第3章　金属管件材料及分类

管件在管系中起着改变走向、改变标高或改变直径、封闭管端以及由主管上引出支管的作用。在石油化工装置中管道品种多，管系复杂、形状各异、简繁不等，所用的管件品种、材料、数量也很多，选用时需要根据具体使用情况考虑。

3.1　金属管件的分类

管件的种类很多，这里介绍按用途、连接方式、加工、材料的分类方式。

3.1.1　按用途分类

①用于管子互相连接的管件有：法兰、活接、管箍、卡套、喉箍等。

②改变管子方向的管件：弯头、弯管。

③改变管子管径的管件：变径（异径管）、异径弯头、支管台、补强管。

④增加管路分支的管件：三通、四通。

⑤用于管路密封的管件：垫片、管堵、盲板、封头、焊接堵头。

⑥用于管路固定的管件：卡环、拖钩、吊环、支架、托架、管卡等。

3.1.2　按连接方式分类

螺纹管件、卡套管件、卡箍管件、承插管件、粘接管件、热熔管件、胶圈连接式管件。

3.1.3　按加工方式分类

推制管件、压制管件、锻制管件、铸造管件等。

3.1.4　按材料分类

铸钢管件、铸铁管件、不锈钢管件、塑料管件、PVC管件、橡胶管件、石墨管件、锻钢管件、PPR管件、合金管件、PE管件、ABS管件。

由于本书主要从材料焊接性能方面介绍，所以在此按照材料把管件分类为：碳钢管件、合金钢管件、不锈钢管件、有色金属管件、特殊用途管件。

3.2　碳钢管件

3.2.1　概述

碳钢管件是目前使用最广泛的一种管件产品。对含碳量（质量分数）介于0.02％～2.04％之间的铁合金统称为钢，经常使用的钢为碳素钢，其主要材质以10、20、Q235-A、20g、20G、16Mn、ASTM A234、ASTM A105、ASTM A403为主。主要的产品包括碳钢弯头、碳钢法兰、碳钢三通、碳钢四通、碳钢异径管（大小头）、碳钢封头等。

3.2.2　铸钢

碳钢管件多为铸钢件，而铸钢（caststeel）是在凝固过程中不经历共晶转变的用于生产铸件的铁基合金的总称。铸钢是以铁、碳为主要元素的合金，含碳量为0～2％。

3.2.3　铸造碳钢

以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢为铸造碳钢。含碳量小于0.25％的是铸造低碳钢，含碳量为0.2％～0.6％的是铸造中碳钢，含碳量大于0.6％的是铸造高碳钢。随着含碳量的增加，铸造碳钢的强度增大，硬度提高。铸造碳钢具有较高的强度、塑性和韧性，成本较低。

3.2.4　钢铸件的优点

（1）更大的设计灵活性　这种设计对铸件形状和大小有最大的选择自由度，尤其是复杂的形状和空心部分，而且钢铸件可以由核心铸件的独特工艺制造，易成形和易改变形状并可以快速根据图纸制作出成品，可以提供快速响应并缩短交货时间。

（2）冶金制造最强的灵活性和可变性　可以选择不同的化学成分和组织结构来满足不同项目的需求。通过不同的热处理工艺可获得所需的力学性能和工艺性能。

（3）提高整体结构强度　由于项目可靠性高，再加上减重设计和较短的交货时间，可在价格和经济方面提高竞争优势。

（4）大范围的重量变化　小型钢铸件有可能仅有10g，而大型钢铸件可达数吨、几十吨甚至数百吨。

与锻钢部件相比：钢铸件的力学性能在各个方向相差不大，比锻钢零件占优。设计师在进行一些高科技产品的设计时必须在三个方向上考虑材料的性能，这样就突出了铸件的优势。不考虑重量、体积和一次所制量，钢铸件很容易做出复杂的形状和非应力集中部件。

