第三章(过程设备设计).ppt

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2023/12/21,第二章压力容器应力分析,CHAPTERMaterialsforPressureVesselsandInfluencesofEnvironmentandTimeonPropertiesofTheseMaterials,教学重点：

压力容器材料的选择教学难点：

高合金钢,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,第一节压力容器材料,一、压力容器常用材料1、钢材形状,钢材的形状包括板、管、棒、锻件、铸件等。

压力容器用钢主要是板、管材和锻件。

钢板,壳体、封头、板状构件等,下料、卷板、焊接、热处理,较高的强度、良好的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能,主要用途,加工要求,性能要求,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,钢管,接管、换热管等,无缝钢管、卷制,下料、焊接、热处理,较高的强度、塑性和良好的焊接性能,主要用途,主要来源,加工要求,性能要求,锻件,高压容器的平盖、端部法兰与接管法兰等,、四个级别。

级别越高，要求检验项目越多，越严格，价格越高。

主要用途,分级,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2、钢材类型,碳素钢,低合金钢,高合金钢,（按化学成分分类）,钢铁牌号及标准：

GB/T221-2000,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,含碳量小于2.06的铁碳合金。

以及少量的硫、磷、硅、氧、氮等元素。

压力容器用钢,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,Q235系列钢板,Q245（20R、20g）,Q245的特点和应用场合,强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。

1）碳素钢（GBT700-2006碳素结构钢）,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2）低合金钢,是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。

特点,采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,Q345R（16MnR）、15CrMoR、16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR,16Mn、09MnD,16Mn、20MnMo、16MnD、09MnNiD、12Cr1MoV,钢板,钢管,锻件,D-低温用钢,压力容器常用低合金钢,R-压力容器专用钢板,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,应用介绍,Q345（16MnR）,屈服点为345MPa级的压力容器专用钢板,我国压力容器行业使用量最大的钢板,具有良好的综合力学性能、制造工艺性能,主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,16MnDR、15MnNiDR、09MnNiDR,低温压力容器用钢，工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板,16MnDR,可用于-40的钢种,液氨储罐等设备,（降低碳含量，并加镍和微量钒）,15MnNiDR,提高了低温韧性,-40级低温球形容器,09MnNiDR,-70级低温压力容器用钢,用于制造液丙烯（-47.7）、液硫化氢（-61）等设备,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,15CrMoR,低合金珠光体热强钢,中温抗氢钢板,用于制造壁温不超过560的压力容器,20MnMo、09MnNiD,20MnMo,常制造使用温度为-40470的重要大中型锻件,良好的热加工和焊接工艺性能,09MnNiD,良好的低温韧性,常制造使用温度为-4045的低温容器,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,3）高合金钢,压力容器中采用的低碳或超低碳高合金钢大多是耐腐蚀、耐高温钢,铬钢,铬镍钢,铬镍钼钢,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,铬钢,但不耐硫酸、盐酸、热磷酸等介质的腐蚀,0Cr13,是常用的铁素体不锈钢,有较高的强度、塑性、韧性和良好的切削加工性能,在室温的稀硝酸以及弱有机酸中有一定的耐腐蚀性,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,铬镍钢,06Cr19Ni10（0Cr18Ni9）、0Cr18Ni10Ti、00Cr19Ni10三种钢均属于奥氏体不锈钢,但长期在水及蒸汽中工作时，0Cr18Ni9有晶间腐蚀倾向，并且在氯化物溶液中易发生应力腐蚀开裂。

具有较高的抗晶间腐蚀能力，可在-196600温度范围内长期使用。

为超低碳不锈钢，具有更好的耐蚀性。

0Cr18Ni9,在固溶态，具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳,0Cr18Ni10Ti,00Cr19Ni10,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,铬镍钼钢,耐应力腐蚀、小孔腐蚀的性能良好，适用于制造介质中含氯离子的设备。

00Cr18Ni5Mo3Si2,奥氏体-铁素体双相不锈钢,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,4）复合钢板,基层：

与介质不接触，主要起承载作用，通常为碳素钢和低合金钢。

复层：

与介质直接接触，要求与介质有良好的相容性，通常为不锈钢、钛等耐腐蚀材料，其厚度一般为基层厚度的1/101/3。

用复合板制造耐腐蚀压力容器，可大量节省昂贵的耐腐蚀材料，从而降低压力容器的制造成本。

复合板的焊接比一般钢板复杂，焊接接头往往是耐腐蚀的薄弱环节，因此壁厚较薄、直径小的压力容器最好不用复合板。

特点,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,二、有色金属和非金属

（一）有色金属,使用状态,一般都在退火状态下使用选用时应注意选择同类有色金属中的合适牌号,压力容器常用有色金属,铜及其合金,铝及其合金,镍和镍合金,钛和钛合金,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,在没有氧存在的情况下，铜在许多非氧化性酸中都是比较耐腐蚀的。

