关于配管设计中的管件及管材选用问题分析

＊杨 涛

（陕西建工安装集团有限公司 陕西 710054）

国家颁布的《特种设备安全监察条例》颁布通过并得到执行后，各种管路的设计与安全质量问题一直以来广泛地引起了政府有关主管部门的关注，并将各类压力容器与各类压力管道都一起合并了起来，对其安全性能状况都实施了更加严密的监测，这两个比较特殊的设施，如果从它所定义的方面入手来对之加以比较，压力管路的主要定义与应用范围将更广泛，其应用范围是最高工作压力超过或者是等于0.1MPa（指在一个工程中的表压），以气体、液体、蒸汽介质或者说是可燃、易爆、有毒、具强烈耐热和良好的抗腐蚀性加液体，且在一个工程中所使用的管道直径应当是超过了25mm。

1.管道材料种类及特点

各类管材的特点：第一，水泥管：虽然这种水泥管道施工简便，成本相对较低，是过去常见的一种水泥管件，但其自身重，强度低，易被化学物质侵蚀，容易被有害体渗漏，容易在空气中滋生有害的细菌，如果用其直接建筑物来进行给水工程，容易对环境和土壤的水质产生严重污染，引起极大的环境损害，从发展趋势上可以简单地来分析一下，水泥管道无论是作为建筑还是工业的主要排水或者说还是在雨水中的排放迟早都会被彻底淘汰，因此目前己经很少有人能够继续便用。第二，铸铁管、钢管：虽然在设计与施工上比较简单，而且结构强度高，但其承载力与重量较大，不能有效地抵抗腐蚀，一般建议采用除去热力和减轻压力的给水管。第三，高密度聚乙烯管（HDPE）：由于这种高密度、又具有机械强度的聚乙烯管本身就已经具备了很高的热力学强度和机械刚度，因而被广泛应用在大城市的燃气、给水等管路中。高密度聚乙烯管因其良好的化学性能、韧力、耐磨性以及便宜的成本与质量而广泛地深入接触并受到了我国管道工业内外各界人士的推崇与青睐，位于世界市场规模和利用率第二。HDPE的材料具有耐震、耐腐蚀性能好、抗疲劳、强度大、耐热等特点。其对熔接和连续焊缝工艺的技术要求相对较高。第四，玻璃钢夹砂管：由于玻璃钢夹砂管是采用了短型的玻璃纤维中间夹砂技术对其进行制作，刚度相对较大，可以承压，耐腐蚀，但由于这种玻璃钢夹砂管的材料比较脆，仅仅是为了适用于小口径，并且很容易因为在建筑物施工时遭到机械碰撞而对其产生光滑或者是暗伤，影响了其使用寿命。第五，硬质聚氯乙烯管已被国内引进和推广应用，也是目前在我国市场上最普遍采用的一种塑料管件。它主要由聚氯乙烯树脂经过高温加工后进行热压和加工而成。这类管材一般主要广泛应用于室内和城市供水管道，城镇建筑物供暖、排水管，室内和建筑物供暖、排水管，城镇雨水管目前大多数是采用软质的聚氯乙烯。硬质的聚氯乙烯管所具有的特殊性能主要有耐化学腐蚀、不产生锈垢、自熄性、阻燃抗氧化、耐老化、耐电等性能均佳等；其中排气管道的内壁十分光滑，形成的液态物质表面张力相对较小，不容易在空气中产生污染物或者是水垢；并且UPVC具有很强的适应流体运动与输送的能力，其中进行加工与安装也十分方便，最重要的一个特点是它所需要生产和采用的优良硬质聚氯乙烯管比其它各种应用型塑料的管材在造价上都要低。硬质聚氯乙烯管主要优势之一是它的耐腐蚀性相对薄弱，不宜直接作为输送热水，接头黏附技术在固化过程中对其时间的要求也很高[1]。

2.法兰的选用

(1)关注选用法兰的最高无冲击工作压力

当所选择的法兰在达到最高工作温度下不会发生外力冲击时，工作压力应该是大于或者相当于所设计的压力。例如，压缩工段氮氢气体管道设计温度150E，设计压力6.0MPa，就必须考虑是否要选择合适的工况下温度等级及相同原料的法兰。采用的是一种法兰材料16MNII，其最大无外力冲击下正常工作时的压力约为6.17MPa。所以法兰选择了公称压力6.3MPa，法兰主体原件是16MNII。

(2)关注设备管口法兰密封面形式

使用了凹凸二种表面的管道法兰，对设备的顶部管嘴与法兰密封表面的形状问题也进行了研究，在这种情形下主要是将凹凸二种法兰依次安装在上面的管嘴、侧面管嘴上。然后在底部的管道进出口放置一个法兰。阀门生产商一般都是制造自己的阀门，他们都是自带有凹面的法兰。所以我们应当按照工艺配管技术规范的要求将所有设备的管道直接或者说也就是管路上的阀门与其他设备之间进行连接处理时，必须给予设备特别专业地提出针对管道的密封面或者是否存有相互配合阀门的法兰。

