化工設計中管道材質的選用實例

王亞軍 肖晶 馬杰

摘 要：管道是化工工程中非常重要的組成單元，其正確的選材對于整個工程的安全穩定運行及工程造價都有著非常重要的意義，文章對設計過程中的管道材料選用進行了研究，并通過化工設計中管道材質的選用實例，具體論述管道材料的選用原則。

關鍵詞：管道選材;NaCl溶液;鈦管;PVC/FRP復合管

1 管道材質的分類

化工管道是由管道組成件、管道支承件組成，用于輸送分配、混合、分離、排放、計量、控制或截止流體流動。管道組成件是用于連接或裝配管道的元件，包括管子、管件、法蘭、墊片、螺栓、閥門以及管道特殊件等設施。本文只論述管子材質的選用。管道常用的材料種類很多，主要分為金屬材料、非金屬材料兩類。管道材質分類見表1：

2 材料選用的基本原則

工程上實際應用環境是十分復雜的，不同的介質、介質溫度、介質壓力等操作條件的組合，構成了無數個選材條件。因此，設計師在管道材料的選用時，應遵循以下幾個原則：

2.1 滿足操作條件的要求

2.1.1 介質特性

不同材質對同一腐蝕介質的耐腐蝕性能是不同的，應避免選用的管道材質出現應力腐蝕開裂等災難性的腐蝕出現，而對于均勻腐蝕，也應該控制腐蝕速率小于0.5mm/a。

2.1.2 介質溫度

溫度的變化會引起材料的性能發生變化，如金屬材料在低溫下會出現脆性，而在高溫下，會出現蠕變、球化、石墨化等問題。非金屬材料有良好的耐腐蝕性能，但是卻不耐高溫。另外很多腐蝕的發生都與介質溫度密切相關，甚至是腐蝕發生的基本條件，比如氨合成的氫氮氣管道，由于氫分壓的存在，當溫度高于200℃時，必須考慮氫腐蝕的影響，根據納爾遜曲線，在溫度低于200℃時，選用20號鋼是安全的，而溫度超過200℃，20號鋼會發生氫腐蝕，這時就必須選用抗氫鋼。

2.1.3 介質壓力

壓力較高的管道，發生事故帶來的危害性也較高，因此對材料的選擇也更嚴格和謹慎。

2.2 選用的材料應適合相應的制造和安裝，包括焊接、冷熱加工即熱處理等要求

選用的材料應該容易獲得，其制造工藝成熟、可靠，并且是標準化、系列化便于大規模生產，工程上使用它才能保證安全穩定，同時節約設計、制造、安裝使用等各環節的投入，大大降低工程造價。

2.3 滿足既適用又經濟的要求

該原則操作起來很復雜，要求設計師必須運用工程學、材料學、腐蝕學等方面的知識來綜合判斷。比如，許多材料標準和制造標準中，有一些附加檢驗項目，追加檢驗可以更好控制材料質量，但相應提高了成本，用戶可以根據自己的使用條件合理選用，做到適用和經濟的平衡。

3 管道材質選用工程實例

VCM裝置廢水蒸發項目主物料管道材質的選用實例：

工藝流程為燒堿VCM裝置的廢水三效蒸發，主物料為VCM裝置含鹽廢水，其中NaCl濃度為60～90g/L廢水，操作溫度：50～138℃，操作壓力：0.35～-0.03MPa（G），管道公稱直徑：DN32～DN350。

Cl-對金屬腐蝕主要表現在降低材質表面鈍化膜形成的可能或加速鈍化膜的破壞，從而促進局部腐蝕。原因是氯離子半徑小，穿透能力強，能優先吸附在鈍化膜上，把鈍化膜上的氧原子擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結合形成可溶性氯化物，在露出來的基底金屬上形成小蝕孔（孔徑多在20～30μm）。這些小蝕孔被稱為孔蝕核。這些氯化物容易水解，使孔內溶液酸化，進一步加速孔內陽極的溶解。如此循環，腐蝕越來越快，并且向孔的深處發展，直至穿孔，如圖1所示：

而奧氏體不銹鋼在氯離子溶液中的腐蝕，除了因為Cl-會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，還因為Cl-能與不銹鋼中的Cr發生反應，在晶間上形成貧鉻區，使不銹鋼發生晶間腐蝕。同時，奧氏體不銹鋼發生應力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度上升而減小，有資料顯示，發生氯離子應力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。很明顯本工藝中高溫物料管不能選用奧氏體不銹鋼材質。Cl-對碳素鋼的腐蝕要比奧氏體不銹鋼輕，但是腐蝕依然存在，而且碳鋼材質會生銹，影響物料純度，因此碳鋼也不是理想選擇。

對于氯離子的耐腐蝕性能，非金屬管道是一個很好的選擇，由于物料最高溫度為138℃，常用非金屬管道如橡膠管、PVC/FRP復合管、硬聚氯乙烯管等使用溫度一般小于80℃，而鋼襯四氟管道可以耐熱到180℃，但是本工藝涉及微負壓操作，對鋼襯四氟管的加工提出了比較高的要求，根據建設方以往使用經驗，鋼襯四氟管道容易出現貼合不完整，局部腐蝕穿孔等現象，導致使用效果較差。

有色金屬管鈦管在氯化鈉溶液中有良好的耐腐蝕性能，但是鈦材價格昂貴，除了特殊工況，工程上使用不多。本工程溫度高于60℃工藝管道公稱直徑小，為DN32～DN80，總長度為60m，并且由于鈦的強度高，鈦管的壁厚很薄，且密度為4.51×103kg/cm3，僅為碳鋼的57.8%。估算材料及安裝費用不超過3萬元。溫度低于60℃的工藝管道，非金屬管可以使用，且介質本身無毒，對環境也沒有危害，介質溫度、壓力很低，即使發生泄漏，也不會對人身和環境生態造成傷害，故而選用價格便宜的PVC/FRP復合材質。

綜合以上原因分析，對于低于60℃的工藝物料管道，選用PVC/FRP復合材質，高于60℃的工藝物料管道，選用鈦管。既滿足了工藝生產的要求，又降低了整個工程的造價。

參考文獻：

[1]張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].北京：中國石化出版社，2009.

[2]宋岢岢.壓力管道設計及工程實例（第2版）[M].北京：化學工業出版社，2012.

[3]徐寶東.化工管路設計手冊[M].化學工業出版社，2011.

作者簡介：

王亞軍，女，漢族，北京藍圖工程設計有限公司。

肖晶，女，漢族，北京藍圖工程設計有限公司。

馬杰，男，漢族，匯智工程科技股份有限公司武漢分公司。