但铜最有价值的性能是在低温下保持较高的塑性及冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料。

铜及其合金,特性,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,铝及其合金,铝很轻（密度约为钢的三分之一），耐浓硝酸、醋酸、碳酸、氢铵、尿素等，不耐碱；,在低温下具有良好的塑性和韧性；,使用温度范围为-269200；,有良好的成型和焊接性能。

应用,可用来制作压力较低的贮罐、塔、热交换器，防止污染产品的设备及深冷设备,特性,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,镍和镍合金,特性,应用,在强腐蚀介质中比不锈钢有更好的耐腐蚀性，比耐热钢有更好的抗高温强度，最高使用温度可达900。

由于价格高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,钛及钛合金,特性,应用,对中性、氧化性、弱还原性介质耐腐蚀，如湿氯气、氯化钠和次氯酸盐等氯化物溶液；,具有密度小（=4510kg/m3）、强度高（相当于20R）低温性能好、粘附力小等优点；,但单位质量价格高，比一般钢材高20倍左右；,使用温度仅限于350以内。

在介质腐蚀性强、寿命长的设备中应用，可获得较好的综合经济效果。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,

（二）非金属材料,用途,它既可以单独用作结构材料，也可用作金属材料保护衬里或涂层,还可以用作设备的密封材料、保温材料和耐火材料。

压力容器用非金属材料要求,良好的耐腐蚀性足够的强度好的热稳定性良好的加工制造性能,缺点,大多数材料耐热性不高，对温度波动比较敏感，与金属相比强度较低（除玻璃钢外）。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,压力容器常用非金属材料,涂料,工程塑料,不透性石墨,搪瓷,陶瓷,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,第二节压力容器制造工艺对钢材性能的影响,压力容器制造,冷、热加工,焊接,热处理（必要时）,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,一、塑性变形1、加工硬化,d卸载后，dg-消失的弹性变形od-不再消失的塑性变形卸载后，在短时间内再次加载，应力应变关系按照dd、def变化。

d前材料是弹性的，d后出现塑性变形。

相当于形成了新的材料曲线。

可见第2次加载时，比例极限提高，塑性变形和延伸率有所减低。

这种现象叫做加工硬化或应变硬化冷作硬化经退火，可消失。

图4-1加工硬化说明图,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2、冷加工和热加工,热加工或热变形,凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形,在再结晶温度以下进行的塑性变形,冷加工或冷变形,热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。

特点,特点,冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。

由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。

从金属学的观点来区分，冷、热加工的分界线是金属的再结晶温度。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,3、各向异性,非金属夹杂物,热加工,纤维组织,呈纤维状,金属再结晶,带状组织,金属材料力学性能产生方向性,平行纤维组织方向的强度塑性和韧性提高垂直方向的塑性和韧性降低变形越大，性能差异越明显,注意：

纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。

压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。

第二项合金,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,3、应变时效,冷加工应用举例,筒节冷卷,封头冷旋压,经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。

应变时效危害,降低应变时效的措施,一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。

减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,二、焊接,焊接：

两件或两件以上零件，在加热或加压的状态下，通过原子或分子的结合和扩散，形成永久性连接的工艺过程。

压力容器制造过程的重要环节和质量必须得到保证的环节,熔化焊（压力容器制造中应用最广）,焊接方法,压力焊,钎焊,熔焊机理,焊接接头加热至熔化,融化的母材,填充金属,熔池,冷却结晶后,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,1、焊接接头的组织和性能,焊接接头组成,焊缝,熔合区,热影响区,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2、焊接应力与变形,焊接,焊接件产生温度梯度,接头组织和性能的不均匀,焊接应力和应变,焊接应力和变形,分别是指焊接过程中焊件内产生的应力和变形。

焊接残余应力,焊后残留在焊件内的焊接应力,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,3、减少焊接应力和变形的措施,尽量减少焊接接头数量相邻焊缝间应保持足够的间距尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝焊缝不要布置在高应力区焊前预热等等当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除焊接残余应力。