与焊接结构相比，在形状和大小方面，焊接结构的灵活性比锻钢零件强，但与钢铸件相比，有以下缺点。

①在焊接过程中容易变形。

②很难形成流线型结构。

③焊接过程中内部应力高。

④焊缝影响部件的外观和可靠性。

与铁铸件和其他合金铸件相比：铸钢件可用于各种各样的工作条件，且力学性能优于其他合金铸件。钢铸件的吸振性、耐磨性和机动性不如铁铸件，而且，成本也比铁铸件高。

3.2.5　执行标准

主要的执行标准包括国家标准、美国标准（ANIS）、日本标准（JIS）等，其中国家标准又包括化工部标准、中石化管件标准、电力管件标准。

SH3406《石油化工钢制管法兰》

SH3408《钢制对焊无缝管件》

SH3409《锻钢制承插焊管件》

SH3410《钢板制对焊管件》

GD87-1101《火电发电厂汽水管道零件及部件典型设计手册》

DL/T 515《电站弯管》

国家标准

GB 12459《钢制对焊无缝管件》

GB/T 13401《钢板制对焊管件》

GB/T 14383《锻钢制承插焊管件》

GB/T 14626《锻钢制螺纹管件》

GB 9112～9131《钢制管法兰、法兰盖及法兰用垫片》

美国标准

ASME/ANSIB16.9《工厂制造的锻钢对焊管件》

ASME/ANSIB16.11《承插焊和螺纹锻造管件》

ASME/ANSIB16.28《钢制对焊小半径弯头和回头弯》

ASMEB16.5《管法兰和法兰配件》

MSSSP-43《锻制不锈钢对焊管件》

MSSSP-83《承插焊和螺纹活接头》

MSSSP-97《承插焊、螺纹和对焊端的整体加强式管座》

3.3　合金钢管件

3.3.1　合金钢弯头

公称通径：DN15～DN1200。

厚度：SCH5S-××S。

执行标准：国家标准、ANIS、JIS、英国标准（BS）、德国标准（DIN）、意大利标准（UNI）等。

材质：16Mn-45Mn、L360、L415、L450、27SiMn、Cr5Mo、12CrMo（T12）、12Cr1MoV、12Cr1MoVG、10CrMo910、15CrMo、35CrMo、40CrMo、A335P91、A335P22、WB36、A335P11等。

合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。

用途：用于天然气、石油、化工、风电、医疗器械等。

3.3.2　合金钢法兰

公称通径：DN18～DN1500。

厚度：3～60mm。

标准：国家标准、ANIS、JIS、BS、DIN、UNI等。

材质：16Mn-45Mn、L360、L415、L450、Cr5Mo、12CrMo（T12）、12Cr1MoV、12Cr1MoVG、10CrMo910、15CrMo、35CrMo、40CrMo、A335P91、A335P22、WB36、A335P11等。

法兰的公称压力：150～2500lb。

表面处理：RF/FF/RTJ。

用途：用于天然气、石油、化工、风电、医疗器械等设备和工厂。

3.3.3　合金钢三通

公称通径：DN12～DN1800。

厚度：3～60mm。

标准：国家标准、ANIS、JIS、DIN等。

材质：16Mn-45Mn、L360、L415、L450、27SiMn、Cr5Mo、12CrMo（T12）、12Cr1MoV、12Cr1MoVG、10CrMo910、15CrMo、35CrMo、40CrMo、A335P91、A335P22、WB36、A335P11等。

三通为管件、管道连接件，又叫管件三通或者三通管件、三通接头，用在主管道要分支管处。三通有等径和异径之分，等径三通的接管端部均为相同的尺寸；异径三通的主管接管尺寸相同，而支管的接管尺寸小于主管的接管尺寸。三通是用于管道分支处的一种管件。对于采用无缝管制造三通来讲，目前通常所采用的工艺有液压胀形和热压成形两种。

