶液 体不 海水、海洋大气 合金 硝酸盐水溶液 锈钢 连多硫酸 钢 含HCN水溶液 高温高压含氧高纯水 湿的CO-CO2—气体 浓缩锅炉水
表3-5（续）
材料 环境 材料 环境 硝酸盐和重碳酸溶液 水蒸汽（260℃） 含H2S水溶液 260℃硫酸 碳钢 海水 奥氏 湿润空气（湿度90%） 及低 海洋大气和工业大气 体不 NaCl+H2O2水溶液 合金 CH3COOOH水溶液 锈钢 热NaCl+H2O2水溶液 钢 CaCl2、FeCl3水溶液 热NaCl （NH4）2CO3 湿的氯化镁绝缘物 H2SO4-HNO3混合酸水溶液 H2S水溶液 红烟硝酸 氨蒸汽及氨水溶液 N2O2 铜 三氯化铁 钛 湿的Cl2(288℃、346℃、427℃） 合 水，水蒸汽 及 HCl(10%，35℃） 金 水银 钛 硫酸（7%～60%） 硝酸银 合 甲醇，甲醇蒸汽 氯化钠水溶液 金 海水 铝 海水 CCl 合 CaCl2+NH4Cl水溶液 氟里昂 金 水银
工程上防止应力腐蚀开裂的措施有以下几方面：其一是降低管道元件中的应力水平，避免或减少局部应力集中，消除加工残余应力和焊接残余应力；其二是控制敏感环境，例如加入缓蚀剂，升高介质的PH值，采用电化学保护等措施；其三是正确选用材质，力求避免易产生应力腐蚀开裂的材料－环境组合。
关于应力腐蚀发生的机理，业内人士普遍认为：在较大的应力作用下，金属材料的原子处于不稳定的高能状态，在特定的腐蚀介质作用下，原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀，进而发生脆裂，即产生微裂纹。由于微裂纹的应力集中效应，使材料的脆裂得以快速发展，微裂纹快速扩大，最终导致材料断裂。此时的应力一般指结构峰值应力或由结构应力与加工残余应力、焊接残余应力叠加后的高值局部应力，只有高值局部应力才足以导致材料的不稳定。此时的腐蚀介质是指对材料有选择性腐蚀并使材料处于脆性的特定腐蚀介质。如果腐蚀介质对材料有很强的腐蚀性，并发生全面腐蚀，由此造成材料受力面积减少而导致的破坏，则不属于应力腐蚀开裂破坏。
b、氢损伤
由于氢的存在或与氢发生反应而引起的金属构件的破坏称为金属的氢损伤。根据氢引起的金属破坏的条件、机理和形态不同，氢损伤主要可以分为氢脆、氢鼓泡、表面脱碳和氢腐蚀（内部脱碳）四大类。有关氢损伤的详细论述将在后面进行。
c、腐蚀疲劳
它是在腐蚀和循环应力共同作用下而产生的一种破坏。腐蚀疲劳能显著降低金属材料的疲劳极限。腐蚀疲劳在石油化工生产过程中的存在也很普遍，有交变应力和腐蚀环境共同存在的场合就有腐蚀疲劳。它是应力腐蚀的一种特殊情况，因此它的危害并不亚于应力腐蚀开裂。工程上防止腐蚀疲劳的措施一般有两个，其一是对金属构件采用阴极保护法或者在介质中添加缓蚀剂，以消除或缓和腐蚀环境。其二是降低金属构件的应力水平或峰值应力。
d、磨损腐蚀
由于腐蚀性流体和金属表面间相对运动而引起的金属加速破坏称为磨损腐蚀。它常发生在流体处于高速运动的设备中，如工艺管道（特别是弯头处）、离心机叶轮、换热器管、蒸汽管道等。根据磨损的方式不同，磨损腐蚀又可分为湍流腐蚀、空泡腐蚀和微振腐蚀等几种型式。工程上防止磨损腐蚀发生的措施有：选用耐腐蚀性好的材料；结构设计上采取措施，如管道中磨蚀部位比较严重的弯头处加保护板；对空泡腐蚀来说，采用光浩度较高的加工表面，以减少甚至避免形成气泡的核点。
二、常见的几种腐蚀介质
石油化工生产过程中存在的腐蚀介质种类很多，但最常见也是最主要的腐蚀介质可以归纳为以下几大类：氯化物、硫化物、环烷酸和氢气。
（一）氯化物
介质中的氯化物可分为两种，一种为无机氯化物，另一种为有机氯化物。前者一般由原油中带来，后者则是生产过程的产物，即在生产过程中混进来的。无机氯化物一般由NaCl（约占80%）、CaCl2和MgCl2(二者的比例约为1:3）组成。这三种物质在一定的温度条件下能发生水解生成腐蚀性物质HCl，HCl在无水存在时将挥发而不对金属产生腐蚀，有水存在时将对金属材料产生严重的均匀腐蚀或点腐蚀。
氯化物的腐蚀过程一般是这样进行的：首先是NaCl、CaCl2、MgCl2在一定的温度条件下发生水解生成HCl，然后，HCl在有水存在的情况下与金属材料(Fe)发生电化学腐蚀，其反应式如下：
400℃
NaCl+H2ONaOH+HCl
120℃
MgCl+H2OMg(OH)2+HCl
170℃
CaCl2+H2OCa(OH)2+HCl
H2O
HCl+FeFeCl2+H2
氯化物对碳素钢的腐蚀基本上为均匀腐蚀并伴随着氢脆的发生（因为腐蚀反应过程中有氢的产生），对不锈钢的腐蚀为点蚀或晶间腐蚀。一些试验资料上给出，常用不锈钢抗氯化物的点蚀能力由低到高的顺序是：304→304L→0Cr13→316→316L→321→347。
若有H2S同时存在时，会加速HCl的腐蚀：
H2S+FeCl2FeS+HCl
由上面的反应式可以看出，有H2S存在时，会还原出一部分HCl，二者交互作用的结果，其腐蚀速度要比单纯的HCl腐蚀提高（20～40）倍。
工程上防止氯化物腐蚀的措施主要从以下几个方面考虑：
a、加强原油的脱盐工艺，使得原油中的NaCl、MgCl2、CaCl2尽可能在原油蒸馏前大部分被脱去；
b、对重点部位（如塔顶冷凝系统）采用注氨、注碱、注水、注缓蚀剂的工艺防腐方法。其中注氨、注碱的目的是中和HCl，注水的目的是稀释HCl。当Cl-的浓度降到100PPm以下时，腐蚀就会变得缓和。一般工程上要求其Cl-的浓度应控制在50PPm及以下；
c、选择适宜的材料，如采用碳钢－不锈钢复合管材。
（二）硫化物
原油中硫的化合物多达250种以上，但并不是所有的硫化物都会对金属材料产生腐蚀，其中对金属材料产生腐蚀的硫化物有：单质硫及多硫化物、硫醇（R-SH）、硫化氢（H2S）、硫醚（R-S-H）、有机二硫化物（RSSR）、噻吩等。
通常将总硫含量低于0.1%（重量比）的原油叫做超低硫原油，总硫含量在0.1%～0.5%的原油叫做低硫原油，总硫含量大于0.5%的原油叫做高硫原油。由于原油中的硫化物种类较多，它们在不同的条件下分别呈现出腐蚀活性，而且生产过程中，也常伴随着硫化物的生成（如加氢裂化装置开工初期加注二硫化碳）。因此，硫化物的腐蚀是分布最广的腐蚀之一，它几乎发生在石油加工的各个阶段和各个环节。
1、硫醇（R-SH）
它具有沸点低、不溶于水、有强烈臭味的特点。它本身不会与金属发生电化学腐蚀，但在300℃及以上温度开始分解生成H2S，随后则以H2S的腐蚀型式出现。其反应式如下：
300℃左右
R－SHR-SR+H2S
500℃左右
R－SHR-CH（=CH2+H2S）
2、硫化氢（H2S）
原油中仅含有少量的H2S，它是油田设备的主要腐蚀介质。输送到石油加工厂时，原油中原有的H2S大部分已经释放，而且在小于240℃的温度下，其它硫化物尚未分解，故石油加工厂处理的原油在240℃以下对金属材料不产生硫化物腐蚀的原因正在于此。炼油厂存在的H2S腐蚀介质实际上都是石油加工过程中产生的。
根据腐蚀发生的机理不同，硫化氢腐蚀可分为低温硫化氢腐蚀和高温硫化氢腐蚀两种。油田管道设备的硫化氢腐蚀为低温硫化氢腐蚀，但它与炼油厂生产装置中的低温硫化氢腐蚀有所区别。对于油田管道设备的硫化氢腐蚀，美国石油学会专门编制了一套材料应用标准（NACE标准）以适应该腐蚀环境。但目前国内和国际上都在争论NACE标准是否适用于炼油装置。反对者认为，油田和炼油装置的腐蚀环境不尽相同，油田中的硫化氢浓度指标不适用炼油装置，实际情况也是如此。赞同者认为，炼油装置中可以借签油田中的硫化氢浓度指标，并给出它自己的指标，从而同样可以接受NACE标准的约束。但目前国内外尚没有统一的适合炼油装置的硫化氢浓度指标。
a、低温H2S腐蚀
干的H2S是没有腐蚀的，只有与水共同存在时（潮湿的大气也如此）将产生电化学腐蚀。腐蚀发生的反应式如下：
H2S水解H++HS-H++S-
Fe－2eFe+2（阳极反应）
H++2eH2(阴极反应）
Fe+2+S-2FeS
低温H2S腐蚀将造成金属材料的非均匀腐蚀、氢鼓泡、氢脆和H2S应力腐蚀开裂。该类型的腐蚀是石油、石油化工生产过程中最广泛存在的腐蚀类型之一。
多年的生产过程中，因低温H2S腐蚀而发生的事故，尤其是H2S应力腐蚀导致的事故时有报导。因此，工程上给予了严格的材料使用限制，这些限制归纳起来主要有三方面：其一是在选材上要求钢材的屈服极限不大于490MPa，同时必须是镇静钢。不得选用含镍量大于1.0%的低合金钢；其二是加强对原材料及其焊缝的无损检测，严格控制焊接缺限和制造缺陷的存在；其三是进行焊后消除应力热处理，并控制其焊缝硬度不大于HB200。
b、高温H2S腐蚀
260℃~500℃
H2S+FeFeS+H2
这类腐蚀受介质温度的影响比较大。在介质温度低于260℃时，无腐蚀发生；在260℃～340℃时，腐蚀开始产生，并随温度升高而加剧；在340℃～400℃时，H2S开始分解生成氢（H2）和单质硫（S），此时表现为高温硫腐蚀；在426℃～480℃时，高温硫对金属材料的腐蚀最快。
