在介绍了金属材料的基本知识、常用金属材料和常见的介质腐蚀环境后，就可以进行工程选材了。事实上，工程上的实际应用环境条件是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。就常见的选材条件来说，要想在这里逐一给出其选材结论是不现实的，它也正是各个设计院或工程公司一直致力研究的问题。在这里将换一种方式，即以材料为主体，应用金属理论、腐蚀理论以及工程理论来确定各种常用材料的使用限制条件。这就好比抛开了难以详述的充分条件，而只讲必要条件，相信这样的介绍对工程选材会有一定的帮助。
工程上，压力管道选材除了要确定材料牌号外，还要确定材料标准，因为不同的材料标准，对材料质量的要求是不一样的。部分与材料标准有关的限制条件将在第五章中结合材料标准进行论述。
一、一般限制条件
在进行工程材料选用时，首先应遵循下列一些原则。
1、满足操作条件的要求
首先应根据操作条件来判断该管道是不是压力管道，属于那一类压力管道。不同类别的压力管道因其重要性不同，发生事故带来的危害程度不同，故对材料的要求也不同。一般情况下，高类别的压力管道（如一类压力管道）从材料的冶炼工艺到最终产品的检查试验都比低类别的压力管道要求高。
其次是应考虑操作条件对材料的选择要求。从前面关于腐蚀的论述中可以看到，不同的材料对同一腐蚀介质的抗腐蚀性能是不相同的。在腐蚀环境中，选用材料应避免灾难性的腐蚀形式（如应力腐蚀开裂）出现，而对均匀腐蚀，一般至少应限定在“尚耐腐蚀”级，即最高年腐蚀速率不超过0.5mm。
介质温度也是选用材料的一个重要参数。因为温度的变化会引起材料的一系列性能变化，如低温下材料的脆性，高温下材料的石墨化、蠕变等问题。从前面所讨论的腐蚀问题中也可以看出，很多腐蚀形态都与介质温度有密切的关系，甚至是腐蚀发生的基本条件。因此压力管道的选材应满足温度的限制条件。
2、满足材料加工工艺和工业化生产的要求
首先，理想的材料应该是容易获得的，即它应具有良好的加工工艺性、焊接性能等。例如，对于一些腐蚀环境，选用碳钢和不锈钢复合制成的压力管道及其元件来代替纯不锈钢材料无凝是经济适用的，但由于许多制造厂的复合工艺不过关，使用中屡此出现问题，从而给复合材料的应用带来了限制，尤其是碳钢与0Cr13的复合板材因现场焊接质量不容易保证，以致工程上不敢使用或者说不敢大量使用它。
其次，工程上的材料应用是系列化、标准化的，它不象在试验室中，可以做到少量、理想化的材料应用。将材料标准化、系列化便于大规模生产，减少材料品种，从而可以节约设计、制造、安装、使用等各环节的投入，同时也将大大降低生产成本。所以工程上应首先选用标准材料，对于必须选用的新材料，应具有完整的技术评定文件，并经过省级及其以上管理部门组织的技术鉴定，合格后才能使用。
对于必须进口的材料，应提出详细的规格、性能、材料牌号、材料标准、应用标准等技术要求，并按国内的有关技术标准要求对其进行复验，合格以后才能使用。
3、符合既使用又经济的要求
这是一个很原则的问题，实际操作起来是很复杂的。它要求材料工程师须运用工程学、材料学、腐蚀学等方面的知识综合判断。这样的问题有时是可以定量计算的，有时则是不可以定量计算的。一般情况下，应从以下几个方面来考虑：
a、腐蚀方面
对于局部腐蚀，若通过其它措施（如工艺防腐措施）能防止或控制局部腐蚀的发生，特别是突然性、灾难性的局部腐蚀发生，就可以采用价格比较低的材料。否则，必须选用高级但价格高的材料。
对均匀腐蚀，在腐蚀环境比较恶劣的情况下，若选用低级但价格便宜的材料，其腐蚀速率可能会很大，短时间内就必须更换材料。而用耐腐蚀比较好、价格比较高的材料，其腐蚀速率可能会较小，从而维持一个比较长的生产周期。进行综合的技术经济评定，此时采用高级材料也许更经济些。反之，如果腐蚀环境比较缓和，此时选用低级材料虽然其腐蚀速率比较大，但其价格便宜，进行经济核算后，此时采用低级材料也许更经济些。总之，这一类型的材料选用是可以进行经济核算的。
对于同一个腐蚀环境，若选用高级材料时遭受的腐蚀可能是危险性较大的局部腐蚀，而选用低级材料时遭受的腐蚀可能是具有较大腐蚀速率的均匀腐蚀。此时就应考虑选用低级材料并辅以其它防腐措施。