用途：用于天然气、石油、化工、风电、医疗器械等设备和工厂。

3.3.4　合金钢异径管

公称通径：DN12～DN1800。

厚度：3～60mm。

标准：国家标准、ANIS、JIS、DIN等。

材质：16Mn-45Mn、L360、L415、L450、27SiMn、Cr5Mo、12CrMo（T12）、12Cr1MoV、12Cr1MoVG、10CrMo910、15CrMo、35CrMo、40CrMo、A335P91、A335P22、WB36、A335P11等。

异径管（大小头）是用于管道变径处的一种管件。通常采用的成形工艺为缩径压制、扩径压制或缩径加扩径压制，对某些规格的异径管也可采用冲压成形。

用途：用于天然气、石油、化工、风电、医疗器械等设备和工厂。

3.3.5　合金钢封头

公称通径：DN15～DN1200。

厚度：3～60mm。

材质：16Mn-45Mn、L360、L415、L450、27SiMn、Cr5Mo、12CrMo（T12）、12Cr1MoV、12Cr1MoVG、10CrMo910、15CrMo、35CrMo、40CrMo、A335P91、A335P22、WB36、A335P11等。

标准：GB/T 12459，GB/T 13401，ASME B 16.9，SH 3408，SH 3409，HG/T 21635，DL/T 695，SY/T 0510，DIN 2617。

用途：水、饮料、啤酒、食品、石油化工、核电、机械、医疗设备、化肥、造船、防水处理、管道等。

3.4　不锈钢管件

3.4.1　不锈钢管件定义

不锈钢管件又可称为不锈钢管接头，它是管道中常用的连接部件，起着连接管道、改变管道方向、接出管道等作用。管接头在采用螺纹连接的时候，螺纹管接头的规格尺寸是用钢管的外径标称，因为管接头的连接是以外径为基准的，在各种压力下钢管的外径和管接头的外形尺寸相同，而壁厚和内径是不同的，在低压情况下，管接头的壁厚比较薄，内径比较大；而在高压情况下，管接头壁厚比较厚，内径比较小，在相同的流量情况下，流动速度在高压比在低压时稍高一些。虽然高压时管子的内部压力损失稍有增加，但是压力损失的相对值并没有增加，绝大多数情况是减少的，因此，以外径为基准并称为管接头。

不锈钢管件，包括弯头、三通、四通、变径接头（锥形接头）、法兰、带法兰接头和管卡箍等。

这些管件除法兰外，都可采用不锈钢板，经落料（下料）压制成形后焊接而成。以这种方式加工的管件称为压制成形焊接管件。用这种方式可加工生产弯头、三通、四通、变径接头（锥形接头）等管件。其最大优点是壁厚均匀，焊缝长度短，使用寿命与钢管一致。

它是原子能发电的再循环系统管道及主蒸汽管道等处为减少焊点、提高可靠性、节省检查作业时间而开发的产品。它是由无缝管或焊接管经高频加热弯曲加工而成。如果用荒管，在加热或常温条件下，采用煨制方式加工弯头，弯头背面壁厚会减薄而影响使用效果。为了防止弯头的背侧壁减薄，可采用特殊形状的壁厚不等的荒管进行弯曲加工。很明显，其他一体化管件是由焊接管件和钢管焊接而成的。

随着不锈钢管的发展，在饮用净水、生活饮用水、冷水、热水、海水、燃气、医用气体等领域都在采用不锈钢管路。随之而来不锈钢卡压式管件也得到广泛应用。为此，管件的设计制造和验收也有了相应的标准，如GB/T 19288.1—2003《不锈钢卡压式管件》、GB/T 19228.2—2003《不锈钢卡压式管件连接用薄壁不锈钢管》和CJ/T152—2001《不锈钢卡压式管件》等。

