(完整版)管道设计与ASME标准

作者：李敬琦一、

压力管道设计常用

ASME标准

这里有两个标准，一个是组件尺寸型式标准（我国也有相应组件形式标准），另一个是材料标准（我国没有对材料形成专门的标准化）。

型式标准规定了组件的型式、系列、尺寸、公差、试验要求，以及该组件可采用的材料标准等。材料标准规定了适用的对象、原材料（坯料）品种（采用锻轧

Wrought

或锻件

Forged

）、化学成分、机械性

能、制造工艺（包括焊接）、热处理、无损检查、取样和性能检验、质量证书、标志等。1. 典型的组件型式标准1）钢管ANSI/ASME ANSI/ASME 2）管件ANSI/ASME ANSI/ASME ANSI/ASME 3）阀门ANSI/ASME

B16.34

法兰连接、螺纹连接和焊接连接的阀门

B16.9 B16.1 B16.28

工厂制造的钢对焊管件承插焊和螺纹锻造管件钢制对焊小半径弯头和回弯头

B36.10M B36.19M

无缝及焊接钢管不锈钢无缝及焊接钢管

API 599 API 600 API 602 API 609 4）法兰ANSI/ASME ANSI/ASME ANSI/ASME ANSI/ASME

B16.5

法兰或对焊连接的钢制旋塞阀法兰或对焊连接的钢制闸阀紧凑型碳钢闸阀凸耳型对夹蝶阀

管法兰和法兰管件孔板法兰

球墨铸铁法兰和法兰管件大直径钢法兰

B16.36 B16.42 B16.47

API 601 5）垫片ANSI/ASME ANSI/ASME 6）紧固件ANSI/ASME ANSI/ASME 7）管件ASMEI

B16.9

突面管法兰和法兰连接用金属垫片

B16.20 B16.21

管法兰用缠绕式、包覆式垫片和环槽式用金属垫片管法兰用非金属平垫片

B18.2.1 B18.2.2

方头和六角头螺栓和螺纹方头和六角头螺母

工厂制造的锻钢对焊管件

ASME B16.11 MSS-SP-43 2. 材料标准ASTM/ASME丝填充金属，

承插焊和螺纹锻钢管件锻制不锈钢对焊管件

材料标准主要集中收录在ASME II A篇铁基材料，B篇非铁基材料，C篇焊条、焊

D篇性能，以及一些增补内容。

A篇、D篇等。

Pipe），管子（Tube），钢法兰、配件、阀门及零件，

与压力管道设计相关的典型的为

A篇的主要分类有：钢板、薄板和钢带，公称管（

压力容器用钢板、薄板和钢带，结构钢，钢棒材，钢螺栓材料，钢坯和锻件，钢铸件，耐腐蚀钢和耐热钢，锻轧铁、铸铁和可锻铸铁，以及方法标准等。材料表示方法用

\"标准号-级别\"及UNS。

前面的TP表示管材，英文单词的缩写。一般在

TUBE & PIPE的首个字母。

F316

前面的

F表

如304是级别。TP316示锻件，是

FORGING

ASME里，很多都是引用ASTM标准，并在前面加个S，如A3

12被ASME纳入后为美国高合金钢用8-8不锈钢记为

SA312。在ASTM标准中，A表示为

AISI

A系列材料，当然还有B、C等。

AISI

把1

UNS牌号表示，它是按美国钢铁协会UNS No S 30400

（3代表镍铬钢），

的编号表示方法转过来的，比如，

ASTM引用过来叫它为304型，于是各国也跟

着这么叫，成为普遍的表示法。还比如对公称成分相同（304），管材有ASTM的记法，如的记法后在最前面加下面列举一些典型的1．公称管1）SA－106

高温用无缝碳钢公称管

316、316L、321、347、320、904等。ASME（或ASTM）

SA-240

A-182，牌号ASME等同采用

（牌号F304。ASTM

UNS No 号相同）的不同钢材产品，还用不同的标准区分。比如板材213、249、312、376、430（牌号都是A-516

，A代表钢铁金属，

516

TP304）等，而锻件

只是个序号，后面跟着年号。

SB-409

。

S。再有，B-表示非铁基金属，如ASME管道材料：

中、低碳钢，其等级分2）SA－312/SA

A、B、C三级。C%≤0.25%~0.35%

无缝和焊接奥氏体不锈钢公称管

TP304H、TH316H

；合金总量＜0.2%。

－312M

适用于高温及一般腐蚀用。级别有3）SA－333/SA

－333M

、TP321H等9种。

低温用无缝和焊接公称管

1、3、4、6、7、8、9、10、1

适用于低温公称壁厚的无缝以及焊接的碳钢、合金钢公称管。其级别有1共9种。4）SA－335/SA级别有

－335M

高温用无缝铁素体合金钢公称管

P1、P2、P5、P5c、P9、P11、P12、P15、P21、P22。