高温下的H2S腐蚀为均匀的化学腐蚀，工程上一般选用较高级的耐蚀材料即可，如适当选用合金钢以代替碳素钢。
4、硫醚(R-S-R)、有机类二硫化物(RSSR)和噻吩
一般情况下，硫醚(R-S-R)、有机类二硫化物(RSSR)和噻吩呈中性，几乎无腐蚀作用，但在一定的温度条件下，它们会分解生成具有腐蚀性的硫化物，这些新生硫化物是后续加工过程中出现硫化物腐蚀的根源。工程上采取的措施是加强前期的工艺脱除。
5、连多硫酸（H2SnO6n=2～5）
在高温临氢加工过程中，由于硫化物腐蚀金属材料而产生FeS，在仃工期间，FeS将与空气中的氧和水接触并发生反应生成连多硫酸，其反应式为：
3FeS+5O2Fe2O3.（FeO）+3SO2
SO2+H2OH2SO3
H2SO3+2O2H2SO4
FeS+H2SO3mH2SnO6+nFe+2
FeS+H2SO4FeSO4+H2S
H2SO3+H2SmH2SnO6+nS
连多硫酸容易引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂，工程上采取的防止措施有：停工时，立即对相关的设备和管道进行充氮保护。当必须打开设备或管道时，采用注碱进行中和清洗的办法进行保护，或者在其它条件许可时不选用奥氏体不锈钢，而选用双相不锈钢(3RE60)等对连多硫酸应力腐蚀开裂不敏感的材料。
目前，国内对H2+H2S环境下工作的奥氏体不锈钢构件在仃工时易产连多硫酸应力腐蚀开裂的观点是比较一致的，但对于非氢（指氢气不是正常的工艺介质）环境下是否也存在着连多硫酸应力腐蚀开裂的看法不一致，也无相应的试验证明。但连多硫酸应力腐蚀开裂是一种很危险的腐蚀形式，在没有证明它是否在非氢环境下存在的情况下，工程上采取的态度是宁可信它的存在，并在选材上按有连多硫酸存在的情况进行。
（三）环烷酸
环烷酸是原油中带来的有机物，它的分子式为R(CH2)nCOOH（12≤n≤20），R为环茂烃。环烷酸对金属腐蚀的反应式为：
温度
2RCOOH+FeFe(RCOOH)2+H2
该反应受温度的影响比较大，在220℃以下时反应基本不进行，即此时环烷酸对金属没有腐蚀。当温度超过220℃时，腐蚀开始发生，并随着温度的升高其腐蚀速度逐渐升高，在270℃～280℃时达到最大。当温度再升高时，腐蚀速度反而下降，但到350℃附近时又急剧增加。当温度超过400℃时就没有腐蚀了，因为此时原油中的环烷酸已基本汽化完毕。环烷酸溶于油，其腐蚀产物也溶于油，一般找不到腐蚀产物，因此它总是能保持新鲜介质和新的腐蚀界面接触，而且介质的流速越大，腐蚀越严重。环烷酸的腐蚀与其含量有关，含量越大，腐蚀越严重。一般它在原油中的含量常用原油的酸值来表示，原油的酸值小于0.5mgKOH/g时，不产生腐蚀或腐蚀轻微，此时的原油称为低酸原油。原油的酸值大于或等于0.5mgKOH/g时，将会产生严重的环烷酸腐蚀，此时的原油称为高酸原油。金属材料的环烷酸腐蚀基本为均匀的化学腐蚀。
316L(00Cr17Ni14Mo2)材料是抗环烷酸腐蚀比较有效的材料，因此它常用于高温环烷酸腐蚀环境。工程上，除选用好的耐蚀材料外，还常在结构上采取措施，例如对冲刷比较严重的地方增设防冲垫板以保护设备和管道。另外，将高酸原油与低酸原油进行混炼也是工程上为降低环烷酸腐蚀而经常采用的办法。
（四）氢损伤
在石油加工过程中，氢是普遍存在的一种腐蚀介质，这不仅仅在于有许多氢处理生产装置，而石油产品本身就是碳氢化合物，在加工过程中，由于它的分解和聚合，都将释放和吸收氢。在其它反应中，如H2O、H2S等物质的分解和反应，都会释放出氢，因此说，氢损伤在石油加工过程中发生的范围很广，也是一种危害比较大的腐蚀形式。
前面已经提到，氢损伤可分为四种主要型式，即氢脆、氢鼓泡、表面脱碳和氢腐蚀（也叫内部脱碳），前二者多发生在低温条件下，后两种多发生在高温度条件下。
1、氢脆
由于氢原子比较小，在一定条件下它能渗入金属的晶格内，“钉扎”着晶格使其不易变形，若变形则表现为脆变。这种由于氢原子的作用而使金属变脆（材料的延伸率和断面收缩率显著下降）的现象称为氢脆。当受外力作用时，金属材料会在毫无预测的情况下突然脆断，而且呈延迟破坏特征。氢脆是可逆的，通过热处理可将金属中的溶解氢释放出去，而金属也将恢复其原有的机械性能。
影响氢脆的因素有：
a、氢分压。氢分压越高，延迟破坏时时间越短。
b、温度。高温下不发生氢脆，此时它已转化为氢腐蚀。温度太低时也不发生，因为此时氢不具备大量渗入金属晶格内的活性。它一般多发生在－30℃～30℃温度区间内。
c、金属材料的强度。强度越高，发生氢脆的可能性越大。
d、金属的金相组织。如马氏体组织发生氢脆的指数是球状珠光体组织的3倍。
e、应力水平。材料的脆断是在足够的应力作用下发生的，降低应力水平，使其低于晶格滑移所需的最小能量，氢脆将不会发生。
工程上防止氢脆发生的措施有：避开其温度敏感区使用；选用强度低的材料；降低金属构件的应力水平。
2、氢鼓泡
氢原子渗入到金属材料内部，在遇到裂纹、夹杂、气孔等空隙处，会聚集并结合成氢分子。氢分子的产生伴随着体积的急剧膨胀，从而产生很高的内部氢气压力，这个压力将导致原微观缺陷的扩展。如果材料内部缺陷的扩展方向对着钢材表面，或者该缺陷靠近金属表面，则将产生氢鼓泡。氢鼓泡一般发生在常温下，而且有无应力存在都能产生。
影响氢扩散的因素都会影响到氢鼓泡的产生。除此之外，影响氢鼓泡产生的主要因素是材料内部的缺陷。因此，工程上要严格控制临氢管道元件的制造缺陷，特别是金相偏析、非金属夹杂物和微裂纹的存在以及存在形态和多少。
3、表面脱碳和氢腐蚀
在高温高压条件下，氢会与钢材中的不稳定碳化物发生化学反应生成甲烷，反应式为：
C+2H2CH4
Fe3C+2H23Fe+CH4
该反应如果发生在钢材表面，则称之为表面脱碳。如果发生在钢材内部则称之为氢腐蚀（也叫内部脱碳）。钢材的表面脱碳为均匀性的化学腐蚀，因此并不可怕。而内部脱碳则是复杂的“化学腐蚀+局部腐蚀（早期）+应力腐蚀”的综合。它的产生有一个过程：首先是氢原子侵入钢材内部，在一定的温度和压力条件下，氢原子会与钢材中的碳化合生成甲烷，甲烷气因为其分子较大而不能从钢材中逸出，而是聚集在晶界或夹杂物附近。随着甲烷气的增多，压力逐渐升高，最终导致裂纹和鼓泡的产生，直到钢材发生破坏。
影响钢材表面脱碳和内部脱碳的主要因素是氢分压和温度。工程上，防止氢蚀破坏的选材依据是Nelson曲线。该曲线由美国石油学会以API941标准发布，目前已被世界各国广泛采用。实践证明，它是一个可靠而且适用的选材依据。
在应用Nelson曲线时，应注意它的数据大部分来源于工业实际报告，而来自实验室的数据很少，可以说它是一个统计值的描述，目前尚未得到理论上的验证，因此在查曲线数据时，应在设计温度的基础上加30℃～50℃作为基准温度，以便给出一个安全系数。
(石油化工钢制应力容器材料选用标准(SH3075中的图9.1.1-1和图9.1.1-2给出了较新版的Nelson曲线，本书在此省略。
（五）其它腐蚀介质
上述的四大类腐蚀介质构成了石油加工过程中的大部分腐蚀环境。但在生产过程中，有时还会遇到其它类型的腐蚀介质，也应给予考虑和重视。
1、氮化物
原油中所含的氮化合物主要是吡啶、吡咯及其衍生物，这些氮化合物在石油的深度加工过程中，在催化剂的作用下才分解生成可挥发的氨和氰化物（HCN）。HCN和H2S－H2O共同作用可导致钢材的氢鼓泡和氢脆，而氨在加氢过程中可生成NH4Cl而对金属产生腐蚀。一般情况下，用注碱的办法可消除NH4Cl引起的金属腐蚀。
2、氧
对于锅炉给水的除盐水，当温度超过60℃时，它里面的溶解氧会对钢材产生氧腐蚀。解决办法是在温度敏感段选用能抗氧腐蚀的高级材质，如0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。
3、有机溶剂
象糠醛、二乙二醇醚、酚等，它们在生产过程中会因氧化而发生降解聚合，降解聚合后的产物会对金属产生腐蚀。这类腐蚀多为均匀的化学腐蚀，适当地选择耐蚀材料或提高管道壁厚附加余量即可。
4、酸、碱及化学试剂
许多资料中，如《石油化工装置工艺安装设计手册》第二册中，给出了各种材料对不同介质抗腐蚀性的对应表，只要按表中的要求选择合适的材料即可。值得一提的是，烧碱(NaOH)是石油化工生产装置常用的介质，它在一定条件下能引起碳钢材料的应力腐蚀开裂（通常又称之为碱脆）。影响碳钢在NaOH溶液中产生应力腐蚀开裂的因素有碱液的浓度、温度和管道元件中的残余应力，故一般设计中规定，当NaOH的温度和浓度超出表3-6的对应值时，应对其焊后进行消除应力热处理。
表3-6不发碱脆的浓度与温度对应最大值
烧碱浓度% 5 10 15 20 30 40 50 60 70 温度℃ 85 76 70 65 54 48 43 40 38
当NaoH的浓度和温度超出表3-7的规定时，则应考虑采用含镍合金：
表3-7碳钢在烧碱中的最高应用条件
碱液浓度（%） 10 20 30 40 50 温度（℃） 105 110 97 82 77
