化工设计过程中管道材料的选用分析

宋先林（上海宝钢气体有限公司,上海 200124）

在化工产业的发展过程中，因为化工管道问题引发的化工安全事故已不少见，在这些事故的诱发因素中，化工管材的选用占据着重大的比重。因为化工管道运输的物质具有一些特殊的性质，尤其是腐蚀性。如果不对化工管道的材料进行科学的选择，很可能导致在材料运输的过程中出现管道破裂的危险。所以，探讨在化工设计过程中，管道材料的选用对保证化工材料和化工产品运输的安全性具有重要的意义。

1 在化工设计中管道材料的选用依据

第一，介质特性。介质特性指的是选用的材料要保证无毒，易燃性和易爆性要差，抗腐蚀性要好。这里的抗腐蚀性包括抗氧化、抗氢腐蚀、抗酸碱离子腐蚀、抗H2S腐蚀等。第二，介质工作参数。介质工作参数指的是设计温度和设计压力在符合相关规定的同时，也要符合实际情况。第三，材料的物理特性、化学特性、力学特性、机械特性和焊接特性都要符合相关的要求。第四，管道材料的设计要符合经济性，要有充足的货源，保证采购的顺利性。

2 化工设计中管道材料选用原则

第一，在化工设计的过程中，材料的选择要按照相关规定进行设计—制造—焊接—热处理—检验—适用；第二，在对极度危险介质、液化烃、高度危险介质进行输送的过程中，要使用优质钢对其进行制造，在对可燃介质进行输送的时候，不能使用沸腾钢进行管道的制作；第三，在对具有腐蚀性的介质进行输送的时候，要使用抗腐蚀性好的管道材料。在选择管道材料的时候，除了要考虑应力腐蚀和局部腐蚀以外，还要对均匀腐蚀进行考虑。第四，材料使用的温度不能超过相关规定的最大温度。第五，对于低温管道材料的选择，要在相关规定的指导下进行低温冲击试验，然后再进行合理的选择。第六，对于操作温度在200摄氏度以上的情况来说，输送的介质中含有氢气，在选择材料的时候要在管道的最高温度上加20摄氏度到40摄氏度，按照林氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限来选择合适的抗氢钢材。第七，管道壁的厚度要在考虑腐蚀性的情况下进行合理的选择。

3 耐热管材的选用

耐热管材是指具有一定的高温强度、耐氧化性比较好、耐气体腐蚀性比较好、抗高温脆化能力比较强、抗热冲击强度比较大的材料[1]。本文以耐氧化性比较好的管材为重点对耐热管材的选用进行分析。

在化工生产的过程中，高温钢管会在高温气体、特殊的液体或气体中暴露，在这种情况下，为了保证化工生产过程的安全性，高温钢管的耐氧化性就要非常好。目前，在化工生产过程的氧化作用下，通常使用的碳素钢钢管的表面会形成一层氧化膜，不能有效的起到保护钢管基体的作用。所以，为了增强钢管的抗氧化性，可以在钢管中适量的添加一些铝元素、硅元素、铬元素等金属元素。其中铬元素的氧化会快于铁元素的氧化，事先在金属的表面形成氧化膜，从而限制了氧化作用的深入发展。除此之外，在钢管中添加一定的铬元素和钼元素，可以形成一种铬—钼合金，这种铬—钼合金具有很强的耐氧化性，可以在很大程度上提高化工管道的抗氧化性，尤其是在石油化工生产的管道中非常适用。

4 低温管材的选用

一般情况下，低温指的就是温度在零下20℃到196℃之间的温度，对于化工管材来说，在零下20℃到40℃之间时，要避免适用碳素钢管材；在40℃—70℃时，要避免使用低合金钢管材；在70℃—196℃之间时，要避免使用合金钢管材[2]。

一般来说，低合金钢管材和碳素钢管材等铁素体钢，在零℃以下的条件下，其钢体的韧性就会急剧下降，脆性会迅速提升。所以为了保证管材具有良好的性能，不仅要保证在常温环境下，管材具有很好的强度、韧性和焊接性，同时还要保证在低温的环境下，化工管材依然具有很好的使用性能。

在化工设计的过程中，最常选用的低温管材就是20号钢，这种钢体性能转变的温度在-40℃左右，所以在使用的过程汇中，可以在-20℃以上的范围内进行转换，就能在很大程度上保证化工安全。如果在化工生产的过程中，转换的温度低于-20℃，在这种情况下，要根据相关的规范，进行同温冲击韧性实验，保证管材的脆性和韧性满足生产标准[3]。

如果化工生产的温度更低，在选用管材的时候可以选择一些含有镍元素和锰元素对钢体温度脆性具有很好改善作用的管材。如果选用的钢材中镍元素的含量是2.25%，那么这种钢材就可以在-60℃的温度下使用；如果选用的钢材中的镍元素含量是3.25%，那么这种钢材就可以在-100℃的条件下使用；如果选用的钢材中的镍元素含量是9%，那么这种钢材就可以在-196℃—-120℃的条件范围内使用。

5 高温管材的选用

化工生产经常在高温条件下进行，化工管材在高温作用下，管材的性能会复杂化。一般情况下，在化工生产中，高温管材的选用需要满足以下条件：第一，管材的屈服强度和温度成反比例变化，管材的塑性和温度成正比例变化；第二，管材的荷载强度和力学性能会随着时间的推移出现蠕变；第三，管材的抗拉强度和温度会呈现出反比例变化；第四，管材的腐蚀性会随着温度的升高而增强。