设计,焊接工艺,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,4、焊接接头常见缺陷,图3-2常见焊接缺陷,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,5、焊接接头检查,破坏性检验,非破坏性检验,外观检验,密封性检验,无损检测,直观检验,量具检验,射线透照检测,超声检测,表面检测,渗透检测,测内部缺陷,测表面和近表面缺陷,设计中要给出相应的检测方法,（用水、气、油等）,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,三、热处理,改善综合性能热处理,压力容器制造中的热处理,焊后消除应力热处理,固溶处理,稳定化处理,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,第三节环境对压力容器用钢性能的影响,一、温度,钢材在,低温,中温,高温,下，性能不同,高温下，钢材性能往往与作用时间有关,介绍几种情况的影响,短期静载下温度对钢材力学性能的影响,高温、长期静载下钢材力学性能,高温下材料性能的劣化,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,1、短期静载下温度对钢材力学性能的影响,高温下,图3-3温度对低碳钢力学性能的影响,温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,低温下,随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性降低。

当温度低于20时，钢材可采用20时的许用应力。

韧脆性转变温度（或脆性转变温度）,当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态。

这一温度常被称为韧脆性转变温度或脆性转变温度。

概念,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,图3-4低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,低温变脆的金属,具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢,低温仍有很高韧性的金属,面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2、高温、长期静载下钢材性能,蠕变现象,在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。

碳素钢,420,400-500oC,低合金钢,一定的应力作用,发生蠕变,蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。

高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生,蠕变的危害,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,蠕变曲线,蠕变曲线三阶段,减速蠕变,恒速蠕变,加速蠕变,图3-5蠕变应变与时间的关系,一定压力和一定温度下,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,cd为蠕变的第三阶段,ab为蠕变的第一阶段,即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速阶段。

bc为蠕变的第二阶段,在此阶段，材料以接近恒定蠕变速率进行变形，故也称为蠕变的恒速阶段。

在这阶段里蠕变速度不断增加，直至断裂。

oa线段试样加载后的瞬时应变,a点以后的线段从a点开始随时间增长而产生的应变才属于蠕变。

蠕变曲线上任一点的斜率表示该点的蠕变速率。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,对于同一材料，给定温度改变应力或给定应力改变温度时，蠕变曲线形状不同。

当应力较小或温度很低时，第二阶段的持续时间长，甚至无第三阶段；相反，当应力较大或温度较高时，第二阶段持续时间短，甚至完全消失。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,蠕变极限与持久强度,蠕变极限高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力,蠕变极限表示法,在给定温度下，使试样产生规定的第二阶段蠕变速率的应力值,在给定温度和规定时间内，使试样产生一定量的蠕变总伸长率的应力值（常用）,持久强度在给定的温度下，经过一定时间后发生断裂时构件所能承受的最大应力。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,3、高温下材料性能的恶化,在高温下长期工作的钢材性能的劣化主要有：

蠕变脆化,珠光体球化,石墨化,高温回火脆化,氢腐蚀和氢脆,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,珠光体球化,危害：

使材料的屈服点、抗拉强度、冲击韧性、蠕变极限和持久极限下降例如：

16Mn钢的24526蒸汽管道在9.8MPa、510oC条件下，运行约八万小时后，珠光体严重球化，碳化物积聚在晶界上，使其力学性能明显下降。

补救：

已发生球化的钢材可采用热处理的方法使之恢复原来的组织。

如将上述管道加热至920oC，停留lh，然后打开炉门冷却，力学性能则有所提高。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,石墨化,危害：

使金属发生脆化，强度和塑性降低，冲击值降低得更多。

产生环境：

石墨化现象只出现在高温下。

对碳素钢和碳锰钢，当在温度425oC以上长期工作时都有可能发生石墨化。

温度升高，使石墨化加剧，但温度过高，非但不出现石墨化现象，反而使已生成的石墨与铁化合成渗碳体。

预防：

要阻止石墨化现象，可在钢中加入与碳结合能力强的合金元素，如铬、钛、钒等，但硅、铝、镍等却起促进石墨化的作用。

钢在高温长期作用下，珠光体内渗碳体自行分解出石墨的现象，称为石墨化。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,回火脆化,2.25Cr-1Mo等铬钼钢，这些高温压力容器的常用材料，长期在300-600oC下使用，或者从此温度范围缓慢冷却，脆性转变温度会升高，冲击韧性降低，这种现象称为回火脆化。