三、常见的几种腐蚀环境
在石油化工生产过程中，由单一介质对金属材料产生腐蚀的情况并不多见，
美国石油学会和欧洲腐蚀联盟通过试验研究和实际工程应用的数据采集，积累了很多有关的腐蚀数据（多是用图表表示），但是这些数据仅限于其成员单位使用。欧洲腐蚀联盟称这一活动为尤利卡计划，在这一计划中，他们还将编制一个专家系统和神经网络系统，通过这些系统可进行计算机工程选材和在线管道设备的使用寿命评估。我国于1996年被获准加入欧洲腐蚀联盟，并参与尤利卡计划的工作。目前我们已经开始给欧洲腐蚀联盟提供数据，同时也开始共享他们的一部分数据，相信我们在不久的将来，工程设计的防腐选材工作可能会更具体、更科学。
石油化工生产过程中，复合腐蚀环境的种类有很多，要想在此将它们全部罗列出来是不现实的。在这里仅就常见的几种复合腐蚀环境进行论述，它们代表了大部分的炼油装置腐蚀环境。
1、高温S+H2S+RSH-RCOOH腐蚀环境
它是一种典型的高酸、高硫原油在高温部位发生的腐蚀环境。最常见的部位是焦化装置、常减压装置、催化装置的分馏塔高温部位及其管道、转油线等，腐蚀形态为均匀的化学腐蚀，影响腐蚀速度的因素有物料的酸值、H2S含量、介质温度以及物料的流速和流态。因试验室中无法摸拟其流速和流态，故目前缺乏定量的腐蚀数据。
此部位的设备材料基本上是碳钢+0Cr13Al或00Cr17Ni14Mo2（316L）复合材料，管道材料则多为碳钢+00Cr17Ni14Mo2（316L）复合管。
2、高温S+H2S+RSH腐蚀环境
它是一种高硫、低酸原油在高温部位发生的腐蚀环境。其腐蚀部位和影响因素等与上一种腐蚀体系基本相同。设备和管道选材与上一种体系也基本相同，只不过此时可以用00Cr19Ni10（304L）或0Cr18Ni9（304）代替00Cr17Ni14Mo2（316L）
3、高温H2+H2S+（少量的NH3+CO2）腐蚀环境
它是一种典型的出现在加氢处理（加氢精制、加氢裂化、加氢脱硫）装置中的反应器和反应流出物管道的腐蚀环境。它的腐蚀形态为均匀腐蚀、氢脆及氢腐蚀并存。这个腐蚀体系要比单独的氢损伤和单独的H2S腐蚀严重的多，这是因为氢和硫化氢对金属的腐蚀是相互促进的，氢腐蚀夺走了钢材中的碳，使铁游离出来，加快了硫化氢与铁的腐蚀，反之亦然。影响高温H2+H2S腐蚀速度的因素有介质温度、氢分压、H2S浓度、时间等。当H2S浓度在1％（体积比）以下时，腐蚀的速度随H2S的浓度增加而增加。当H2S浓度大于1％时，腐蚀的速度变化不大，即此时的腐蚀速度已经达到最大而几乎不再随H2S浓度的增加而增加；当物料的温度低于260℃时（例如加氢裂化的循环氢部分），几乎无硫化氢腐蚀，而仅有氢损伤（氢损伤的型式与具体介质温度和管材有关）。当温度在315℃(480℃时，温度则成了影响腐蚀速度的主要因素，此时腐蚀的速度会随温度的升高而急剧增加，温度每增加55℃，腐蚀速度会增加近两倍；腐蚀速度随时间的增加而逐渐下降，超过500小时试验的腐蚀速度数据比短时间内的数据小（2(4）倍。
工程上选材的依据是Nalson曲线和Couper曲线。
(石油化工钢制压力容器材料选用标准(SH3075中的图9.2.1-1给出了较新版的Couper曲线，本书在此省略。
4、低温HCl+H2S+H2O腐蚀环境
它也是一种典型的腐蚀环境，多发生在初馏塔和常压塔的塔顶及冷凝系统，腐蚀形态为电化学腐蚀，并具有点蚀、均匀腐蚀和应力腐蚀的特征。理论上讲，这一腐蚀环境的选材是很棘手的，这是因为，如果选用碳钢材料，HCl和H2S交互作用的结果将使其腐蚀速率很大，以致使材料很快失效。如果选用不锈钢，那么HCl和H2S造成的点蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀更具有危险性。
影响低温HCl+H2S+H2O腐蚀的主要因素有物料的氯离子浓度、PH值和H2S含量。工程上主要是采取工艺防腐，即加强“一脱四注”，使塔顶冷凝水中的氯离子含量小于20PPm，PH值控制在5.5～7范围内。在保证上述条件后可选用碳钢材料，以避免氯离子的点蚀。有人试图选用奥氏体－铁素体双相不锈钢材料，想从材料上解决防腐问题，但双相不锈钢价格昂贵，此时应进行经济核算。
5、低温HCN+H2S+H2O腐蚀环境
该腐蚀环境常出现于催化裂化装置的吸收解吸系统，腐蚀形态对碳钢为均匀减薄、氢鼓泡及硫化物应力腐蚀开裂，对奥氏体不锈钢则为硫化物应力腐蚀开裂。同样，这一腐蚀环境的选材理论上讲也是很棘手的，工程上也遵循以工艺防腐为主、材料防腐为副的原则。
一般情况下，催化原料中总氮量大于0.1%（体积比）时，就会引起金属材料的严重腐蚀，当其CN-大于500PPm时，会明显促进腐蚀进行。工程上采用的防腐办法是水洗法或注有机缓蚀剂的办法消除氰化物的腐蚀作用。
6、CO2+H2S+H2O腐蚀环境
该腐蚀环境常出现在脱硫装置的酸性水及酸性气系统。其腐蚀形态对碳钢为均匀腐蚀、氢鼓泡和焊缝应力腐蚀开裂，对0Cr13、奥氏体不锈钢和低合金钢为硫化物应力腐蚀开裂。防腐措施是采用碳钢材料，并进行焊后热处理，控制焊缝硬度不超过HB200。
7、RNH2（乙醇胺）+CO2+H2S+H2O腐蚀环境
该腐蚀环境常出现在脱硫装置的富液系统。其腐蚀形态对碳钢为均匀腐蚀、氢鼓泡和焊缝应力腐蚀开裂，对0Cr13、奥氏体不锈钢和低合金钢为硫化物应力腐蚀开裂。防腐措施为：温度高于90℃的部位采用碳钢并进行焊后热处理，控制焊缝硬度不超过HB200。
思考题：
1、什么叫化学腐蚀？举例说明？
2、什么叫电化学腐蚀？举例说明？
3、什么叫均匀腐蚀？什么叫腐蚀速率？SH3059是如何将腐蚀速率进行分级的？
4、晶间腐蚀发生的条件是什么？对奥氏体不锈钢，消除晶间腐蚀倾向的措施有那些？
5、晶间腐蚀发生的机理是什么？
6、什么叫应力腐蚀？应力腐蚀发生的条件是什么？举出两个典型的应力腐蚀环境？
7、应力腐蚀发生的机理是什么？
8、试述环烷酸的腐蚀形态？
9、常见的氢损伤型式有那些？
10、氢脆发生的机理是什么？
11、氢腐蚀发生的机理是什么？
12、高温H2+H2S腐蚀环境的腐蚀形态是什么？有哪些影响因素？
13、低温HCl+H2S+H2O腐蚀环境的腐蚀形态是什么？
第四节压力管道常用金属材料的基本限制条件
在介绍了金属材料的基本知识、常用金属材料和常见的介质腐蚀环境后，就可以进行工程选材了。事实上，工程上的实际应用环境条件是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。就常见的选材条件来说，要想在这里逐一给出其选材结论是不现实的，它也正是各个设计院或工程公司一直致力研究的问题。在这里将换一种方式，即以材料为主体，应用金属理论、腐蚀理论以及工程理论来确定各种常用材料的使用限制条件。这就好比抛开了难以详述的充分条件，而只讲必要条件，相信这样的介绍对工程选材会有一定的帮助。
工程上，压力管道选材除了要确定材料牌号外，还要确定材料标准，因为不同的材料标准，对材料质量的要求是不一样的。部分与材料标准有关的限制条件将在第五章中结合材料标准进行论述。
一、一般限制条件
在进行工程材料选用时，首先应遵循下列一些原则。
1、满足操作条件的要求
首先应根据操作条件来判断该管道是不是压力管道，属于那一类压力管道。不同类别的压力管道因其重要性不同，发生事故带来的危害程度不同，故对材料的要求也不同。一般情况下，高类别的压力管道（如一类压力管道）从材料的冶炼工艺到最终产品的检查试验都比低类别的压力管道要求高。
其次是应考虑操作条件对材料的选择要求。从前面关于腐蚀的论述中可以看到，不同的材料对同一腐蚀介质的抗腐蚀性能是不相同的。在腐蚀环境中，选用材料应避免灾难性的腐蚀形式（如应力腐蚀开裂）出现，而对均匀腐蚀，一般至少应限定在“尚耐腐蚀”级，即最高年腐蚀速率不超过0.5mm。
介质温度也是选用材料的一个重要参数。因为温度的变化会引起材料的一系列性能变化，如低温下材料的脆性，高温下材料的石墨化、蠕变等问题。从前面所讨论的腐蚀问题中也可以看出，很多腐蚀形态都与介质温度有密切的关系，甚至是腐蚀发生的基本条件。因此压力管道的选材应满足温度的限制条件。
2、满足材料加工工艺和工业化生产的要求
首先，理想的材料应该是容易获得的，即它应具有良好的加工工艺性、焊接性能等。例如，对于一些腐蚀环境，选用碳钢和不锈钢复合制成的压力管道及其元件来代替纯不锈钢材料无凝是经济适用的，但由于许多制造厂的复合工艺不过关，使用中屡此出现问题，从而给复合材料的应用带来了限制，尤其是碳钢与0Cr13的复合板材因现场焊接质量不容易保证，以致工程上不敢使用或者说不敢大量使用它。
其次，工程上的材料应用是系列化、标准化的，它不象在试验室中，可以做到少量、理想化的材料应用。将材料标准化、系列化便于大规模生产，减少材料品种，从而可以节约设计、制造、安装、使用等各环节的投入，同时也将大大降低生产成本。所以工程上应首先选用标准材料，对于必须选用的新材料，应具有完整的技术评定文件，并经过省级及其以上管理部门组织的技术鉴定，合格后才能使用。
