站场配管中低温材质的选用
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摘要：在特定条件下，站场配管需要考虑低温工况。如果所选用的材料不能满足低温工况下的使用要求，将会导致管道破裂，造成较大的直接和间接损失。本文通过分析低温对金属材料的影响，对比和总结国内外常用的低温管道材质，以便在管材选用时更好地满足适用性和经济性要求。
关键词：配管；低温管材；冷脆；韧性
1低温对金属材料的影响
低温脆性是金属材料的一个重要特性，当温度降低时，金属材料会出现由韧变脆的冷脆现象。并非所有金属在低温下都会发生冷脆，这与金属的晶格类型密切相关，金属晶格有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格等3种类型（见图1.1），其中体心立方晶格材料（钨、铬、钼及常温铁）和密排六方晶格（锌、镁、钛）金属材料随着温度的下降，强度指标增加，塑性和韧性指标下降，材料出现脆性。面心立方晶格（铜、银、金、镍、铝及合金）在低温下强度指标增加，但韧性和塑性指标不变或稍有增加。
面心立方晶格（FCC） 体心立方晶格（BCC） 密排六方晶（HCP）
图1.1 3种常见晶格类型
根据错位理论，结构的错位能力体现材料韧性的高低。体心立方和密排六方晶格晶面原子少，滑移阻力较大，变形困难，表现出脆性。相反面心立方晶格晶面原子多，滑移阻力较小，易于变形，从而表现出良好的韧性。
2提高金属低温韧性的途径
不同的金属组织具有不同的强度、韧性及塑性等力学特性（见表2.1）。通过改变金属的组织形式可以提高材料塑性降低材料的脆性。例如在化学成分中合理控制碳（C）元素的含量，尽量减少金属中有害杂质磷、硫（P、S）元素的含量。这是因为碳能固溶于铁，形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性。而过量的碳与铁会形成渗碳体（Fe3C），渗碳体会降低铁的塑性。金属组织中各相的大小、分布形式对材料的韧性也有很大影响，通过改变多相组织中韧性较差相的分布形式，可以减少其对材料整体塑性的影响。
表2.1 金属组织的存在形式与力学特性
在金属力学特性中，塑性和强度往往是一种矛盾，通过加入适量的合金元素，可以有效平衡力学特性，得到既满足强度要求又具有足够塑性的优质合金钢。例如加入适量的锰（Mn）镍（Ni）元素可以有效提高钢的韧性同时保证钢具有一定的强度，同时镍元素能固溶于铁素体基体中，且均匀存在，可进一步提高材料的韧性。
此外，在一定体积内，金属晶粒的数量越多，能参与到滑移的晶粒也就越多，可以将形变均匀地发散到各晶粒，由此产生的应力集中也较小，因此促进钢的晶粒细化也是提高金属塑性的有效措施。在生产过程中通过加入钼（Mo）元素可以有效促进钢的晶粒细化。
3常用低温管道材料
API Spec 5L是管道工程中常用的管线钢制造标准。该规范规定对PSL2等级的钢管可通过夏比V型缺口冲击试验来判定钢管在特定冲击功值下的脆性转变温度。我国输送钢管技术标准GB/9711中的系列钢管也可以通过该试验对钢管的低温适用性进行判定，所得到的温度值一般在-45℃以上。
此外国家质量监督检验检疫总局于2003年3月3日了GB/T 18984-2003《低温管道用无缝钢管》规范。其中对-45℃～-100℃范围内的5种管道用牌号钢的化学成分和力学性能进行了规定，国外工程建设中，ASTM A333/A333M（SA-333/SA-333M）《低温用无缝和焊接公称钢管》标准是较为常用的低温管道标准。其中包含了9个级别的低温钢管，并规定了各级别化学成分和冲击试验温度值
奥氏体不锈钢为面心立方晶格，同时具有较高的Ni含量，抗脆断能力强，具有很好的低温韧性。根据ASME SA312/SA312M《无缝和焊接不锈钢公称管》标准，在-200℃以上使用时，TP304、TP304L、TP316、TP316L等级别的奥氏体不锈钢管可不进行低温冲击试验。这几种常用奥氏体不锈钢管化学成分和力学特性见表3.1和表3.2。
表3.1常用奥氏体不锈钢管化学组分
表3.6常用奥氏体不锈钢管力学性能
通过表3.1、表3.3和表3.5中低温钢管的化学组分可以看出，低温钢管的C含量一般都不超过0.3%，其中的P、S杂质也尽可能的得到去除，同时适量加入了Ni、Mn、Mo等元素，这些都有效的提高了金属的低温韧性。
4结论
在站场的设计中，正确计算管道的设计温度是配管设计人员合理选择管材的前提，管道的设计温度应高于力学性能的试验温度。由于管道的计算壁厚与管道屈服强度成反比，在相同设计压力下，管道屈服强度越高得到的计算管道壁厚越薄，结合采购单价可以对不同材质钢管的单位输送成本进行对比。对冻土层以上管道也可通过保温和电伴热措施消除环境低温对管道的影响。
在管材的选用中，除了满足强度和低温适用性要求，还需要综合考虑管材的线膨胀系数、可焊性及防腐性能等其他指标。
参考文献
[1]李红英，浅论低温对金属材料性能的影响.
[2]ASME B31.8 输气和配气管道系统.
[3] GB/T 18984-2003 低温管道用无缝钢管.
[4] ASTM A333/A333M 低温用无缝和焊接公称钢管.
[5] ASME SA312/SA312M 无缝和焊接不锈钢公称管.