b、材料标准及制造方面
压力管道的类别与材料标准和制造要求并没有一个完全一一对应的关系，这就要求材料工程师应用有关知识来综合考虑。许多材料标准和制造标准中，都有若干供用户确认的选择项。这些选择项中，有些是一般的项目，当用户没有指定时，制造商将按自己的习惯去做。例如，钢管的供货长度、供货状态等都属于这类项目。而另一些项目则是附加检验项目，这些检验项目不是必做的，只有用户要求时制造商才做。也就是说，用户可以根据使用条件的不同，追加若干检验项目，以便更好的控制材料的内在质量。但提出了这些特殊要求就意味着产品价格的上升，有些检验项目如射线探伤的费用是很高的。如何追加这些附加检验项目，应结合使用条件和产品的价格综合考虑，有时要把握好这个尺度是很难的。有关这方面的问题将在第九章中介绍。
c、新材料、新工艺应用方面
积极采用新材料，支持新材料、新工艺的开发和应用，可以有效地降低建设投资，又能满足生产工艺对材料的要求。例如采用渗铝碳钢代替不锈钢用于抗硫和有机酸的腐蚀；用碳钢与不锈钢的复合材料代替纯不锈钢材料；用焊接质量有保证的有缝钢管代替无缝钢管；等等。
二、常用材料的应用限制
1、铸铁
上节已经讲到，常用的铸铁有可锻铸铁和球墨铸铁两种。
工程上，一般限制可锻铸铁使用在介质温度为-29℃～343℃的受压或非受压管道，同时不得用于输送介质温度高于150℃或表压大于2.5MPa的可燃流体管道和任何温度压力条件下的有毒介质，并不得用于输送温度和压力循环变化或管道有振动的条件下。实际上，它经常被用于不受压的阀门手轮和地下污水管道。
球墨铸铁应用限制条件同可锻铸铁，它经常被用于工业用水管道中的阀门阀体。
2、普通碳素钢
普通碳素钢的应用应遵循下列原则：
a、沸腾钢应限用在设计压力≤0.6MPa，设计温度为0℃～250℃的条件下，并不得用于易燃或有毒流体的管道，也不得用于石油液化气介质和有应力腐蚀的环境中；
b、镇静钢应限用在设计温度为0℃～400℃范围内。当它用于有应力腐蚀开裂敏感的环境时，本体硬度应不大于HB160，焊缝硬度应不大于HB200，并对本体和焊缝进行100%无损探伤；
c、用于压力管道的沸腾钢和镇静钢，其含碳量不得大于0.24%。
GB700标准给出了四种常用的普通碳素结构钢牌号，即Q235A（F、ｂ），Q235B（F、b）、Q235C、Q235D。这四种牌号的质量要求是顺次提高的。它们的适用范围如下：
Q235－A·F钢板：设计压力P≤0.6MPa；使用温度为0℃～250℃；钢板厚度不大于12mm；不得用于易燃，毒性程度为中度、高度或极度危害介质的管道。
Q235-A钢板：设计压力P≤1.0MPa；使用温度为0℃～350℃；钢板厚度不大于16mm；不得用于液化石油气、毒性程度为高度或极度危害介质的管道。
Q235－B钢板：设计压力P≤1.6MPa；使用温度为0℃～350℃；钢板厚度不大于20mm；不能用于高度和极度危害介质的管道。
Q235－C钢板：设计压力P≤2.5MPa；使用温度为0℃～400℃；钢板厚度不大于40mm。
3、优质碳素钢
优质碳素钢是压力管道中应用最广的碳钢，对应的材料标准有GB699、GB8163、GB3087、GB5310、GB6654、GB9948、GB6479等。这些标准是根据不同的使用工况而提出了不同的质量要求。有关的应用将在第五章中介绍。它们共性的使用限制条件有以下几个方面：
a、输送碱性或苛性碱介质时应考虑有发生碱脆的可能，详见本章前面所述。锰钢（如16Mn）不得用于该环境中；
b、在有应力腐蚀开裂倾向的环境中工作时，应进行焊后应力消除热处理，热处理后的焊缝硬度不得大于HB200。焊缝应进行100%无损探伤（对接焊缝应是射线探伤）。锰钢（如16Mn）不宜用于有应力腐蚀开裂倾向的环境中；
c、在均匀腐蚀介质环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，如果核算结果证明选用碳素钢是合适的，应给出足够的腐蚀余量，并采取相应的其它防腐蚀措施；