对于必须进口的材料，应提出详细的规格、性能、材料牌号、材料标准、应用标准等技术要求，并按国内的有关技术标准要求对其进行复验，合格以后才能使用。
3、符合既使用又经济的要求
这是一个很原则的问题，实际操作起来是很复杂的。它要求材料工程师须运用工程学、材料学、腐蚀学等方面的知识综合判断。这样的问题有时是可以定量计算的，有时则是不可以定量计算的。一般情况下，应从以下几个方面来考虑：
a、腐蚀方面
对于局部腐蚀，若通过其它措施（如工艺防腐措施）能防止或控制局部腐蚀的发生，特别是突然性、灾难性的局部腐蚀发生，就可以采用价格比较低的材料。否则，必须选用高级但价格高的材料。
对均匀腐蚀，在腐蚀环境比较恶劣的情况下，若选用低级但价格便宜的材料，其腐蚀速率可能会很大，短时间内就必须更换材料。而用耐腐蚀比较好、价格比较高的材料，其腐蚀速率可能会较小，从而维持一个比较长的生产周期。进行综合的技术经济评定，此时采用高级材料也许更经济些。反之，如果腐蚀环境比较缓和，此时选用低级材料虽然其腐蚀速率比较大，但其价格便宜，进行经济核算后，此时采用低级材料也许更经济些。总之，这一类型的材料选用是可以进行经济核算的。
对于同一个腐蚀环境，若选用高级材料时遭受的腐蚀可能是危险性较大的局部腐蚀，而选用低级材料时遭受的腐蚀可能是具有较大腐蚀速率的均匀腐蚀。此时就应考虑选用低级材料并辅以其它防腐措施。
b、材料标准及制造方面
压力管道的类别与材料标准和制造要求并没有一个完全一一对应的关系，这就要求材料工程师应用有关知识来综合考虑。许多材料标准和制造标准中，都有若干供用户确认的选择项。这些选择项中，有些是一般的项目，当用户没有指定时，制造商将按自己的习惯去做。例如，钢管的供货长度、供货状态等都属于这类项目。而另一些项目则是附加检验项目，这些检验项目不是必做的，只有用户要求时制造商才做。也就是说，用户可以根据使用条件的不同，追加若干检验项目，以便更好的控制材料的内在质量。但提出了这些特殊要求就意味着产品价格的上升，有些检验项目如射线探伤的费用是很高的。如何追加这些附加检验项目，应结合使用条件和产品的价格综合考虑，有时要把握好这个尺度是很难的。有关这方面的问题将在第九章中介绍。
c、新材料、新工艺应用方面
积极采用新材料，支持新材料、新工艺的开发和应用，可以有效地降低建设投资，又能满足生产工艺对材料的要求。例如采用渗铝碳钢代替不锈钢用于抗硫和有机酸的腐蚀；用碳钢与不锈钢的复合材料代替纯不锈钢材料；用焊接质量有保证的有缝钢管代替无缝钢管；等等。
二、常用材料的应用限制
1、铸铁
上节已经讲到，常用的铸铁有可锻铸铁和球墨铸铁两种。
工程上，一般限制可锻铸铁使用在介质温度为-29℃～343℃的受压或非受压管道，同时不得用于输送介质温度高于150℃或表压大于2.5MPa的可燃流体管道和任何温度压力条件下的有毒介质，并不得用于输送温度和压力循环变化或管道有振动的条件下。实际上，它经常被用于不受压的阀门手轮和地下污水管道。
球墨铸铁应用限制条件同可锻铸铁，它经常被用于工业用水管道中的阀门阀体。
2、普通碳素钢
普通碳素钢的应用应遵循下列原则：
a、沸腾钢应限用在设计压力≤0.6MPa，设计温度为0℃～250℃的条件下，并不得用于易燃或有毒流体的管道，也不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中；
b、镇静钢应限用在设计温度为0℃～400℃范围内。当它用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时，本体硬度应不大于HB160，焊缝硬度应不大于HB200，并对本体和焊缝进行100%无损探伤；
c、用于压力管道的沸腾钢和镇静钢，其含碳量不得大于0.24%。
GB700标准给出了四种常用的普通碳素结构钢牌号，即Q235A（F、ｂ），Q235B（F、b）、Q235C、Q235D。这四种牌号的质量要求是顺次提高的。它们的适用范围如下：
Q235－A·F钢板：设计压力P≤0.6MPa；使用温度为0℃～250℃；钢板厚度不大于12mm；不得用于易燃，毒性程度为中度、高度或极度危害介质的管道。
Q235-A钢板：设计压力P≤1.0MPa；使用温度为0℃～350℃；钢板厚度不大于16mm；不得用于液化石油气、毒性程度为高度或极度危害介质的管道。
Q235－B钢板：设计压力P≤1.6MPa；使用温度为0℃～350℃；钢板厚度不大于20mm；不能用于高度和极度危害介质的管道。
Q235－C钢板：设计压力P≤2.5MPa；使用温度为0℃～400℃；钢板厚度不大于40mm。
3、优质碳素钢
优质碳素钢是压力管道中应用最广的碳钢，对应的材料标准有GB699、GB8163、GB3087、GB5310、GB6654、GB9948、GB6479等。这些标准是根据不同的使用工况而提出了不同的质量要求。有关的应用将在第五章中介绍。它们共性的使用限制条件有以下几个方面：
a、输送碱性或苛性碱介质时应考虑有发生碱脆的可能，详见本章前面所述。锰钢（如16Mn）不得用于该环境中；
b、在有应力腐蚀开裂倾向的环境中工作时，应进行焊后应力消除热处理，热处理后的焊缝硬度不得大于HB200。焊缝应进行100%无损探伤（对接焊缝应是射线探伤）。锰钢（如16Mn）不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中；
c、在均匀腐蚀介质环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，如果核算结果证明选用碳素钢是合适的，应给出足够的腐蚀余量，并采取相应的其它防腐蚀措施；
d、碳素钢、碳锰钢和锰钒钢在427℃及以上温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的可能性，因此限制其最高工作温度不得超过427℃（有的规范如锅炉规范则规定该温度为450℃）；
e、临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。详见前面所述；
f、含碳量大于0.24%的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件；
g、用于-20℃及以下温度时，应做低温冲击韧性试验；
h、用于高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料宜是经过炉外精炼的材料。
值得一提的是，优质碳素钢的材料标准中也有沸腾钢牌号，但对于应用优质碳素钢的场合而采用沸腾钢牌号甚为不合理，实际工程中也很少这样用，故上述的规定仅是对镇静钢提出的，如果确实用到了优质沸腾钢，其应用限制条件可参照普通碳素钢部分。
4、铬钼合金钢
常用的铬钼合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，它们的选用将在第五章中介绍，有关共性的使用限制条件有以下几个方面：
a、碳钼钢(C-0.5Mo)在468℃温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的倾向，因此限制其最高长期工作温度不超过468℃；
b、在均匀腐蚀环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，同时给出足够的腐蚀余量；
c、临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性，详见本章第二节；
d、在高温H2+H2S介质环境下工作时，应根据Nelson曲线和Couper曲线确定其使用条件；
e、应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用；
f、在400℃～550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题。
g、铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。
5、不锈耐热钢
压力管道中常用的不锈耐热钢材料标准主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制条件有以下几方面：
a、含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400℃～550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止475℃回火脆性破坏，这个脆性表现为室温下材料的脆化。因此，在应用上述不锈钢时，应将其弯曲应力、振动和冲击载荷降到敏感载荷以下，或者不在400℃以上温度使用；
