化工设计中管道材料材质的选用

钟冬竹

(中国轻工业广州工程有限公司，广州 511400)

化工设计是一项十分精细化的工作，是以化工工艺专业为核心，辅以电气、土建、环保等专业来共同完成。实施石化、化工工程项目时，管道安装与材料选择主要以管道设计为基础，而管道材料选择是影响设计成果质量的核心因素，通过科学的材料选择，可以保障化工装置符合安全需求，最大程度上提升化工设计质量，尽可能减少业主的采购成本，这意味着深化管材选择研究有着十分深远的意义。

1 化工设计选择管道材料材质的要求

1.1 安全要求

化工设计中，管材材料材质的选择应保证化工生产的安全性，确保后续生产有序展开，尽可能避免由于管道因素而引发的安全事故，避免化工生产出现威胁生命财产、生产停滞等问题[1]。立足于设计层面进一步优化安全防护，慎重选择管道材质，管材选择不科学，则可能导致管道受到运输介质腐蚀，引发管道损坏等问题，甚至产生安全事故。一旦管道类型不合理，对应管径不匹配，则可能引发介质泄漏风险，导致安全事故的出现。如果管道材料性质难以达到基本需求，应用一段时间后可能出现破损，导致毒性材料介质外流，甚至出现污染环境情况[2]。

1.2 经济要求

选择管道材料时，要充分注意经济性，强化经济效益[3]，尽可能避免因材料费用超出预算费用而引发生产成本提升情况。选择材料要从差异化角度，深入分析材料的实际造价，保障生产质量，降低材料成本，实现经济效益最大化。想要优化管道材料材质，要考虑不同材料管材的参数、性能等，利用取额设计法，以预算、成本目标为前提，选取材料材质，保障经济性，注意材料的生命周期，尽可能选取一些经济效益高、生命周期长的材料[4]。

2 管道材料材质的选用

2.1 耐热管材的选择

耐热管材是具备优异耐氧化性且高温强度、耐气体腐蚀性、抗热冲击强度较高的材料。化工生产过程中，很可能出现特殊液体、气体中高温钢管暴露的问题，为了最大程度提升化工生产安全性，要保障高温钢管具有很好的耐氧化性[5]。化工生产可能会受到氧化作用的影响，如果利用碳素钢钢管，表面会出现一层氧化膜，很难真正发挥保护钢管基体的作用。为了提升钢管的抗氧化性，可在钢管内增加铬、铝等元素，因为铬元素比铁元素氧化快，能够在金属表面生成氧化膜[6]。通过在钢管内增添一部分钼元素、铬元素，最终合成铬-钼合金，这样的铬-钼合金的耐氧化性较强，能够在一定程度上提升化工管道抗氧化性，适用于石油化工生产管道。

2.2 低温管材的选择

对于化工管材而言，如果在-20℃～—40℃，要尽可能避免运用碳素钢管材；如果是40℃～70℃，应尽可能避免运用低合金钢管材；如果是70℃～196℃，尽可能避免运用合金钢管材。

对于碳素钢管材、低合金钢管材等铁素体钢，如果温度始终处于0℃以下，会导致其钢体自身的柔韧度大幅下降，与之相应的脆性则会大幅度上升[7]。为了保障管材具有优异的性能，要保障常温环境下管材的韧性、强度符合标准，而低温环境下，化工管材的性能更好。较为常见的低温管材为20号钢，该类型钢体性能的实际转变温度大致在-40℃左右[8]。实践运用过程中，以-20℃为前提，在该范围内展开转换，最大程度提升化工安全性。如果实际转换温度在-20℃以下，应按照相关规范，开展系统性的同温冲击韧性试验，以确保管材韧性、脆性与实践生产标准相符。如果化工生产温度相对较低，应选取一些能够优化钢体温度脆性的管材，如锰元素、镍元素[9]。如果钢材中的镍元素含量达到2.25%，则可以在-60℃的温度条件下应用；如果钢材中的镍元素含量达到3.25%，则可以在-100℃的条件下运用。

