在介紹了金屬材料的基本知識、常用金屬材料和常見的介質(zhì)腐蝕環(huán)境后，就可以進行工程選材了。事實上，工程上的實際應用環(huán)境條件是十分復雜的，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)成了無數(shù)個選材條件。就常見的選材條件來說，要想在這里逐一給出其選材結(jié)論是不現(xiàn)實的，它也正是各個設(shè)計院或工程公司一直致力研究的問題。在這里將換一種方式，即以材料為主體，應用金屬理論、腐蝕理論以及工程理論來確定各種常用材料的使用限制條件。這就好比拋開了難以詳述的充分條件，而只講必要條件，相信這樣的介紹對工程選材會有一定的幫助。
工程上，壓力管道選材除了要確定材料牌號外，還要確定材料標準，因為不同的材料標準，對材料質(zhì)量的要求是不一樣的。部分與材料標準有關(guān)的限制條件將在第五章中結(jié)合材料標準進行論述。
一、一般限制條件
在進行工程材料選用時，首先應遵循下列一些原則。
1、滿足操作條件的要求
首先應根據(jù)操作條件來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)生事故帶來的危害程度不同，故對材料的要求也不同。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)品的檢查試驗都比低類別的壓力管道要求高。
其次是應考慮操作條件對材料的選擇要求。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，選用材料應避免災難性的腐蝕形式（如應力腐蝕開裂）出現(xiàn)，而對均勻腐蝕，一般至少應限定在“尚耐腐蝕”級，即最高年腐蝕速率不超過0.5mm。
介質(zhì)溫度也是選用材料的一個重要參數(shù)。因為溫度的變化會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、蠕變等問題。從前面所討論的腐蝕問題中也可以看出，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，理想的材料應該是容易獲得的，即它應具有良好的加工工藝性、焊接性能等。例如，對于一些腐蝕環(huán)境，選用碳鋼和不銹鋼復合制成的壓力管道及其元件來代替純不銹鋼材料無凝是經(jīng)濟適用的，但由于許多制造廠的復合工藝不過關(guān)，使用中屢此出現(xiàn)問題，從而給復合材料的應用帶來了限制，尤其是碳鋼與0Cr13的復合板材因現(xiàn)場焊接質(zhì)量不容易保證，以致工程上不敢使用或者說不敢大量使用它。
其次，工程上的材料應用是系列化、標準化的，它不象在試驗室中，可以做到少量、理想化的材料應用。將材料標準化、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、制造、安裝、使用等各環(huán)節(jié)的投入，同時也將大大降低生產(chǎn)成本。所以工程上應首先選用標準材料，對于必須選用的新材料，應具有完整的技術(shù)評定文件，并經(jīng)過省級及其以上管理部門組織的技術(shù)鑒定，合格后才能使用。
對于必須進口的材料，應提出詳細的規(guī)格、性能、材料牌號、材料標準、應用標準等技術(shù)要求，并按國內(nèi)的有關(guān)技術(shù)標準要求對其進行復驗，合格以后才能使用。
3、符合既使用又經(jīng)濟的要求
這是一個很原則的問題，實際操作起來是很復雜的。它要求材料工程師須運用工程學、材料學、腐蝕學等方面的知識綜合判斷。這樣的問題有時是可以定量計算的，有時則是不可以定量計算的。一般情況下，應從以下幾個方面來考慮：
a、腐蝕方面
對于局部腐蝕，若通過其它措施（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、災難性的局部腐蝕發(fā)生，就可以采用價格比較低的材料。否則，必須選用高級但價格高的材料。
對均勻腐蝕，在腐蝕環(huán)境比較惡劣的情況下，若選用低級但價格便宜的材料，其腐蝕速率可能會很大，短時間內(nèi)就必須更換材料。而用耐腐蝕比較好、價格比較高的材料，其腐蝕速率可能會較小，從而維持一個比較長的生產(chǎn)周期。進行綜合的技術(shù)經(jīng)濟評定，此時采用高級材料也許更經(jīng)濟些。反之，如果腐蝕環(huán)境比較緩和，此時選用低級材料雖然其腐蝕速率比較大，但其價格便宜，進行經(jīng)濟核算后，此時采用低級材料也許更經(jīng)濟些。總之，這一類型的材料選用是可以進行經(jīng)濟核算的。
對于同一個腐蝕環(huán)境，若選用高級材料時遭受的腐蝕可能是危險性較大的局部腐蝕，而選用低級材料時遭受的腐蝕可能是具有較大腐蝕速率的均勻腐蝕。此時就應考慮選用低級材料并輔以其它防腐措施。
b、材料標準及制造方面
壓力管道的類別與材料標準和制造要求并沒有一個完全一一對應的關(guān)系，這就要求材料工程師應用有關(guān)知識來綜合考慮。許多材料標準和制造標準中，都有若干供用戶確認的選擇項。這些選擇項中，有些是一般的項目，當用戶沒有指定時，制造商將按自己的習慣去做。例如，鋼管的供貨長度、供貨狀態(tài)等都屬于這類項目。而另一些項目則是附加檢驗項目，這些檢驗項目不是必做的，只有用戶要求時制造商才做。也就是說，用戶可以根據(jù)使用條件的不同，追加若干檢驗項目，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)品價格的上升，有些檢驗項目如射線探傷的費用是很高的。如何追加這些附加檢驗項目，應結(jié)合使用條件和產(chǎn)品的價格綜合考慮，有時要把握好這個尺度是很難的。有關(guān)這方面的問題將在第九章中介紹。
c、新材料、新工藝應用方面
積極采用新材料，支持新材料、新工藝的開發(fā)和應用，可以有效地降低建設(shè)投資，又能滿足生產(chǎn)工藝對材料的要求。例如采用滲鋁碳鋼代替不銹鋼用于抗硫和有機酸的腐蝕；用碳鋼與不銹鋼的復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縫鋼管；等等。