无缝及焊接的铁素体、奥氏体不锈钢公称管

5）SA－709/709M

2.钢法兰、配件、阀门及零件1）SA－105/SA

－105M

管道元件用碳钢锻件

适用于室温和高温下工作的压力系统中锻制碳素钢管道构件。2）SA－182/SA级别较多，如

－182M

高温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、锻制管配件、阀门和零件

等。

F1、F2、F5、F12－1、F12－2、F304H、F316LH

－234M

中、高温用锻制碳钢和合金钢管道配件

3）SA－234/SA

适用于最新版的ANSI B16.9、ANSI B16.11、ANSI B16.28及MSS SP－79和MSS SP－95所

包括的无缝的及焊接结构的锻制碳钢和合金钢管配件；这些管配件采用中温及高温的压力管道和压力容器制造。级别有4）SA－403/SA

WPB、WPC、WP－1、WP－2、WPR等多种。－403M

锻轧奥氏体不锈钢管配件

ANSI或MSS尺寸及额定压力标准，使用

包括了若干级别的奥氏体不锈钢合金，并分别依据所适用的WP或CR前缀来标志钢的级别。5）SA－420/SA适用于

ANSI

－420M

低温用锻造碳钢和合金钢管配件

、ANSI

B16.28

B16.9、ANSI、B16.11 及MSS SP－79和MSS SP－95最新版标

准的锻制碳钢和合金钢无缝焊接结构管配件。等级有6）SA－815/SA3.钢螺栓材料1）SA－193/SA

－193M

高温用合金钢和不锈钢材料

－815M

WPL3、WPL6、WPL8、WPL9。

塑性加工成形铁素体、奥氏体及马氏体不锈钢配件。

适用于高温压力容器、阀门、法兰及管配件用合金钢和不锈钢螺栓材料。材料类别包括铁素体钢和奥氏体钢，其级别如2）SA－194/SA包括从

B5、B8等多种。－194M

高温高压螺栓用碳钢和合金钢螺母

8

M6到M100的各种碳钢、合金钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢螺母。奥氏体级别，加前缀1，2，2H，2HM，3，4，6，6F，7，7M，16。

和9；铁素体级别有二、

压力管道材料等级表内容简述

管道材料等级中包含了材料规定，是针对一系列介质条件而编制的管道器材应用明细表。它是根据管道系统中的温度和压力及腐蚀性来分类的。通过情况下，材料等级表的内容有：

1）等级名称（或等级号）、设计条件（设计压力、设计温度和介质）、法兰公称压力等级、材料腐蚀余量等。

2）钢管外径尺寸系列信息及壁厚钢管外径尺寸系列有大小外径之分，

ASME标准采用大外径。外径尺寸定位后，意味着与其相关的钢管、

200℃作为计算

\"美式法兰\"。DN6~DN

管件、阀门、法兰、垫片、紧固件、附件等都要与之匹配。就法兰系列而言，一类是以基准温度的

\"欧式法兰\"，一类是以大约

430℃（对ANSI

150LB

级则是

300℃）作为基准温度的

ASME标准的钢管外径尺寸系列标准为2000mm

。

B36.10、ANSI B36.19，其公称直径范围为

钢管壁厚的表示方法有三种，如管表号（SCH）、壁厚（mm）、重量(STD、XS、XXS)。

3）钢管、管件（弯头、三通、异径管、支管接头等）、阀门、法兰、垫片、紧固件等

全面一些，在标识时除了提供钢管、管件等的材料（标准）、连接形式（对焊、承插焊、螺纹连接）、表面状态（无缝、有缝）等内容外，还应提供组件型式标准。4）管道分支信息

即管道分支表，提供主管与支管连接应匹配的规定。通常情况下，应优先选用标准管件，如三通通（等径、异径）、支管接头等。若出现主、支管相差太大无法选择时，才使用非标接头形式，并需要计算是否需要进行补强等加强措施。三、

ASME B31.3

钢管壁厚计算

/四

制定材料等级表需要计算的内容有两种情形，其一是前面提到的开孔补强计算，其二是这里提及的钢管（含弯头等）的强度计算。

ASME B31系列钢管壁厚计算的公式有多种，对于石化项目必须按B31.3管道规范中的方法进行强度

计算。强度计算需要的条件为设计条件（温度、压力）、材料许用应力、钢管外径（或内径）、质量系数（也称焊接接头系数）、温度影响系数，此外还要考虑材料腐蚀余量、加工裕量等。壁厚计算的结果是进行钢管（及弯件）壁厚选用标准尺寸的依据。这种方法与容器壁厚选用的方法基本一致。弯头等管件的壁厚也有计算方法，但是在通常情况下，是以直管的计算为依据选用标准厚度即可。而开孔补强计算方法就与容器的完全一致了。四、

