压力管道技术第3章.docVIP

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