一、不同标准规范对低温管道的定义
我国标准一般规定设计温度低于或等于-20℃的管道属于低温管道。GB 50316、SH3059和GB150标准规定设计温度低于或等于-20℃的压力管道属于低温管道。GB 50235、SH 3501 标准规定设计温度低于或等于-29℃的压力管道属于低温管道。
ASTM、ASME标准规定设计温度低于或等于-29℃的管道属于低温管道。
前ASTM、ASME对于低温管道采用了根据材料组别、厚度、应力水平和热处理状态确定材料最低设计金属温度的方法,这种方法建立在大量实验研究的基础上,运用断裂力学的判据,针对每种材料的性能、厚度、热处理状态分别确定低温限,是比较科学的方法。我国标准将低温限统一定为-20℃,这是根据经验人为地划定的界限,对于一些材料具有不合理性。
二、低温管道冲击试验与低温低应力工况
设计温度低于或等于-20℃的低温管道用钢材,除含碳量小于和等于0.10%且符合标准的铬镍奥氏体不锈钢在材料温度不低于-196℃时不做低温冲击试验外,其余钢材均应做夏比(V形缺口)低温冲击试验。试验要求应符合GB 150《钢制压力容器》和GB50316《工业金属管道设计规范》的规定。
低温管道用钢材做低温冲击试验不包括“低温低应力工况”。低温低应力工况系指压力1/6,且不大于50MPa”是低温低应力工况的判据。
“GB 150、GB 50316、GB/T 20801.2和HG 20585《钢制低温压力容器技术规定》。同时规定,除抗拉强度下限值大于540MPa的钢材及螺栓材料外,压力容器壳体及其受压元件或受压的管道组成件在低温低应力工况下,若设计温度加50℃后高于-20℃时,压力容器和管道材料可免做低温冲击试验。
三、低温工况管道材料的选用
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。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,一般要严格控制。
中国的低温用钢有16Mn、09Mn2V、06AlCu、06MnNb或奥氏体不锈钢。但前几种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。
四、低温用钢及低温界线
Q235-B,Q235-A使用下限温度为0℃;20钢使用下限温度为-19℃;L245,A105,WPB,WCB使用下限温度为-29℃;16Mn、16MnD使用下限温度为-40℃;10MnD,A333Gr6,WPL6,LF2,LCB使用下限温度为-46℃;3.5Ni使用下限温度为-101℃;奥氏体不锈钢,Al,Cu使用下限温度为-196℃。
工程应用:某寒冷地区配管设计管道器材选用
某寒冷地区的工程设计,当地最低气温为-40℃。没有选用不锈钢材质管子,而是根据低温低应力工况,选用了16Mn材质管道材料。