3.4.2　不锈钢管件标准化学成分

碳对钢的金相组织和力学性能起主要作用。硫、磷是有害杂质，应严格限制。硅和锰是钢的脱氧元素，对提高力学性能都有一定好处。

（1）碳　钢的性能主要取决于含碳量。钢中含碳量增加，钢的强度和硬度值随之增加而塑性和韧性则随之降低。

（2）硅　铸造不锈钢中，硅的质量分数为0.2％～0.45％，这个含量范围对力学性能的影响不大。要求硅有一定的含量是为了保证钢的脱氧，因此，硅在钢中是有益元素。

（3）硫　硫在钢中是有害元素，它在钢中主要以FeS形式存在。与铁形成共晶体，其熔点为989℃，比钢的熔点低得多。在钢的凝固过程中，硫化物常在钢的晶界析出，因其强度低、脆性大，大大降低了钢的力学性能且在高温下容易产生热脆现象。若钢液脱氧不好，含FeC多，则硫化物与铁及FeO形成三元共晶体，其熔点更低（约940℃），危害性也更大。硫对钢的焊接性能也有不利影响。因此，应在炼钢时尽量除去硫。

（4）锰　锰在铸造不锈钢管件中，要求锰的质量分数为0.5％～0.8％，其作用是脱氧、脱硫。

（5）磷　磷也是钢中有害杂质，希望越小越好，要求其质量分数小于0.06％。

在铸造碳钢中，除以上五大元素外，还含有少量其他元素（如Cr、Ni），因为它们将使碳钢的焊接性变坏，产生收缩、裂纹的倾向增大。因此，不锈钢管件规定w（Cr）<0.25％，w（Ni）<0.25％。

3.4.3　不锈钢管件的分类

不锈钢管件属于管件的一种，它是由不锈钢的材质制成所以叫不锈钢管件，它包含不锈钢弯头、不锈钢三通、不锈钢四通、不锈钢异径管、不锈钢封头等。主要不锈钢材质有304、304L、316L、316L等。根据连接方法主要可分为三大类。

（1）承插焊接不锈钢管件　承插焊接不锈钢管件（stainless steel pipe fittings）是将不锈钢管插入管件承口部分，然后沿管件边缘一圈做氩弧焊的管件，是所有连接方式中最可靠的连接方式。按管件边缘焊接部分不同可再分为坡边延边、阶边延边和无延边三种。承插焊接不锈钢管件规格一般为DN15～DN100。其外形见图1-3-1。

（2）对接焊接不锈钢管件　对接焊接不锈钢管件是将不锈钢管和管件对口沿对缝做一圈氩弧焊接的管件，一般需加工焊接坡口。对接焊接管件一般用于规格较大的不锈钢管道系统焊接。对接焊接不锈钢管件见图1-3-2。

（3）卡压式不锈钢管件　卡压式管件具有连接可靠安全、施工便利快捷、适合嵌入式安装、免维护更新、经济性相对优越等特点。

卡压式管件的工作原理是将薄壁不锈钢管插入卡压式管件的承口，利用专用卡压工具将不锈钢管卡死在管件内，其卡压处截面形状为六角形，不锈钢管与管件之间由O形密封圈密封，使其具有止渗漏、抗拉拔、抗振动和耐高压等特性。因而它是直饮水系统、自来水系统、供暖系统、蒸汽系统、工业油管系统和工业气管系统中的一种较为先进的连接件。适用于水、油、气等管路连接。卡压式不锈钢管件见图1-3-3。