2.3 高温钢材的选择

化工生产大多会在高温条件下开展，由于受到高温的影响，管材性能可能十分复杂。选择高温钢材需注意以下几方面：一是管材自身温度与屈服强度呈反比变化，管材温度、塑性则呈正比变化[10]。二是随着时间的推移，管材在力学性能、荷载强度方面很可能发生蠕变情况。管材温度、抗拉强度等可能呈现反比变化的情况。三是管材的腐蚀性很可能由于温度升高而不断增强。

化工高温状态主要以350℃为标准，如果处于高温情况下，管材很可能出现腐蚀情况。高温管材选择中，要综合分析管材耐高温性，重视管材耐腐蚀性。碳素钢的温度适用极限一般为425℃，处于此温度，会导致碳素钢发生石墨化，为了避免出现这个问题，可将一些合金元素加入其中，强化碳素钢的稳定性；如果高于此温度，为确保化工管道的安全性，可采用氯元素镇静钢。

2.4 特殊介质钢材的选择

化工生产中，如果管道运输的介质具有较强的腐蚀性，需避免运用金属钢材，可选取非金属管材，如pp管材。应用非金属管材要注意材料的压力、温度条件符合化工需求，避免压力、温度变化时，导致金属材料出现脆化问题。

一是塑料陈衬里材料。应用温度需控制在120℃，衬里材料主要包括聚四氟、聚丙烯等。除温度因素外，还要充分结合应用环境进行选择，禁止在苯溶解介质中应用。

二是苛性纳碱液管材。由于受到腐蚀介质、拉应力等的共同作用，很可能导致碳钢材料受到损坏，引发开裂问题。进行设计、选择时，要全面把控氢氧化钠的浓度和温度，提升化工生产的安全性。

三是硫酸管材。硫酸自身的腐蚀性较强，如果化工管道输送介质为硫酸，需合理选择化工管材。对于浓度为98%、95%的浓硫酸而言，应控制管道温度在20℃左右，将压力值调整为0.2 p左右，选择20号管材，而20 g材料的压力应维持在1.6 pa，保证其温度稳定在200℃。硫酸输送过程中，碳钢是否具有抗腐蚀性，主要受到硫酸亚铁保护膜的影响，为了确保该保护膜不被破坏，要对管道内的硫酸浓度进行精准把控。如果管道温度发生变化，应利用不锈钢管材；如果实际操作温度达到29℃，且操作压力在2 p以下，硫酸腐蚀量达到3，则可利用规格为316 L的不锈钢管材。

四是选用氧气管材。如果化工管道输送的介质是氧气，可将不锈钢、碳钢等作为化工管材材料，以压力、温度设计为核心，将管道设计为GC2类型。氧气是助燃性气体，输送时可能会受到外力影响而出现爆炸情况。因此，针对氧气管材的选择，应重视氧气流速与压强，氧气压强如果处于0.33～0.55 P，则可利用碳钢管，一旦氧气的压强值较高，则可选用不锈钢管道，但要确保管道直径是外径的4倍以上，并控制其长度为2 m以上。管道制作过程中，尽可能避免运用褶皱弯头，避免运输过程中发生安全事故。应根据管材流速、压力进行科学选择，选择大半径弯头，令弯头半径为外径的6倍以上，焊接过程中采用无缝焊接。选择管道阀门材料时，要以压强的实际数值为基准，应用不锈钢材料。

五是盐酸管材。盐酸具有腐蚀性，应合理选择输送盐酸的管材，如果盐酸浓度为15%～30%，则可应用聚丙烯管道，它具有很好的抗腐蚀能力，可在相对较高的温度和压强条件下及复杂的盐酸环境下保持良好的耐腐蚀性。聚乙烯管道在导入率方面较差，因此可提升保温性能，且管材熔口强度较高，能避免发生管道断裂的问题，从根本上保障管材应用质量。聚乙烯管材的质量和密度较小，使用便利，寿命较长，成本低，能够满足使用要求，但容易发生老化问题，一旦受到降水和风力等因素的影响，性能会大幅度下降。

3 结语

管道材料选择在化工设计环节十分关键，由于化工生产环境较为复杂，因此要选择一些符合实际情况的管道材料，确保管道运输有序进行。从不同管道介质角度，围绕管道材料，进行选择，为材料选择提供一些参考。