b、含铬16%以上的高铬不锈钢和含铬18%以上的高铬镍不锈钢在540℃～900℃温度区间长期工作时，应考虑防止发生σ相析出，从而引起室温下材料的脆化和高温下材料蠕变强度的下降。这种现象可以通过将其加热至1000℃以上进行退火处理来消除。有资料指出，σ相析出一般发生在铁素体不锈钢中，对于奥氏体不锈钢，只要控制其铁素体含量（一般为3％～8％）即可避免。对于常用的奥氏体不锈钢，除铸件外，其铁素体含量一般不会超过上述值；
c、奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540℃～900℃温度区间时，应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。当有还原性较强的腐蚀介质存在时，应选用稳定型（含稳定化元素Ti和Nb）或超低碳型（C<0.03(）奥氏体不锈钢；
d、不锈钢在接触湿的氯化物时，有应力腐蚀开裂和点蚀的可能。应避免接触湿的氯化物，或者控制物料和环境中的氯离子浓度不超过25PPm；
e、奥氏体不锈钢与铅、锌或它们的化合物在其溶点温度以上接触时，有晶间腐蚀破坏的敏感性；
f、奥氏体不锈钢使用温度超过525℃时，其含碳量应大于0.04%；
g、对有剧烈环烷酸腐蚀的环境，应选用含钼的奥氏体不锈钢（如316、316L）或其复合材料（复合板或复合管）。
三、其它方面对材料的限制
1、碳当量
金属材料在焊接时，其焊缝及热影响区将被加热至Ac3以上的温度，由于焊缝及其热影响区的冷却速度较快，冷却后容易被淬硬。钢材含碳量越高，焊缝及其热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。钢的各种化学成分对钢淬硬性的影响通常折算成碳的影响，称为碳当量，用Ce表示。关于碳当量的折算方法有很多不同的公式，而常用的有以下两种：
a、国际焊接学协会推荐的碳钢及低合金钢常用碳当量计算公式如下：
MnCr+Mo+VNi+Cu
Ce%=C%+——%+————%+%
6515
经验表明：
当Ce＜0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，可焊性优良，焊接时不必预热；
当Ce=0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热、控制线能量等工艺措施；
当Ce＞0.6%时，钢材的淬硬倾向很强，属于难焊材料，需要采取较高的预热温度和严格的焊接工艺措施。
b、我国有关焊接标准推荐的碳钢及低合金钢碳当量计算公式如下：
MnSiNiCrCuMoP
Ce%=C%+——%+——%——%+——%+——%+——%+——%
6241555402
当焊缝厚度小于13mm时，其Ce值应不大于0.45；
当焊缝厚度为13mm~25mm时，其Ce值应不大于0.4；
2、常用材料在无腐蚀情况下的最高使用温度应符合表3-8的要求。
表3-8常用材料的使用温度要求
材料 使用温度 10、20 -20℃～425℃ 16Mn -40℃～450℃ 09Mn2V -70℃～100℃ 12CrMo ≤525℃ 15CrMo ≤550℃ 1Cr5Mo ≤600℃ 低碳奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni10Ti等） -196℃～700℃ 超低碳奥氏体不锈钢（00Cr19Ni10） -196℃～400℃ 超低碳奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2） -196℃～450℃ 0Cr25Ni20 ≤800℃ 铝及防锈铝合金 -200℃～200℃
3、复合管材和复合板材
鉴于目前国内生产碳素钢+不锈钢复合管材和复合板材的生产水平和产品质量不稳定的实际情况，工程上宜谨慎选用。如果如果必须使用，应要求复合处的纵向抗剪力应不低于200MPa。
4、渗铝管
渗铝钢是一种抗高温硫腐蚀比较好而且价格相对便宜的材料，但其焊接问题目前尚在研究中，故目前不推荐用于介质条件较苛刻的压力管道。
思考题：
1、管道材料选用的基本原则有哪些？
2、可锻铸铁的使用范围是什么？
3、Q235A.F钢板的使用范围是什么？
4、Q235B钢板的使用范围是什么？
5、优质碳素钢在使用时一般应注意哪些问题？
6、铬钼合金钢在使用时一般应注意哪些问题？
7、不锈耐热钢在使用时一般应注意哪些问题？
8、国际焊接学协会推荐的碳钢及低合金钢的碳当量计算公式是什么？
9、常见金属材料无腐蚀时的使用温度是多少？
第五节常用非金属材料
众所周知，在工业管道上，非金属材料常用作管子的防腐和隔热，而用作管子及其元件的并不多，仅仅是在特定的情况下（如抗腐蚀）才使用。另外，作为法兰垫片和阀门填料，也用到一些非金属材料，但这些非金属材料用量很少，种类也有限。管子的防腐蚀和隔热没有列入本书的研究范围，故该部分所用的非金属材料在此不再作进一步的讨论，而只介绍直接用作管子及其元件的常用非金属材料。
压力管道中常用的非金属材料大致有工程塑料、橡胶、搪瓷、石墨等，它们与金属材料相比，具有以下一些特点：
a、化学稳定性好，耐腐蚀。这是它能够代替金属而用在一些强腐蚀介质环境中的最主要原因。对于某些操作介质，用金属材料是不耐腐蚀的，或者用高合金金属材料是不经济的，此时就需要用非金属材料；
b、易加工成型。无论是机械加工还是热加工，它都要比金属材料容易的得多；
c、比重小，比强度高。以工程塑料为例，其比重一般只有金属材料的1/8~1/4，但其强度有的可以与普通金属媲美；
d、良好的电绝缘性和极小的介电损耗；
e、良好的弹性、耐磨性和耐寒性等。
但是，多数非金属材料的强度和刚度都比金属材料低，且其耐热性较差，热胀系数较大，工程塑料还有冷流、老化等问题。正因为有这样一些不足之处，非金属材料常常仅用于金属材料无法抗腐蚀或选用高级金属材料抗腐蚀投资太高的场合。
一、常用工程塑料及其衬里管
工程上常用的塑料管有聚四氟乙烯（PTFE）管、聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管、聚丙烯（PP）管和苯乙烯—丁二烯—丙烯腈共聚体（ABS）管等管材。这些塑料各有其特点，性能、用途、价格、加工方法等各不相同。
1、聚四氟乙烯（PTFE）及其衬里管
聚四氟乙烯的物理、机械性能见表3-9所示。
表3-9聚四氟乙烯的物理、机械性能
性能 指标 性能 指标 密度，g/cm3 2.1~2.3 线胀系数，(1/k)x104，0℃~54℃ 1.23 晶体熔点，℃ 327 50℃~100℃ 1.34 吸水率，% <0.005 100℃~150℃ 1.37 导热系数，w/(m.k) 0.14 抗拉强度，MPa ≥16 滑动摩擦系数（PTFE对PTFE） 0.04 冲击韧性，J\cm2 2.4 （PTFE对钢） 0.1 布氏硬度 44.5 抗拉弹性模量，x103MPa 0.4 燃烧性 自熄
聚四氟乙烯是一种结晶型的高分子化合物。与其它塑料相比，它具有以下特点：
a、极好的耐腐蚀性能。除了熔融碱金属、单体氟和三氟化氯化学品以外，几乎能抗一切强酸、强碱、强氯化剂、有机溶剂、王水等腐蚀介质的腐蚀；
b、良好的耐热性和耐低温性能。它在260℃时仍具有稳定的性能，长期最高使用温度可达180℃；低温下-270℃时仍保持有一定的韧性，能长期在-196℃温度下使用；
c、良好的润滑性和表面不粘性。它的摩擦系数极小，与钢发生相对滑动摩擦时，摩擦系数为0.1。几乎所有物质都不能粘附在其表面上；
d、良好的耐大气老化性能。
正因为这些特点，它已成为石油化工管道中应用最广泛的一种非金属材料。除了用作管子、管件外，它还常用作管子和管件衬里、阀门衬里、设备支座和支架支座的滑动垫板等。但它的价格比其它工程塑料高，故用其它塑料能满足要求时，应尽量采用其它塑料。
由于它是一种结晶性塑料，故不能用注射法成型，只能用冷压法或烧结法成型。
它在外力的作用下，冷流(即冷态蠕变)倾向性较大。
它单独作为管材时，由于受强度和
刚度的限制，管子直径和长度不宜太大，
详见《石油化工装置管道安装设计手册》
（以下简称《设计手册》）第二篇介绍。
一般情况下，它作为管子、管件衬里的
情况比较多。聚四氟乙烯的衬里管道规
格可从DN25~DN500，甚至更大。衬里
管子和管件一般采用法兰连接，聚四氟
乙烯在法兰处翻边，两片法兰之间配有
非金属垫片。如图3-5所示。一般情况
下，衬里管子及管件的连接不允许采用
螺纹和承插焊连接（这些规定对其它非
金属衬里管道也适用），不能用于承插焊图3－5衬里管法兰连接结构
管件，不能用于带衬垫焊缝。
2、聚氯乙烯（PVC）及其衬里管
聚氯乙烯是由单体的氯乙烯聚合而成。根据加与不加稳定剂和增塑剂，它可分为硬聚氯乙烯和软聚氯乙烯两种。聚氯乙烯的物理、机械性能见表3-10所示。工程上应用较多的是硬聚氯乙烯。
表3-10聚氯乙烯的物理、机械性能