d、碳素钢、碳锰钢和锰钒钢在427℃及以上温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的可能性，因此限制其最高工作温度不得超过427℃（有的规范如锅炉规范则规定该温度为450℃）；
e、临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性。详见前面所述；
f、含碳量大于0.24%的碳钢不宜用于焊连接的管子及其元件；
g、用于-20℃及以下温度时，应做低温冲击韧性试验；
h、用于高压临氢、交变载荷情况下的碳素钢材料宜是经过炉外精炼的材料。
值得一提的是，优质碳素钢的材料标准中也有沸腾钢牌号，但对于应用优质碳素钢的场合而采用沸腾钢牌号甚为不合理，实际工程中也很少这样用，故上述的规定仅是对镇静钢提出的，如果确实用到了优质沸腾钢，其应用限制条件可参照普通碳素钢部分。
4、铬钼合金钢
常用的铬钼合金钢材料标准有GB9948、GB5310、GB6479、GB3077、GB1221等，它们的选用将在第五章中介绍，有关共性的使用限制条件有以下几个方面：
a、碳钼钢(C-0.5Mo)在468℃温度下长期工作时，其碳化物有转化为石墨的倾向，因此限制其最高长期工作温度不超过468℃；
b、在均匀腐蚀环境下工作时，应根据腐蚀速率、使用寿命等进行经济核算，同时给出足够的腐蚀余量；
c、临氢操作时，应考虑发生氢损伤的可能性，详见本章第二节；
d、在高温H2+H2S介质环境下工作时，应根据Nelson曲线和Couper曲线确定其使用条件；
e、应避免在有应力腐蚀开裂的环境中使用；
f、在400℃～550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止回火脆性问题。
g、铬钼合金钢一般应是电炉冶炼或经过炉外精炼的材料。
5、不锈耐热钢
压力管道中常用的不锈耐热钢材料标准主要有GB/T14976、GB4237、GB4238、GB1220、GB1221等。其共性的使用限制条件有以下几方面：
a、含铬12%以上的铁素体和马氏体不锈钢在400℃～550℃温度区间内长期工作时，应考虑防止475℃回火脆性破坏，这个脆性表现为室温下材料的脆化。因此，在应用上述不锈钢时，应将其弯曲应力、振动和冲击载荷降到敏感载荷以下，或者不在400℃以上温度使用；
b、含铬16%以上的高铬不锈钢和含铬18%以上的高铬镍不锈钢在540℃～900℃温度区间长期工作时，应考虑防止发生σ相析出，从而引起室温下材料的脆化和高温下材料蠕变强度的下降。这种现象可以通过将其加热至1000℃以上进行退火处理来消除。有资料指出，σ相析出一般发生在铁素体不锈钢中，对于奥氏体不锈钢，只要控制其铁素体含量（一般为3％～8％）即可避免。对于常用的奥氏体不锈钢，除铸件外，其铁素体含量一般不会超过上述值；
c、奥氏体不锈钢在加热冷却的过程中，经过540℃～900℃温度区间时，应考虑防止产生晶间腐蚀倾向。当有还原性较强的腐蚀介质存在时，应选用稳定型（含稳定化元素Ti和Nb）或超低碳型（C<0.03%）奥氏体不锈钢；
d、不锈钢在接触湿的氯化物时，有应力腐蚀开裂和点蚀的可能。应避免接触湿的氯化物，或者控制物料和环境中的氯离子浓度不超过25PPm；
e、奥氏体不锈钢与铅、锌或它们的化合物在其溶点温度以上接触时，有晶间腐蚀破坏的敏感性；
f、奥氏体不锈钢使用温度超过525℃时，其含碳量应大于0.04%；
g、对有剧烈环烷酸腐蚀的环境，应选用含钼的奥氏体不锈钢（如316、316L）或其复合材料（复合板或复合管）。
三、其它方面对材料的限制
1、碳当量
金属材料在焊接时，其焊缝及热影响区将被加热至Ac3以上的温度，由于焊缝及其热影响区的冷却速度较快，冷却后容易被淬硬。钢材含碳量越高，焊缝及其热影响区的硬化与脆化倾向越大，在焊接应力作用下容易产生裂纹。钢的各种化学成分对钢淬硬性的影响通常折算成碳的影响，称为碳当量，用Ce表示。关于碳当量的折算方法有很多不同的公式，而常用的有以下两种：
a、国际焊接学协会推荐的碳钢及低合金钢常用碳当量计算公式如下：