研究表明：

影响2.25Cr-1Mo钢回火脆化的主要因素为化学成分和热处理条件。

P、Sb、Sn、As等微量杂质元素的含量越多，奥氏体化温度越高，2.25Cr-1Mo钢对回火脆化越敏感。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,氢腐蚀和氢脆,氢能引起材料多种类型的性质劣化，但加氢反应器等压力容器中常见的是氢腐蚀和氢脆。

a、氢腐蚀,高温、高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。

氢腐蚀有两种形式,和钢表面的碳化合生成甲烷，引起钢表面脱碳，使力学性能恶化；,渗透到钢内部，与渗碳体反应生成甲烷。

裂纹,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,一般情况下，碳素钢在200以上的高压氢环境中才会发生氢腐蚀。

钢中加入铬、钒、钛、钨等能形成稳定碳化物的元素含量，可提高钢抗氢腐蚀的能力。

奥氏体不锈钢可以很好地抵抗氢腐蚀。

目前，一般按照Neson曲线选用抗氢用钢。

根据该曲线，碳素钢在氢分压小于3.45MPa时，允许的使用温度约为250;1.25Cr-0.5Mo钢在氢分压小于6.9MPa时的允许使用温度大约为520。

影响氢腐蚀的主要因素,温度,氢分压,时间,合金成分,应力,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,在高温、高氢分压环境下工作的压力容器，在停车时，应先降压，保温消氢（200以上）后，再降至常温。

切不可先降温后降压。

b、氢脆,指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。

氢的来源,内部氢钢在冶炼、焊接、酸洗等过程中吸收的氢外部氢指钢在氢环境中使用时所吸收的氢,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,三、介质

（一）腐蚀概述,按腐蚀的机理来分,金属腐蚀分类：

电化学腐蚀,化学腐蚀,按金属腐蚀的形势来分,全面腐蚀,局部腐蚀,晶间腐蚀,小孔腐蚀,缝隙腐蚀,应力腐蚀,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,

（二）应力腐蚀,1、应力腐蚀的特征,三个阶段,孕育阶段,是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；,裂纹稳定扩展阶段,在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；,裂纹失稳阶段,最终发生的突然断裂。

断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。

值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现第三阶段，即发生未爆先漏（LeakBeforeBreak）。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,应力腐蚀开裂的特征,拉伸应力,特定合金和介质的组合,一般为延迟脆性断裂,应力腐蚀的预防措施,合理选择材料,减少或消除残余拉应力,改善介质条件,涂层保护,合理设计,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,（三）加载速率,加载速率的表示应力速率（Pa/s）或应变速率（1/s）,通常，应变速率在10410-1s-1范围内，金属材料的力学性能没有明显变化。

当应变速率在10-1s-1以上时，它对钢材力学性能有显著的影响。

加载速率对钢的韧性影响还与钢的强度水平有关。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,第四节压力容器材料选择,一、压力容器用钢的基本要求,压力容器用钢的基本要求,较高的强度,良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性,改善钢材性能的途径,化学成分的设计,组织结构的改变,零件表面改性,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,1、化学成分,钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。

碳,压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%,碳含量,强度增加,可焊性变差,焊接时易在热影响区出现裂纹,在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。

钒、钛、铌等,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,S、P是钢中最主要的有害元素,硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。

磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。

将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度,可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化性能、抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。

因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。

例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和0.030%。

随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,2、力学性能,材料的力学行为,由于载荷（如载荷种类、作用方式等）和应力状态的不同，以及钢材在受力状态下它所处的工作环境的不同，钢材受力后所表现出的不同行为，称为材料的力学行为。

钢材的力学行为，不仅与钢材的化学成分、组织结构有关，而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。

力学性能决定力学行为,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,钢材的力学性能主要是表征强度、韧性和塑性变形能力的判据，是机械设计时选材和强度计算的主要依据。

常用的强度判据,抗拉强度b,屈服点s,持久极限,蠕变极限,疲劳极限-1,常用的韧性判据,冲击吸收功Akv,韧脆转变温度,断裂韧性,常用的塑性判据,延伸率5,断面收缩率,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,3、制造工艺性能,制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其延伸率5应在1520%以上。

为检验钢板承受弯曲变形能力，一般应根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为1800的弯曲实验。

试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。

冷加工的要求,2023/12/21,第二章压力容器应力分析,焊接的要求,可焊性：

指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。

其中影响最大的是含碳量。

含碳量愈低，愈不易产生裂纹，可焊性愈好。

一般认为，Ceq小于0.4%时，可焊性优良；Ceq大于0.6%时，可焊性差。

2023/12/21,第二章压力容器应力分析,压力容器零件材料选择综合考虑,压力容器的使用条件,零件的功能和制造工艺,材料性能,材料使用经验,材料价格,规范标准,