性能 指标 性能 指标 硬质 软质 硬质 软质 密度，g/cm3 1.35~1.6 1.16~1.35 常温线胀系数，(1/k)x10-5 5~6 7~25 耐热温度，℃ 65 40~70 抗拉强度，MPa 45~50 10~18 吸水率，% 0.07~0.4 0.5~1.0 冲击韧性，J/cm2 3~4 导热系数，W/(m.k) 0.15 0.13 布氏硬度，MPa 14~17 抗拉弹性模量，x103MPa 2.41~4.14 燃烧性 自熄 自熄
聚氯乙烯与聚四氟乙烯相比有如下特点：
a、价格便宜。在它能满足介质条件的情况下，用它代替聚四氟乙烯可节省投资；
b、耐腐蚀性虽比不上聚四氟乙烯，但仍能抗大多数酸、碱、盐的腐蚀，详见《设计手册》第二篇；
c、硬聚氯乙烯的强度较高，约是聚四氟乙烯的3倍，故它的纯塑管道可适用于DN10~DN400；
d、聚氯乙烯纯塑管的连接方法较多，既可采用粘结剂粘接，也可采用熔化连接、螺纹连接和特殊机械接头连接等连接方式，施工较方便。但采用螺纹连接时不能用于压力较高或有温度循环的场合，且管子厚度较厚时才可以；
e、用作管道衬里时要求同聚四氟乙烯。
但聚氯乙烯使用温度范围较小，一般仅能在-15℃~60℃范围内使用。其线胀系数也比较大。
管材常用硬聚氯乙烯，g/cm3 0.94~0.95 抗拉强度，MPa 21~24 软化点，℃ 120 冲击韧性，J/cm2 ≥0.9 脆性温度，℃ -70 硬度（肖氏） 60~70 吸水率，% <0.01 常温线胀系数，(1/k)x10-5 12.6~16 抗拉弹性模量，x103MPa 0.12~0.93 燃烧性 缓慢
聚乙烯与聚四氟乙烯相比，具有以下特点：
a、价格低；
b、耐蚀性不如聚四氟乙烯。其耐蚀范围见《设计手册》第二篇；
c、强度比聚四氟乙烯略高，适用的管子规格范围为DN10~DN125；
d、纯聚乙烯连接方法可采用熔融、螺纹和特殊机械接头连接。由于目前尚没有合适的溶剂，故它一般不采用溶剂粘接；
e、用作衬里管时，要求同聚四氟乙烯。
f、耐温性不如聚四氟乙烯，其使用范围一般为-70℃~100℃；
聚乙烯与聚氯乙烯相比，具有下列一些特点：
a、耐腐蚀范围有所不同，详见《设计手册》第二篇；
b、强度不如硬聚氯乙烯高，故适用尺寸范围较小些；
c、使用温度范围比聚氯乙烯大。
4、聚丙烯（PP）及其衬里管
聚丙烯是由单体丙烯聚合而成，其物理机械性能表3-12所示。
表3-12聚丙烯的物理、机械性能
性能 指标 性能 指标 密度，g/cm3 0.9~0.91 常温线胀系数，(1/k)x10－4 1.08~1.12 耐热温度，℃ 120 抗拉强度，MPa 35~40 吸水率，% 0.03~0.04 冲击韧性，J/cm2 0.22~0.5 导热系数，W/(m.k) 0.24~0.38 硬度（肖氏） 60-70 抗拉弹性模量，x103MPa 1.08~1.57 燃烧性 自熄
聚丙烯与聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯相比，具有下列一些特点：
a、它的价格比聚四氟乙烯低很多，而比聚氯乙烯、聚乙烯略低；
b、其强度比聚四氟乙烯、聚乙烯高，但比硬聚氯乙烯略低，故它可用于较大尺寸的管子。一般情况下，它适用的管子规格为DN200~DN400；
c、耐腐蚀范围与前三者各有不同，详见《设计手册》第二篇；
d、使用温度低于聚四氟乙烯，但高于聚氯乙烯和聚乙烯，它可长期应用在120℃温度下。但它低温下易发脆、易老化、不耐磨，故一般不用于低温环境；
e、纯聚丙烯用作管材时可采用熔融、螺纹和特殊机械接头连接方法；
f、用作衬里管时，要求同聚四氟乙烯。
5、苯乙烯一丁二烯一丙烯腈共聚体（ABS）及其衬里管
它是由苯乙烯、丁二烯和丙烯腈三种单体混炼共聚而成。根据三者混合的比例不同，尚有AAS、ASC、MBS三种姊妹系列，它们的性能各有不同。ABS的物理机械性能见表3-13所示。
表3-13ABS物理、机械性能
性能 指标 性能 指标 密度，g/cm3 1.05~1.08 缺口冲击韧性，J/cm2 0.16~0.31 吸水率，% 0.2~0.45 熔点，℃ 217~237 肖氏硬度 105~116 连续使用温度，℃ 87~110 对钢的滑动摩擦系数 0.35~0.46 导热系数，W/(M.K) 0.19~0.34 抗拉强度，MPa 45~57 线胀系数，(1/k)x10－5 6~9.0 抗拉弹性模量，x103MPa 2.06~2.94 燃烧性 缓慢
ABS的耐腐蚀性能是：对弱酸、弱碱均有较好的耐蚀性，但强酸对它有一定的浸蚀作用。它能溶于酮脂及一些卤代烃中。
ABS与前几种塑料相比，具有以下一些特点：
a、价格比聚四氟乙烯低很多，比聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯均略低；
b、强度最高，可适用的管子规格较大，具体取决于生产厂的情况；
c、纯ABS用作管材时，可用螺纹、熔接方法连接；
d、耐磨性优于聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯。
但ABS耐候性差，长期使用易起层。
二、常用橡胶衬里管子
橡胶是一种高分子化合物，由于其抗弯强度和抗弯弹性模量较低（有的等于零），故它在压力管道中不能单独作为管子及管件使用，而只能作为管子、管件或阀门衬里用。它与塑料相比，同样具有较好的耐蚀性和耐磨性等特点。除此之外，它尚具有比塑料有更好的弹性、耐寒性和良好的加工性能。
常用的橡胶有天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶一般是不能直接使用的，当它们用作管道衬里时，常加入一些硫磺进行硫化处理。根据加入硫磺量的多少不同，天然橡胶可分为软橡胶（硫磺含量约1%~3％）、半硬橡胶（硫磺含量约为30%）和硬橡胶（硫磺含量大于40%）三种。有关天然橡胶三种类型的性能及使用方法已在《设计手册》第二篇中作了详细介绍，在此不再重复。
合成橡胶的种类很多，根据加入的成分不同，其性能和用途也不相同。用作管子和管件衬里的合成橡胶有氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（IIR）、丁腈橡胶（NBR）和氟橡胶（FPM）四种。它们和天然软橡胶的物理化学性能列于表3-14中。
表3-14常用衬里橡胶的物理机械性能
品种
性能 天然橡胶（NR） 氯丁橡胶（CR） 丁基橡胶（IIR） 丁腈橡胶（NBR） 氟橡胶
（FPM） 密度，g/cm3 0.9~0.95 1.15~1.3 0.91~0.93 0.96~1.2 1.8~1.82 抗拉强度，MPa 17~29 15~20 14~21 2~4 10~20 伸长度，% 650~900 800~1000 650~850 300~800 500~700 耐磨性 优 良~优 可~良 优 优 耐冲击性能 优 良 良 可 劣~可 导热系数，W/(M.K)X10-5 4.65 5.81 7.5 6.98 / 最高使用温度，℃ 100 150 170 170 315 长期工作温度，℃ -55~70 -40~120 -40~130 -10~120 -10~280 耐矿物油性 劣 良 劣 可~优 优 耐碱性 可~良 良 优 可~良 优 耐强酸性 次 可~良 良 可~良 优 耐弱酸性 可~良 优 优 良 优 耐老化 劣 良 良 可 优 耐燃性 劣 良~优 劣 劣~可 优 注：性能等级的排序为优(良(可(劣。
由表3-14中可以看出，天然橡胶弹性大，强度高，耐寒性好，但耐油、耐酸、耐碱差，易老化；氯丁橡胶耐酸、耐碱、耐油、耐老化均较好，但其比重大，成本高；丁基橡胶耐酸、耐碱、耐热、耐老化比较好，吸振及阻尼特性好。但其弹性差，加工性能差，耐油性也不好，不宜作为隔膜阀的隔膜；丁腈橡胶耐油、耐热、耐磨性均较好，但耐寒、耐酸碱、耐老化较差；氟橡胶耐油、耐酸碱、耐老化等均比较好，是综合性能比较好的橡胶。但其耐寒性和加工性能较差，价格较贵。
使用时应根据使用条件来选用合适的橡胶衬里。
三、其它非金属及其衬里管子
除了前面介绍的工程塑料及其衬里管子、橡胶衬里管子外，工程上使用的其它非金属管或其衬里管种类还有很多，诸如玻璃钢管、搪瓷衬里管，铅及铅衬里管、石墨管、环氧树脂衬里管、酚醛树脂衬里管等。这些非金属或其衬里管各具特点，可视具体介质条件择其而用。这里不准备给出其特性数据，仅仅定性地介绍其特点和用途。详细的数据可查有关专著或资料。
1、玻璃钢管
它是以各种树脂（如环氧树脂、不饱和聚脂树脂等等）为基体材料，以中碱玻璃纤维织物为骨架材料，由特殊的工艺固化而成的非金属材料。其机械强度较高，轴向抗拉强度可达140MPa以上，因此可以做大直径管子，适用管子规格尺寸为DN25~DN900；其耐蚀性（尤其是耐酸、碱性）不如塑料和橡胶，但其价格便宜，常用于循环水、海水、风和一些弱腐蚀介质的输送。
最常用的玻璃钢材料为不饱和聚脂玻璃钢，使用温度一般小于150℃。
2、搪瓷衬里管