Mn Cr+Mo+V Ni+Cu
Ce % = C % + —— % + ———— % + % 6 5 15
经验表明：
当Ce＜0.4%时，钢材的淬硬倾向不明显，可焊性优良，焊接时不必预热；
当Ce =0.4%～0.6%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当预热、控制线能量等工艺措施；
当Ce＞0.6%时，钢材的淬硬倾向很强，属于难焊材料，需要采取较高的预热温度和严格的焊接工艺措施。
b、我国有关焊接标准推荐的碳钢及低合金钢碳当量计算公式如下：
Mn Si Ni Cr Cu Mo P
Ce % = C % + —— % + —— % —— % + ——% + —— % + —— % + —— %
6 24 15 5 5 40 2
当焊缝厚度小于13mm时，其Ce值应不大于0.45；
当焊缝厚度为13mm ~25mm时，其Ce值应不大于0.4；
2、常用材料在无腐蚀情况下的最高使用温度应符合表3-8的要求。
表3-8 常用材料的使用温度要求
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材 料
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使 用 温 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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低碳奥氏体不锈钢（0Cr18Ni9、0Cr17Ni12Mo2、0Cr18Ni10Ti等）
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-196℃～700℃
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超低碳奥氏体不锈钢（00Cr19Ni10）
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-196℃～400℃
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超低碳奥氏体不锈钢（00Cr17Ni14Mo2）
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-196℃～450℃
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0Cr25Ni20
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≤800℃
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铝及防锈铝合金
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-200℃～200℃
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3、复合管材和复合板材
鉴于目前国内生产碳素钢+不锈钢复合管材和复合板材的生产水平和产品质量不稳定的实际情况，工程上宜谨慎选用。如果如果必须使用，应要求复合处的纵向抗剪力应不低于200MPa。
4、渗铝管
渗铝钢是一种抗高温硫腐蚀比较好而且价格相对便宜的材料，但其焊接问题目前尚在研究中，故目前不推荐用于介质条件较苛刻的压力管道。
思考题：
1、管道材料选用的基本原则有哪些？
2、可锻铸铁的使用范围是什么？
3、Q235A.F钢板的使用范围是什么？
4、Q235B钢板的使用范围是什么？
5、优质碳素钢在使用时一般应注意哪些问题？
6、铬钼合金钢在使用时一般应注意哪些问题？
7、不锈耐热钢在使用时一般应注意哪些问题？
8、国际焊接学协会推荐的碳钢及低合金钢的碳当量计算公式是什么？
9、常见金属材料无腐蚀时的使用温度是多少？