3.阀门的使用

(1)多用蝶阀，少用闸阀

在之前的一段时间里，蝶阀一般只有在较小口径的水管上才可以得到应用，在不断进步发展的生产过程中，市场上对于蝶阀的生产制造工艺和设备也是有了不小的改变与进步，由于其优越的性能，在某些行业中己经大量采用蝶阀来代替传统闸阀、截止阀、球阀以及螺旋塞等，这主要由于蝶式泵具备了以下优点：

第一，由于规格小、重量轻、易于安装和施工，其最大比重仅为同类型闸阀的1/3～1/4，最大高度和宽度也仅为同类型闸阀的1/3；第二，蝶阀其切断速率特性明显要优于传统的闸阀以及截止阀等；第三，蝶阀其构造简便，便于工作人员安装与维修；第四，便于选用自动控制的机构；第五，和同等级的闸阀、截止门相对应的价格进行比较，蝶阀的价格也相对较低[2]。

(2)柱塞阀

蒸汽、油品以及密封性等要求更高的工作场所，应用柱塞阀。人类所使用的普通截止阀，无论是在密封性和使用寿命上均远远低于柱塞阀，其原因主要是由于这种柱塞阀本身就具备了以下的特点：

第一，当在产品设计时充分考虑到其密封特性，主要使用了金属、非金属互相组合的做法，而这种做法的最大好处之一便是因为其密封比压较小，所以易于达到其密封性要求；第二，柱塞阀座在一般情况下都是通过柱塞阀座和上面的密封环所保护而成，而且通常都没有通过任何填料函；第三，如果在一个阀门的管路中发现柱塞阀座内有细小、硬度较大的各种固态颗粒直接粘附在其密封面上，则很可能导致这些颗粒粘附使得其阀座的密封面被阻挡而受到任何局部破坏，而柱塞阀的移动也刚好能够将直接附着在其密封面上的其他杂质直接推开，这样也就没有对其密封面形成任何的局部损伤，从而使得其具有良好的封闭特性。第四，密封环一般采用无色金属材料焊接而成，不会在气缸中产生任何生锈，阀门在高温下或微开时主要承受到冲刷的两个部位分别是柱塞和密封环两个表面，密封环的表面一般都不被任何冲刷，故其的使用寿命大约相当于截止阀寿命；第五，检修简单方便，除必要时为了维护其密封环外，不像截止阀则必须要求对其阀瓣、闸座等零件进行研磨。

4.三通的相关选用要求

在人们的行为习惯中，一般人都习惯原来的在上主管下连着其他分管道，而这种的方法的好处是，如在通水或试验的过程中采用三通法时，不受水平方位和左右方向的影响，并且使用比较简便，如在对气体的管道沿着水平方位进行信息分流时，它所用的焊制三通管必须朝上，可以有效的防止水气凝堵塞管道，特别是对蒸汽的分管管道尽量从上面接出。

5.弯头的使用

有些从业人员经常讲“配管不重要，接不上时，多用几个弯头就行了”，这样一种方式在工作中是错误的，我们要使每一根管线布置得经纬分明，避免出现杂乱无章的情况。例如，当工艺管道与不常见的大型公用工程管道之间进行互换或接触式处理时，宜用两个端头带有法兰的自动回转弯头来取代传统的阀门。从而使得我们能够规避错误的运行。若按照目前我国比较传统的方式进行设计，就是把原来的工艺管道与再生管道直接连接，在正常使用及运行的时候，因为其中只有一小部分的再生管道能够正常运行，所以通常都会一头热一头冷（较为普遍），应力问题不易被现代人们所了解和处理好，采用反转弯头已经完全能够解决和规范化避免这样的问题；排污管在需要移动方向的条件下宜使用45°的弯曲式，有助于物料全部排尽，减少废水对物料的积累[3]。

6.异径管的使用

在日常的工作状况下，异径管主要可分成二类，一类使用偏心异径管，另一类则使用同心异径管。通常的情况下，并没有什么特殊的规定，在水平管路上通常使用连接偏心异径管，而在竖线方向上则是使用同心异径管。当管道由上至下地推动泵时，宜考虑采用基础底平式安装。其使用的原则就是以保证它能够完全排尽积凝物并且可以防止空气阻力。