它是将化工用的玻璃状无机材料，通过高温（75℃）熔结在碳钢管表面上而生成的一种非金属衬里管。它适用的管子规格一般为DN25~DN250，管子直径太小和太大都不便于衬搪瓷。它除了对氢氟酸和工业磷酸的耐腐蚀性较弱外，几乎能抗其它一切酸腐蚀，但它不能抗碱腐蚀。它的耐磨性好，且耐老化，但性脆而不能受冲击载荷。它的使用温度一般为-20℃~250℃，连接方式为法兰连接。
3、铅及铅衬里管
通过向纯铅中加入一些其它合金元素，如铜、锑等而得到的铅合金，可用于稀硫酸、稀磷酸的抗腐蚀。但它不能耐硝酸、盐酸、氢氟酸、有机酸和碱的腐蚀。它的抗拉强度较低，一般仅为2.5MPa，且韧性较差，易碎裂，不能承受冲击载荷和交变载荷。因此，铅管在工程中用的较少，主要是其支撑比较麻烦。
衬铅管相对用的较多，其连接方法为法兰连接。衬铅管的加工方法有扩胀贴合法和熔化贴合法两种。
4、（不透性）石墨管
石墨管是通过向石墨中加入一些粘结剂或浸渍剂，于高压下成型的非金属管子。它的耐蚀性较好，能耐多数酸碱介质的腐蚀。它的抗拉强度一般为18MPa，但韧性较差，常用于设计压力小于0.3MPa的介质条件下。使用温度根据型号不同而不同，最高可达300℃。
5、环氧树脂衬里管
其特点是坚韧、光滑、耐磨蚀，能抵抗除强化性酸以外的其它一切酸碱介质的腐蚀。它可进行现场施工，故安装要求较低，也便于设计，常用于大直径的天然气输送管道。
6、酚醛树脂衬里管
它的最大特点是无菌、无污染，可适用于食品加工业。其它特性同环氧树脂衬里管。
四、非金属材料及其衬里的设计与施工
前面已经谈到非金属及其衬里管有许多优点，常用于腐蚀介质环境。但它也有许多不足之处，设计中应充分了解这些不足之处，以便能及时采取适当措施加以克服。归纳起来，非金属及其衬里管的不足及设计应注意的方面有以下几点：
a、非金属管的刚度较小，强度也较小，故应加强支撑。要做到这点有时是比较困难的，因为有时支架的生根位置比较难找。为此，设计中有时采用型钢进行连续支撑，或采取埋地敷设。非金属衬里管能克服这个问题，但价格比纯非金属管贵；
b、非金属衬里管不适用于小口径管道。对小直径（DN≤25）的管道来说，加衬里比较困难，而且加衬里后其流通面积偏小，已无工程使用意义；
c、一般管道中，其组成件比较复杂，各组件要是都进行衬里从而达到同一抗腐蚀要求是比较困难的，有时甚至难以做到。例如，一般管道中要安装压力表、温度计等仪表元件，也要进行高点排气、低点放凝等。这些管道附件的直径都比较小，而且有的元件必须用金属元件，这样就给整个管道达到完全抗腐蚀要求带来困难；
d、非金属衬里管不能进行焊连接，一般只能用法兰连接。而一般的管道中，均要用到许多弯头、三通、异径管等管件，而且就直管来说，非金属衬里管每节不可能做的太长（大多数为2米~4米一节），如此将造成管道中法兰连接过多，既容易泄漏，又不便于施工；
e、非金属衬里管不能采用螺纹连接，也不能采用承插焊连接，故采用的管件也就不能是承插焊管件或螺纹管件；
f、对施工要求高。如果施工误差较大，会给管道的强度可靠性和密封性带来不利影响；
g、非金属衬里管不能采用较便宜、较方便的焊接式支架，以免因焊接时的高温破坏非金属衬里层。它只能采用较繁琐的卡箍型支吊架；
h、衬里管对基材钢管的表面质量要求较高，包括对表面的污物、油污乃至焊接接缝的凸起高度都有严格的要求，否则会导致衬里层的损坏而影响其耐腐蚀性。
正如上述原因，非金属其衬里管在石油化工管道中应用的并不多，只有在不得不用或用高级金属管价格太高时才考虑应用。
为此，作者提出如下几条建议，供设计人员参考：
a、架空管道应尽可能采用非金属衬里管而不用纯非金属管。当架空管道不得不采用纯非金属管时，应考虑连续支撑；
b、非金属管应避免采用有放空、排液或仪表元件的结构。非金属衬里管也应尽量避免采用该结构，当不可避免时，可考虑采用图3-6所示
的结构进行过渡；
c、采用非金属衬里管时，可以给出其管
段图（单线图），管段图上仅给出工艺要求必
须的法兰。然后与有关的制造商接触，由制
造商根据管段图进行预制，并给出结构和装
配必须的法兰位置和数量。如此处理的结果
可以大大减少管道中所用法兰的数量，而不
必每个接口均用法兰连接。同时，在管道预
制时，可先焊接支撑件，并留出支架螺栓连
接孔，现场进行支架施工时仅进行螺栓连接图3－6衬里管仪表元件连接结构
而不用焊接；
d、非金属衬里管道中的阀门宜采用隔膜衬里阀、全衬里球阀或蝶阀等，并且最好是整个管道中的管子、管件、阀门均由同一制造商提供或总成。
思考题：
1、非金属材料与金属材料相比有哪些特点？
2、常用的工程塑料有哪些？
3、聚四氟乙烯有哪些特点？
4、聚氯乙烯与聚四氟乙烯相比有哪些特点？
5、聚乙烯与聚四氟乙烯、聚氯乙烯相比有哪些特点？
6、聚丙烯与聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯相比有哪些特点？
7、ABS与聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯相比有哪些特点？
8、常用橡胶有哪几种？各有何特点？
9、对非金属和非金属衬里管，在设计时应注意哪些问题？
附录F3-1常用金属材料的物理参数
1、常用纯金属的物理化学性质见表F3-1-1：
表F3-1-1常见元素的物理化学性质
元素
符号 元素
名称 原子
序数 密度
(20℃)
103kg/m2 熔点
℃ 沸点
℃ 导热系数
418.68W/
(m.℃) 线胀系数
(0~100℃)
10-6/℃ 弹性模量
9.807.MPa Ag 银 47 10.49 960.8 2210 1.0 19.7 7000~8200 Al 铝 13 2.6984 660.1 2500 0.53 23.6 6900~7200 As 砷 33 5.73 814
(36atm) 613
(升华) - 4.7 790 Au 金 79 19.32 1063 2966 0.71 14.2 7900~8000 B 硼 5 2.34 2300 3675 - 8.3(40℃) - Ba 钡 56 3.5 710 1640 - 19.0 1290 C 碳 6 2.25(石墨) 3727 4830 0.057 0.6~4.3 490 Ca 钙 20 1.55 850 1440 0.3 22.3 2000~2600 Cd 镉 48 8.65 321.03 765 0.22 31.0 5250 Co 钴 27 8.9 1492 2870 0.165 12.4 21400 Cr 铬 24 7.19 1903 2642 0.16 6.2 25900 Cu 铜 29 8.96 1083 2580 0.94 17.0 11700~12650 F 氟 9 1.696x10-3 -219.6 -188.2 - - - Fe 铁 26 7.87 1537 2930 0.18 11.76 20000~21550 H 氢 1 0.0899x10-3 -259.04 -252.61 4.05xx10-3 - - He 氦 2 0.1785x10-3 -269.5
(103atm) -268.9 3.32xx10-3 - 6480 W 钨 74 19.3 3380 5900 0.397 4.6 35000~41530 K 钾 19 0.87 63.2 765 0.24 83 - Li 锂 3 0.531 180 1347 0.17 56 500 Mg 镁 12 1.74 650 1108 0.367 24.3 4570 Mn 锰 25 7.43 1244 2150 0.0119
(-192℃) 37 20160 Mo 钼 42 10.22 2625 4800 0.34 4.9 32200~35000 N 氮 7 1.25x10-3 -210 -195.8 6x10-5 - - Na 钠 11 0.9712 97.8 892 0.32 71 - Nb 铌 41 8.57 2468 5130 0.125~0.13 7.1 8720 Ni 镍 28 8.90 1453 2732 0.22 13.4 19700~
22000 O 氧 8 1.429x10-3 -218.83 -182.97 59xx10-6 - - P 磷(白) 15 1.83 44.1 280 - 125 - Pb 铅 82 11.34 327.3 1750 0.083 29.3 1600~1828 S 硫 16 2.07 115 444.6 6.31x10-4 64 - Sb 锑 51 6.68 630.5 1440 0.045 8.5~10.8 7900 Se 硒 34 4.808 220 685 7~18.3xx10-4 37 5500 Si 硅 14 2.329 1412 3310 0.20 2.8~7.2 11500 Sn 锡 50 7.298 231.91 2690 - 23 4150~4780 Ti 钛 22 4.508 1677 3530 0.130 8.2 16`00~16800 U 铀 23 19.05 1132 3930 0.071 6.8~14.1 7870 V 钒 6.1 1910 3400 0.074 8.3 12950~14700