二、常用材料的應用限制
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)變化或管道有振動的條件下。實際上，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
普通碳素鋼的應用應遵循下列原則：
a、沸騰鋼應限用在設(shè)計壓力≤0.6MPa，設(shè)計溫度為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)和有應力腐蝕的環(huán)境中；
b、鎮(zhèn)靜鋼應限用在設(shè)計溫度為0℃～400℃范圍內(nèi)。當它用于有應力腐蝕開裂敏感的環(huán)境時，本體硬度應不大于HB160，焊縫硬度應不大于HB200，并對本體和焊縫進行100%無損探傷；
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標準給出了四種常用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號，即Q235A（F、ｂ），Q235B（F、b）、Q235C、Q235D。這四種牌號的質(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用最廣的碳鋼，對應的材料標準有GB699、GB8163、GB3087、GB5310、GB6654、GB9948、GB6479等。這些標準是根據(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方面：
a、輸送堿性或苛性堿介質(zhì)時應考慮有發(fā)生堿脆的可能，詳見本章前面所述。錳鋼（如16Mn）不得用于該環(huán)境中；
b、在有應力腐蝕開裂傾向的環(huán)境中工作時，應進行焊后應力消除熱處理，熱處理后的焊縫硬度不得大于HB200。焊縫應進行100%無損探傷（對接焊縫應是射線探傷）。錳鋼（如16Mn）不宜用于有應力腐蝕開裂傾向的環(huán)境中；
c、在均勻腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作時，應根據(jù)腐蝕速率、使用壽命等進行經(jīng)濟核算，如果核算結(jié)果證明選用碳素鋼是合適的，應給出足夠的腐蝕余量，并采取相應的其它防腐蝕措施；
d、碳素鋼、碳錳鋼和錳釩鋼在427℃及以上溫度下長期工作時，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，應考慮發(fā)生氫損傷的可能性。詳見前面所述；
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，應做低溫沖擊韌性試驗；
h、用于高壓臨氫、交變載荷情況下的碳素鋼材料宜是經(jīng)過爐外精煉的材料。
值得一提的是，優(yōu)質(zhì)碳素鋼的材料標準中也有沸騰鋼牌號，但對于應用優(yōu)質(zhì)碳素鋼的場合而采用沸騰鋼牌號甚為不合理，實際工程中也很少這樣用，故上述的規(guī)定僅是對鎮(zhèn)靜鋼提出的，如果確實用到了優(yōu)質(zhì)沸騰鋼，其應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準有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方面：
a、碳鉬鋼(C-0.5Mo)在468℃溫度下長期工作時，其碳化物有轉(zhuǎn)化為石墨的傾向，因此限制其最高長期工作溫度不超過468℃；
b、在均勻腐蝕環(huán)境下工作時，應根據(jù)腐蝕速率、使用壽命等進行經(jīng)濟核算，同時給出足夠的腐蝕余量；
c、臨氫操作時，應考慮發(fā)生氫損傷的可能性，詳見本章第二節(jié)；
d、在高溫H2+H2S介質(zhì)環(huán)境下工作時，應根據(jù)Nelson曲線和Couper曲線確定其使用條件；
e、應避免在有應力腐蝕開裂的環(huán)境中使用；
f、在400℃～550℃溫度區(qū)間內(nèi)長期工作時，應考慮防止回火脆性問題。
g、鉻鉬合金鋼一般應是電爐冶煉或經(jīng)過爐外精煉的材料。
5、不銹耐熱鋼
壓力管道中常用的不銹耐熱鋼材料標準主要有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)長期工作時，應考慮防止475℃回火脆性破壞，這個脆性表現(xiàn)為室溫下材料的脆化。因此，在應用上述不銹鋼時，應將其彎曲應力、振動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)間長期工作時，應考慮防止發(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度的下降。這種現(xiàn)象可以通過將其加熱至1000℃以上進行退火處理來消除。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。對于常用的奧氏體不銹鋼，除鑄件外，其鐵素體含量一般不會超過上述值；
c、奧氏體不銹鋼在加熱冷卻的過程中，經(jīng)過540℃～900℃溫度區(qū)間時，應考慮防止產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。當有還原性較強的腐蝕介質(zhì)存在時，應選用穩(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，有應力腐蝕開裂和點蝕的可能。應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25PPm；
e、奧氏體不銹鋼與鉛、鋅或它們的化合物在其溶點溫度以上接觸時，有晶間腐蝕破壞的敏感性；
f、奧氏體不銹鋼使用溫度超過525℃時，其含碳量應大于0.04%；
g、對有劇烈環(huán)烷酸腐蝕的環(huán)境，應選用含鉬的奧氏體不銹鋼（如316、316L）或其復合材料（復合板或復合管）。