制造标准：GB/T 19228.1—2003。

公称压力：≤1.6MPa。

适用温度：-20～110℃。

适用介质：油、水、气等非腐蚀性或有腐蚀性介质。

制造材料：不锈钢304、316L。

配管：ф15.88～108mm的不锈钢焊接钢管。

3.4.4　不锈钢管的用途

主要用途如下。

①不锈钢弯头用于管件转弯的地方。

②不锈钢法兰用于使管子与管子相互连接，连接于管端。

③不锈钢三通管用于三根管子汇集的地方。

④不锈钢四通管用于四根管子汇集的地方。

⑤不锈钢异径管用于不同管径的两根管子相连接的地方。

3.4.5　不锈钢管件焊接时的注意事项

①一定要采用垂直外特性的电源，直流时采用正极性（焊丝接负极）。

②一般适合6mm以下薄管的焊接，具有焊缝成形美观、焊接变形量小的特点。

③保护气体为氩气，纯度为99.99％。当焊接电流为10～50A时，氩气流量为8～15L/min；当电流为50～250A时，氩气流量为12～15L/min。

④钨极从气体喷嘴伸出的长度，以4～5mm为佳，在角焊等遮蔽性差的地方是2～3mm，在开槽深的地方是5～6mm，喷嘴至工作的距离一般不超过5mm。

⑤为防止焊接气孔的出现，焊接部位如有铁锈、油污等务必清理干净。

⑥焊接电弧长度，焊接普通钢时，以2～4mm为佳，而焊接不锈钢时，以3mm为佳，过长则保护效果不好。

⑦对接打底时，为防止底层焊道背面被氧化，背面也需要实施气体保护。

⑧为使氩气很好地保护焊接熔池和便于施焊操作，钨极中心线与焊件一般应保持80°～85°角，填充焊丝与工件表面夹角应尽可能小，一般为0°左右。

⑨防风与换气。有风的地方，应设置挡网等，而在室内则应设置适当的换气措施。

3.5　有色金属管件

有色金属管的管件多采用管子或钢板就地弯曲焊接而成。对于DN125以下的钢管，在工作压力小于0.6MPa（表压）而又不需要拆卸时，大都不用独立的管件，而用短管弯曲后直接焊接于管路上；若压力较高或需要经常拆卸清理时，则应制成独立的管件，再用法兰连接于管路上。有色金属管件主要有铜管件、铝管件、钛管件、镍管件、热镀锌管件等。

3.5.1　铜管件

铜管件是指用铜金属材料制作接头、法兰、三通等管件。黄铜管件随着含锌量的增加，其色泽由金红向黄、金黄、白色逐渐变化。含锌量一般不超过50％，具有高的塑性和强度，成形性好，应用广泛，可制作各种复杂的冷冲件和深冲件，波导管和冷凝器用管件，机械和电器用零件。

（1）分类

①按功能分。分为套管接头、异径接头、90°弯头、45°弯头、三通接头、异径三通接头、四通接头、异径四通接头、活接头、法兰、管卡。

②按连接方式分。分为承插焊接、螺纹连接、法兰连接。

③按材质分。分为紫铜、黄铜、青铜。

④按用途分。水管管件、空调管管件、制冷管管件、水暖用管组件。

（2）检验标准　管件口径的正负公差，壁厚标准，承口长度，内外壁光洁度，压力及温度。

（3）材料构成　管配件应用牌号为UNS C10200、C12000或C12200的铜制成，或用牌号为UNS C23000的铜合金制成，其许用应力可从ASME相应标准中查取。允许采用其他铜和铜合金，只要符合化学成分：w（Cu）≥84％，w（Zn）≤16％，并且用铜合金生产的管配件符合全部力学和管配件最终用途的耐蚀性能要求。铜合金不应含有禁止结合到管子或到其他管配件的成分。

3.5.2　铝管件

铝管件的相对优势如下。

（1）重量轻　铝管件比其他材质管件重量要轻，可以节省搬运费和加工费用。

（2）强度好　铝管件的力学性能不如钢铁，但强度更高，可以添加铜、镁、锰等合金元素，制成铝合金再进行热处理，从而得到很高的强度。

（3）美观，适于各种表面处理　铝管件及其合金管件表面有氧化膜，呈银白色，相对美观。若经过氧化处理，表面的氧化膜更牢固，而且还可以用染色涂刷等，制造出各种颜色和光泽的表面。