化工过程中的高温状态是以350℃为标准的，在高温状态下，管材会遭受一定的腐蚀，所以在选择高温管材的时候，不仅要考虑管材的耐高温性，还要考虑管材的耐腐蚀性。一般来说，碳素钢适用温度的极限在425℃左右，在这个温度范围内，碳素钢会出现石墨化，为了避免这种情况的发生，可以在其中添加一些合金元素来提高碳素钢的稳定性[4]。当超过这个温度范围的时候，为了保证化工管道使用的安全性，可以使用沸腾钢、铝元素镇静钢。

6 特殊介质管材的选用

6.1 非金属材料的选用

在化工生产中，如果管道运输的介质具有一定的腐蚀性，在这种情况下，不可以选用金属管材，可以使用一些非金属管材，比如pp管材等。但是在选用非金属管材的时候要注意以下两种情况：第一，材料适用的温度和压力可以满足化工要求；第二，防止非金属材料在压力、温度发生变化时出现脆化现象。

6.1.1 塑料衬里材料的选用

一般情况下，在化工生产的过程中，塑料衬里的使用温度要控制在120℃以下，可以作为化工管材的衬里材料有聚丙烯、聚四氟等。在选用这些材料的时候，除了要考虑温度因素以外，还要考虑应用环境，不可以在苯溶解介质中使用。

6.1.2 苛性钠碱液管材的选用

苛性钠碱液管材在使用的过程中，在拉应力和腐蚀介质的共同作用下，会对碳钢材料产生一定的破坏，造成碳钢材料的开裂。所以在对其进行选用和设计的时候，要控制好氢氧化钠的温度和浓度，保证化工生产的安全性。

6.1.3 硫酸管材的选用

硫酸具有很强的腐蚀性，所以如果化工管道的输送介质是硫酸时，就要对化工管材进行科学的选择。一般情况下，对于95%和98%之间的浓硫酸来说，管道的温度适宜控制在20度左右，实际操作中的压力最好控制在0.2帕左右，腐蚀裕量的取值为1.5，选用20号管材，20克材料的压力应该在1.6帕左右，温度应该控制在200度左右。在输送硫酸的过程中，碳钢的抗腐蚀性取决于硫酸亚铁保护膜，为了有效的保护这层保护膜不会受到破坏，要严格的控制管道中硫酸的流速。如果在运输同一种硫酸的过程中，管道内的温度发生了变化，可以选用不锈钢管材进行控制。如果操作温度在29度左右，操作压力在2帕以下，硫酸的腐蚀裕量到达3，对于管材可以选用316L号的不锈钢管材。

6.1.4 氧气管材的选用

当化工管道的输送介质为氧气的时候，一般情况下，化工管道的材料可以选择碳钢或者不锈钢。这两种类型的化工管道以设计温度和设计压力为依据，在很多情况下会设计为GC2类型的管道。因为氧气属于一种助燃气体，在输送的过程中和其他的气体混合，如果受到外力的冲击可能会发生爆炸。如果氧气在运输的过程中发生意外，会造成停产等严重的后果。所以，对于氧气管材，在选择的过程中要考虑两个方面的问题，一方面是氧气的压强问题；另一方面是氧气的流速问题。一般情况下，如果氧气的压强在0.33帕和0.55帕之间时，可以选择碳钢管。如果氧气的压强比较高，就要选择不锈钢管道，并且要保证管道的直径要超过管道外径的4倍，同时管道的长度要保证在2米以上，而且在制作管道的时候要禁止使用褶皱弯头，防止在管道使用的过程中发生安全事故。但是在实际的选材过程中，还是要根据管道的实际压力和流速来进行选择。一般情况下，在管道的管件选择方面要尽量的选择大半径弯头，并且弯头的半径要超过管道外径的6倍，在焊接的时候要使用无缝焊接的方式来进行。在对管道的阀门材料进行选择时，要以实际的压强情况为准，选择不锈钢材料。

6.1.5 盐酸管材的选择

盐酸具有一定的腐蚀性，所以对于输送盐酸的管材也要合理的选择。如果盐酸的浓度在15%和30%之间，在运输的时候要选择由聚丙烯材料制成的管道，因为这种管道的抗腐蚀能力非常好，能够在很大的压强和温度下保持很好的耐腐蚀性，除此之外，还可以在复杂的盐酸环境下保持很好的耐腐蚀性。同时，这种使用聚丙烯材料制成的管道的导入率不高，所以它的保温性能特别好。而且聚丙烯管材的熔口的强度比较高，所以在使用的过程中能够很好的避免管道断开的情况出现，能够很好的保证管材的使用质量。并且，由聚丙烯材料制成的管材密度比较小、质量比较轻，所以在使用的过程中非常便捷，使用的寿命比较长。除此之外，由聚丙烯材料制成的管道的成本比较低，可以大面积的使用。虽然聚丙烯材料在输送盐酸的过程中有种种优点，但是也存在一些缺点，比如容易在使用的过程中出现老化的现象，在使用的过程中，如果受到风力、降水或者降雪等天气情况的影响，管道的使用性能会在很大程度上下降。

7 结语

在化工设计的过程中，管道材料的选择是非常重要的。因为化工生产环境的多变性和复杂性，所以要根据实际的生产环境选择适用的管道材料。本文从耐热管道材料的选用、低温管道材料的选用、高温管道材料的选用和特殊介质的管道材料的选用四个方面对化工设计过程中管道材料的选用进行了探讨，以期对化工设计中管道材料选用的相关研究产生一定的参考价值。

[1]张建伟.化工工艺管道中的安装方式[J].中国石油和化工标准与质量,2012,（4）:31-32.

[2]何思然.化工设计过程中管道材料的选用分析[J].化工管理,2015,（6）:107+109.

[3]李一文.化工装置管道材料的设计和选用分析[J].化工管理,2014（3）:197.

[4]金侠杰.基于业主方的大型化工管道工程材料集成管理[J].上海大学学报（自然科学版）2013（6）:654-660.