2、常见钢铁的物理化学性质见表F3-1-2：
表F3-1-2常见钢铁的物理化学性质
牌号 密度
ρ
（t/m3） 熔点
(℃) 弹性模量
E
(MPa)
(室温) 切变模量
G
(MPa)
(室温) 泊松比
(
(室温) 导热系数(
[W/(m.℃)]
(温度) 线胀系数(
(x10-6/℃)
(室温~100℃) Q235 7.86 1468 212000 82300 0.288 61.13(200℃) 12.04 08 7.82 1440 210840 82473 0.280 48.00(100℃) 12.16 10 7.86 1450 210349 82669 0.270 44.00(100℃) 12.63 15 7.85 1400 212801 82571 0.290 40.00(100℃) 11.87 20 7.80 1450 212703 84029 0.280 45.00(100℃) 11.92 20g 7.87 1472 209000 81400 0.283 47.73(200℃) 12.26 35 7.87 1395 212213 82080 0.290 46.00(100℃) 12.45 45 7.87 1433 209000 82300 0.269 46.89(100℃) 11.70 50 7.86 207407 81100 0.290 47.00(200℃) 12.06 16MnR 7.85 1430 209000 82000 0.280 37.14(200℃) 12.55 16MnL 7.87 1490 212000 70700 0.310 40.95(200℃) 12.79 16Mng 7.85 1435 208000 82000 0.268 23.36(100℃) 13.66 45Mn 7.82 1415 210840 81884 0.290 50.00(100℃) 12.00 35Mn2 7.86 1420 206035 79237 0.300 35.00(100℃) 12.33 20MnCr5 7.87 1410 209000 82100 0.280 42.00(97℃) 13.05 16MnCr5 7.89 1445 211000 82600 0.280 41.00(101℃) 12.59 40MnB 7.87 1420 209000 81400 0.284 47.73(200℃) 13.90
(室温~400℃) 40MnVB 7.86 1430 211232 82080 0.290 0.00 12.65 20Cr 7.83 210100 82400 0.300 50.66(20℃) 13.56 40Cr 7.87 1400 211000 82800 0.277 43.96194.6f) 12.00 15CrMo 7.88 1440 212000 82500 0.284 46.05(198℃) 13.37
(20~100℃) 15Cr2Mo 7.88 1445 212801 83257 0.280 36.10(200℃) 13.15
(室温~200℃) 35CrMo 7.87 1403 213000 82400 0.286 47.73(105℃) 12.50 42CrMo 7.85 1390 211722 82473 0.280 0.00 12.43 35VB 7.86 213000 84700 0.260 44.00(100℃) 12.55(100℃) 20CrMnSi 7.80 209859 82228 0.280 31.00 12.19 20CrMnTi 7.86 1440 212000 81700 0.298 41.07(200℃) 12.70 20MnVB 7.87 - 207400 82570 0.47 - 11.20(20℃) 25MnVB - - - - - - - 20Cr2MoV 7.86 1400 211330 81002 0.300 32.00(100℃) 11.85 12CrNi3A 7.84 - 211820 81002 0.300 37.00(100℃) 11.95 12Cr2Ni4 7.84 207407 79629 0.300 32.00 12.89 12Cr3MoVTiB 7.78 1400 21770-4 86101 0.270 29.00(100℃) 12.16 40CrNiMo 7.87 1408 213000 82300 0.295 36.09(150℃) 12.80 28CrNiMoV 7.87 1420 214000 82900 0.298 44.80(200℃) 11.09 18CrNiW 7.91 1435 206000 80900 0.273 28.47(117℃) 12.40 GCr15 7.83 - 214762 83061 0.300 44.00(100℃) 12.03 9Cr18 7.66 - 231433 90416 0.280 29.00(100℃) 9.92 HCM9m
(9Cr-2Mo) 7.81 1440 236141 90710 0.300 27.60(300℃) 11.47
(室温~300℃) 2Cr13 7.75 1430 223000 85800 0.297 26.80(150℃) 10.8(100℃) ZG35 7.84 1440 206000 77000 0.340 - - ZG20SiMn 7.86 1430 211232 82080 0.290 12.65 QT60-2 7.12 1150 169000 65600 0.286 46.05(200℃) 11.79 HT20-40 7.33 1130 148078 56584 0.310 40.00(100℃) 10.98 HT30-54 7.30 1130 143175 56584 0.270 47.00(100℃) 11.22
3、常见非铁金属及其合金的物理化学性质见表F3-1-3：
表F3-1-3常见非铁金属及其合金的物理化学性质
牌号 密度(
（103kg/m3） 比热，Cp
J/(kg.℃) 导热系数，λ
W/(m.℃) 线膨胀系数，(
x10-6/℃ 铜及铜合金 T2 8.90 385.19 385.19 室温，17.7 T3 8.90 389.37 285.19 室温，17.4 T4 8.90 385.19 室温，17.4 H96 8.85 389.37 247.02 25℃~300℃，18.1 H90 8.80 3768.12 167.47 25℃~300℃，18.2 H80 8.65 389.37 142.30 25℃~300℃，19.1 H65 8.47 3768.12 117.23 25℃~300℃，20.1 H63 8.46 117.23 25℃~300℃，20.2 G62 8.43 108.86 25℃~300℃，20.6 G59 8.40 75.36 25℃~300℃，21.6 HPb59-1 8.50 104.27 室温，20.6 HSn70-1 8.54 108.86 室温，20.6 HSb62-1 8.45 108.86 室温，21.4 HAl60-1-1 8.20 室温，21.6 HMn58-2 8.50 703.34 室温，21.2 HFe59-1-1 8.50 100.48 室温，22.0 QSn4-3 8.8 83.74 室温，18 QSn4-0.3 8.9 83.74 室温，17.6 钛合金
Ti-7Al-4Mo(
4.48
-
- 20℃~650℃，9.7
20℃~100℃，9.0
20℃~815℃，11.2 Ti-5Al-25Sn( 4.48 - - 20℃~100℃，9.4
20℃~815℃，10.1 镍及镍合金 NMn3 8.90 - 53.17 13.4 NMn5 8.76 - 48.15 13.7 NCr9 8.70 - - 1.28 NCr10 8.70 - - 0℃~100℃，1.28 Ncu28-2.5-1.5 8.80 531.71 20.98 0℃~100℃，14.0 注：(为名义成分。
4、常见合金的熔点见表F3-1-4：
表F3-1-4常见合金的熔点
合金 熔点，tm℃ 合金 熔点，tm℃ 铝焊料，硬 >540 铝锰合金 650 铝焊料，软 250~500 蒙乃尔合金 1315~1350 防锈铝（Al，Mg，Si） 630~650 硅铝合金 570 黄铜 900 锡基焊料
（25-90Sn，75-10Pb） 181~271 青铜 ≈900 银焊料 720~855 铜焊料 1160~1230 工业钝钛 1668 杜拉铝（Al，Cu，Mg） 520~650 TA7 1538~1649 铝镁合金 520~630 电热合金 1400 劳塔尔合金（Al，Cu） 650 Cr20Ni80 1390 Cr15Ni60 1450
压力管道技术管道材料
60
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