选材与腐蚀

进行材料等级表制定需要考虑的事项有多种，除了前面提及材料满足强度要求只是其中之一，还要考虑操作介质的性质、操作工况等引起材料的各种腐蚀。

就腐蚀形式而言，根据腐蚀发生的机理可划分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三类。根据腐蚀形态可划分为均匀腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀三类。其中局部腐蚀又可分为电偶腐蚀（如碳钢与不锈钢接触并处于电解质环境中）、点蚀（如对奥氏体不锈钢材料的应用要注意氯离子的含量）、缝隙腐蚀、晶间腐蚀（如高温时奥氏体不锈钢产生的晶界贫铬）。

因此就需要了解材料的耐腐蚀性能，并查询金属腐蚀相关手册等资料。五、

铁碳合金相图

管道材料等级表的技术主要在对材料性能的掌握上，因此各设计院通常是由机械专业的人来进行此方面的工作。而材料的关键技术又与了解其本质－铁碳合金相图是密切相关的。

铁碳合金相图是以温度为纵坐标，碳含量（组元）为横坐标。表示在接**衡条件（铁

件（铁－碳化铁）下（或极缓慢的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元合金在不同温度下所呈现的相和这些相之间的平衡关系。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溶点和凝固点，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，由此可以预测合金的性能。该相图中有两个组元，即

Fe和Fe3C。其中，Fe的性能表现为强度和硬度较低，塑性和韧性较好；

Fe3

-石墨）和亚稳条

C为具有复杂晶格结构的间隙化合物，其性能表现为硬而脆。四个基本相，即液相（

L ）、铁素体（

α）、奥氏体（

γ）和渗碳体（

Fe3C）；此外还有一个次生相珠光

体（P）。其中，铁素体为碳在0.008%

α-Fe中的间隙固溶体，具有体心立方晶格，溶碳量较少，室温溶碳量为

γ-Fe中的间隙固溶体，具有面心立方晶格结构，溶碳量较大，属

，属常温组织；奥氏体为碳在

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；渗碳体为金属键及化学键的结合物，属于常温组织；珠光体为铁素体和渗碳体的混合物，既具有很好的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，属常温组织。含碳量大于(铁-碳相图

略)

2.06%

的合金及温度下的

δ-Fe在工程上无太大意义。

相图中，A点为纯铁的溶点（1534℃），C点为奥氏体和渗碳体的共晶点（

723℃）。Ac3线）或冷却（称

1130℃），D点为渗碳体

的熔点（1600℃），S点为铁素体和渗碳体的共析点（GS线（A3线）为亚共析钢（的终了温度线（称冷却（称

C<0.8%

）加热（称

Ar3线）时铁素体与奥氏体转变

）加热（称

Accm线）或

Ac3线）。ES线（Acm线）为过共析钢（0.8%Arcm线）时渗碳体与奥氏体转变的终了温度线。PSK（A1线）为加热（称Ac1线）或冷却时

（称Ar1线）珠光体与奥氏体转变终了的温度线。从相图可以看出，亚共析钢（常温组织C）－铸铁（常温组织

α+P）－共析钢（常温组织

P）－过共析钢（常温组织

P+ Fe3

Fe3C）随含碳量的变化，表现出的材料塑性、韧性与强度、硬度的变化关系。

另外，从相图可以看出，对同一材料，在从高温到常温转变的过程中，会得到不同的组织形式。对于影响材料中不理想的组织通过热处理（如退火、正火、淬火、回火、调质等）来处理，以此达到材料性能

要求。即将材料加热到临界温度（A3、A1、Acm）以上30~50℃、保温、冷却等来得到不同的转变组织。

退火冷却是在炉内缓冷的过程；可达到细化晶粒、消除偏析、降低硬度而提高塑性和韧性的目的。正火较退火冷却速度快一些（空气中冷却）。淬火是冷却时间最快的一种（水冷），用于提高材料硬度和耐磨性。

了解铁碳合金相图，有利于更好地选择适合工况（主要是温度）下的材料。

当然，钢中含有一些合金元素，如铬、钨、钒、氮、锰、硅、硫、磷等。大多数这些合金元素都能溶于铁素体中起固溶强化、细化晶粒等作用，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；或与碳亲和形成碳化物而起到稳定并提高硬度的作用。对于不能溶解或亲和或者有害的杂质元素（如硫、磷）要在钢的形成过程中进行特别处理，减少其含量。六、

最后语

管道材料专业决定着工程项目的安全性与经济性。材料等级表制定体现着管道的专业的高精水平，其不亚于装置设备平面布置。丰富的材料知识和熟悉的管道标准应用会使管道器材选用或制定更加完美。