三、其它方面對材料的限制
1、碳當量
金屬材料在焊接時，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，在焊接應力作用下容易產(chǎn)生裂紋。鋼的各種化學成分對鋼淬硬性的影響通常折算成碳的影響，稱為碳當量，用Ce表示。關(guān)于碳當量的折算方法有很多不同的公式，而常用的有以下兩種：
a、國際焊接學協(xié)會推薦的碳鋼及低合金鋼常用碳當量計算公式如下：
Mn Cr+Mo+V Ni+Cu
Ce % = C % + —— % + ———— % + % 6 5 15
經(jīng)驗表明：
當Ce＜0.4%時，鋼材的淬硬傾向不明顯，可焊性優(yōu)良，焊接時不必預熱；
當Ce =0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向逐漸明顯，需要采取適當預熱、控制線能量等工藝措施；
當Ce＞0.6%時，鋼材的淬硬傾向很強，屬于難焊材料，需要采取較高的預熱溫度和嚴格的焊接工藝措施。
b、我國有關(guān)焊接標準推薦的碳鋼及低合金鋼碳當量計算公式如下：
Mn Si Ni Cr Cu Mo P
Ce % = C % + —— % + —— % —— % + ——% + —— % + —— % + —— %
6 24 15 5 5 40 2
當焊縫厚度小于13mm時，其Ce值應不大于0.45；
當焊縫厚度為13mm ~25mm時，其Ce值應不大于0.4；
2、常用材料在無腐蝕情況下的最高使用溫度應符合表3-8的要求。
表3-8 常用材料的使用溫度要求
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材 料
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使 用 溫 度
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10、20
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-20℃～425℃
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16Mn
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-40℃～450℃
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09Mn2V
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-70℃～100℃
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12CrMo
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≤525℃
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15CrMo
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≤550℃
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1Cr5Mo
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≤600℃
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低碳奧氏體不銹鋼（0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni10Ti等）
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-196℃～700℃
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超低碳奧氏體不銹鋼（00Cr19Ni10）
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-196℃～400℃
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超低碳奧氏體不銹鋼（00Cr17Ni14Mo2）
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-196℃～450℃
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0Cr25Ni20
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≤800℃
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鋁及防銹鋁合金
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-200℃～200℃
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3、復合管材和復合板材
鑒于目前國內(nèi)生產(chǎn)碳素鋼+不銹鋼復合管材和復合板材的生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的實際情況，工程上宜謹慎選用。如果如果必須使用，應要求復合處的縱向抗剪力應不低于200MPa。
4、滲鋁管
滲鋁鋼是一種抗高溫硫腐蝕比較好而且價格相對便宜的材料，但其焊接問題目前尚在研究中，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)碳素鋼在使用時一般應注意哪些問題？
6、鉻鉬合金鋼在使用時一般應注意哪些問題？
7、不銹耐熱鋼在使用時一般應注意哪些問題？
8、國際焊接學協(xié)會推薦的碳鋼及低合金鋼的碳當量計算公式是什么？
9、常見金屬材料無腐蝕時的使用溫度是多少？