7.以化工设计中的管道材料选用为例

(1)耐热管材的选用

耐热管件通常特指某些能耐热冲击、耐高温的管件。此外，考虑到这些化工管道在制造时会具有相应的高危险度，也会经过设计使之具有抗氧化和耐腐蚀等特性。因此高温管道也用作将化学生产物品运送的重要途径，其高抗氧化特性有效避免了化学品运送过程中，有毒有害气体和液体的泄露，也有效增强了化工生产的稳定性。在现阶段，对于化学产品管道在抗氧化方面来说，所采用的高碳素钢管一般都会形成一个抗氧化膜覆盖在其表面上，以增强其抗氧化功效。在这个过程中，还可将其他的微量元素，如铬元素、镁元素、硅元素等合理添加钢里。铬元素相对于铁元素，抗氧化时效更短，因此它能形成并以抗氧化层包覆于金属表面上，这也有效控制了更深层次氧化作用的产生。此外，通过将钼元素与铬元素掺入管道内，还可以形成铬-钼合金，其在抗氧化方面也有着非常明显的效果，所以尤其适用于石油化工生产中的管道设计。

(2)低温管材的选用

对于化工管路设计中材质的选用，还需要充分考虑到环境温度问题，在-20℃或-196℃的温度环境下，就应该按照实际气温差异选用比较适宜的材料。例如：当气温在-20℃至-40℃时，则不能采用码素钢管材料；当气温在-40℃至-70℃时，则无法选用低合金钢管材质；当工作温度低于-70℃时，便无法选用高合金钢管材。通常，在环境温度降低至0℃以内时，高铁素钢管的弹性就将大幅度降低，而脆性料质也会随之增加，所以，为了确保化学物质运输的安全性，就需要充分考虑到钢管材质的耐低温特性。

(3)高温管材的选用

有些化工产品的生产是处于高温状态下，所以其储运管路也要具有较强的耐高温性能。因此在石油和化学工业管路设计中，对于高温材料的选用，必须充分考虑到如下方面：在各种高温下，对管路材质的屈服强度大小所形成的反比变化，以及塑性的正比例变化，以及随着时间推移，而产生的对管路材料力学特性以及荷载强度所形成的改变：在各种高温条件下，对管路材质的抗拉力大小改变，随着高温变化而产生的对管路材料的腐蚀性变化等。在化工制造流程中，当高温值超过350℃时，则为高温环境。在此情形下，管子材质也必然会遭受一定程度的热侵蚀。所以，在其高温环境下的管子材质选用中，还对材质的热而腐蚀性作出了相应要求，在一般情形下，高温管道也具有相应的高温极限，如碳素钢管，在其承受的高温温度达到了425℃以下时，就极有可能会出现普通碳素钢的石墨烯化情况，而且还必须加入相应的合金元素，以防止此类情况的产生，这样增加了普通碳素钢材料的热稳定性。同时，也可以采用高镁元素镇静钢、沸腾钢等，以更进一步地改善化工管道使用的安全特性。

(4)塑料衬里材料的选用

在化工产品生产中，要保证化学储运管路的塑料内衬的使用温度不超过120℃。在其衬板材质的选用上，大多为聚四氟、聚丙烯等。而相对的，施工单位和设计人员在进行材质选用工作时，往往还需要将其移动装置的增值业务也列入考虑范围之内，以避免将其直接应用到苯溶解介质中。

8.管道材料

(1)不锈钢焊接钢管代替无缝钢管

由于过去通常都只生产无缝钢管，但若想用较薄壁加工的方法焊接不锈钢管道时，又需要大量进口其他国家所制造的产品，但是价格上也不合算，所以，使用无缝钢管是可以理解的。目前，由于在国内外主要的制造企业中均掌握了国际领先地位的焊接工艺技术和在线测试手段，所以根据有关专家建议，凡是使用在相对干净的场合时（如纯水、蒸馏水等），若水压小于1.6MPa，即采用高频率的焊接方法以焊接不锈钢管道（高频焊管系装饰用管，若用于工业用管，就需运用在线检测的手段来保证质量）来代替无缝钢管。

(2)区别结构用和一般流体输送用钢管

结构用管道运输和一般流体运输用的管线，它们在我国各种运输管线国标标准GB/T 8162-1999、GB/T 8163-1999中，都有具体的说明。人们一般以为，对于这种无缝钢管产品的质量标准没有必要特别的说明，但是现在市面上已经同时出现了供应大型金属结构管道和一般流体运动运输用的管子。金属结构用的管子，主要都是应用在一般的金属结构，并且需要能够确保其强度和刚性，但是对流体运动输送用的管道除一定要能够确保具有满足其所规定条件下的强度和刚性之外，还必须要求能够保证其密闭性，因此按照要求对各个管子进行一次水压测量。

(3)新材料、新工艺的应用

从当前材料的使用情况来看，只有新材料以及新工艺的运用，才能适应现代新兴行业对金属板材、材料需求的同时减少国家的资源消耗。比如用渗铝的碳钢取代不锈钢材料可以更好地在有机酸浓度较高的环境使用等。

9.小结

本文从我国配管系统设计中常用的一些管件和其他管材所选择的原则以及配管方法等几个角度来讨论，相关人员在配管系统设计中需要注意的一些问题，并且充分地结合实际化工方面使用的情况，提出了部分管件与管道材料所选用的注意事项和设计理念，希望可以为日后类似的工作提供合理的借鉴。