（4）耐蚀性好　铝及铝合金管件，表面能生成硬而且致密的氧化膜，很多物质对它不产生腐蚀作用。

（5）耐化学药品　铝管件与硝酸、冰醋酸、过氧化氢等化学药品不反应，有非常好的耐药性。

（6）没有磁性　铝管件是非磁性体。

（7）无毒性　铝本身没有毒性，所以铝管件更适用于医疗机械及食品加工等行业。

（8）耐低温　铝管件在温度低时，强度反而增加而无脆性，因此它是理想的低温装置材料。

3.5.3　钛管件

（1）钛管件的分类　钛管件、钛焊接管件、钛拼接三通、钛拼接弯头、钛焊环、钛异径接头、钛三通、钛弯头、钛翻边对焊环。

（2）钛管件的工作原理　钛管件是连接各类钛设备的管道，用于各种设备间物料流通。钛管件具有钛材本身的耐蚀性，从而取代一般管道用于普通管道无法满足需求的地方。一般ф108mm以上均为钛焊接管道。

（3）钛管件的特点

①在许多的介质中具有优良的耐蚀性。

②密度小，强度高，设备重量小。

③表面光洁，无污垢，污垢系数大大降低。

（4）钛管件的用途　广泛用于化工、石油、冶金、轻工机械、仪表、发电、海水淡化、医疗器械、氯碱制盐、电镀、环保、铜业等行业。

（5）材质　TA1/TA2/TA9/TA10/TC4。

（6）钛管件最大的优点是可以100％回收，环保、节能、节约资源，而且钛合金管件密度小，大大降低了产品的实际重量，也方便了很多行业使用。

3.5.4　镍管件

（1）特性　有优异的耐热浓碱溶液腐蚀性能；对碳酸盐、硝酸盐、氧化物和醋酸盐等盐类的碱性、中性溶液介质也有优良的耐蚀性；耐脂肪酸的腐蚀。

（2）用途　应用于制碱行业、氯碱化工及有机氯化物的生产，食品加工行业、高温卤素及盐腐蚀环境、电子仪表零件、水处理、各种耐强碱的设备。

3.5.5　热镀锌管件

热镀锌管件指的是对管件进行了镀锌处理。

（1）分类　热镀锌管件包括镀锌弯头、镀锌法兰、镀锌弯管、镀锌异径管、镀锌封头。

（2）特点　镀锌层厚，具有镀层均匀、附着力强、使用寿命长等优点。管件基体与熔融的镀液发生复杂的物理、化学反应，形成耐蚀的结构紧密的锌-铁合金层。合金层与纯锌层、管件基体融为一体，故其耐蚀能力强。电镀锌成本低，表面不是很光滑，其耐蚀性与热镀锌管件相比差很多。镀锌的主要目的是增强管件本身的耐蚀能力。

（3）用途　热镀锌管件主要用于输送煤气、暖气等管道工程，如果钢管管体需要进行镀锌防腐处理，其连接管件也要进行镀锌处理。

（4）生产流程　热镀锌管件的主要生产流程：脱脂→漂洗→酸洗→清洗→浸渍助镀剂→热空气烘干→热浸镀锌→内外吹→冷却→钝化和漂洗。

3.5.6　部分标准

现行国家标准

GB/T 11618.1—2008《铜管接头　第1部分：钎焊式管件》

GB/T 11618.2—2008《铜管接头　第2部分：卡压式管件》

GB/T 27684—2011《钛及钛合金无缝和焊接管件》

美国管件标准

ASMEB16.5《管法兰和法兰配件》

工业设计标准

GB 50028—1993（2002年版）《城镇燃气设计规范》（98修订）

GB 50251—2003《输气管道工程设计规范》

GB 50253—2003《输油管道工程设计规范》

GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》

HG20695—1987《化工管道设计规范》

HG/T 20645—1998《化工装置管道机械设计规定》

HG/T 20646—1999《化工装置管道材料设计规定》

3.6　特殊用途管件

此种钢多为适应特殊需要而炼制的合金铸钢，品种繁多，通常含有一种或多种的高量合金元素，以获得某种特殊性能。例如，含锰11％～14％的高锰钢能耐冲击磨损，多用于矿山机械、工程机械的耐磨零件；以铬或铬镍为主要合金元素的各种不锈钢，用于在有腐蚀或650℃以上高温条件下工作的零件，如化工用阀体、泵、容器或大容量电站的汽轮机壳体等。