化工設備設計中材料的選擇與應用

池海

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132001）

在化工生產中，設備的性能決定著生產制造質量以及生產運行效率。而在設備設計中，材料的選擇與應用又是最關鍵的一環，只有設備原材料符合相應質量標準，滿足生產經濟性、安全性、節能性要求，才能推動我國化工生產的快速前行。

1 化工設備設計中，做好材料選擇的重要性所在

化工生產具有一定的危險性，高溫、高壓、有毒、有害、易燃易爆炸是其最主要的行業特定。在該項生產中，化工設備設計是其中最核心的一環，決定著設備使用壽命，以及生產作業的安全穩定性。在設備設計中，材料是設備的基礎，要求設計人員科學選擇設備材料，以滿足化工生產的環保節能、安全低耗要求。在設備材料選擇中，設計者需根據作業環境和生產要求，選擇最具經濟性和環保性的化工材料。

2 化工設備中如何科學選擇材料

2.1 有關金屬材料的選擇

（1）碳鋼類型。碳鋼類型的材料在我國產量極高，為節省化工設備制造的成本，可以適當添加多的碳鋼材料。而且相比其他類型的材料，碳鋼具有較強的抗腐蝕性，其適用于酸堿濃度低，且不與碳鋼發生化學反應的溶液存儲。比如，針對低濃度的硫酸、苛性鈉溶液，可以選擇碳鋼材料完成溶液的存放和導流。再者，碳鋼類型材料有時也被應用在具有高腐蝕性的區域，此時，應對其展開防腐處理，常用手段為噴涂防腐蝕層、襯里防腐。具體來說，當材料厚度大于12毫米時，在襯里防腐處理中，宜選擇襯鈦或襯不銹鋼，這里為縮減成本投入，要求適當減少設備基底材料的用量。

（2）不銹鋼類型?；どa階段，經常遇到腐蝕性極強的酸堿鹽類物質產出，會對金屬類型的設備產生極大的腐蝕作用。如果在強腐蝕性區域選擇碳鋼類型材料，則會使用防腐層來抵抗腐蝕，而這會加大成本投入，且部分防腐層經過長時間的使用，同樣會遭到破壞，此時，對于這類高腐蝕區域，設備采用不銹鋼材料。又因為化工設備大多利用焊接工藝完成各材料間的連接，因此，在使用不銹鋼材料時，還要注意其焊接性能。這里奧氏體在該方面性能突出，在化工設備中應用頻率極高。具體類型有304 不銹鋼、321 不銹鋼以及316L 不銹鋼。

（3）其余金屬類型。由于化工生產具有高溫高壓特征，因此，同樣要求設備材料具有強的耐高溫和高壓特性，且反應物對金屬材料具有一定的腐蝕性，工作人員在材料選擇中，均應結合上述因素實行綜合考量，選擇最合適的金屬材料參與生產加工。具體來說，設計人員在確定設備材料時，要參照化工設備相關區域的反應物和反應條件配置材料。例如，天然氣制氫設備中，含有廢熱鍋爐和中溫變換爐設備，這兩種設備的運行溫度能夠達到300℃，同時，在運行時，含有多種腐蝕性材料，因此，設計人員通常選用鎳基合金進行設備的設計和制造，尤其是對于合金15CrMoR 來說，該種材料具有極強的耐高溫、高壓和抗腐蝕性能，適用于上述設備。

2.2 有關非金屬材料的應用

（1）石墨材料。在有機非金屬材料中，石墨具有比較理想的抗腐蝕和傳熱性能，該類型材料較為適合應用在化工設備的內里，以抵抗化工生產加工中各類高腐蝕性原材料對設備的損壞，如圖2 所示。有關石墨材料的具體選擇環節，設計人員需先對石墨材料實施科學處理，可以利用樹脂完成石墨的浸泡，該操作步驟是為讓石墨具有不透性。經過上述處理的石墨材料廣泛應用在高溫低于160℃和壓力低于0.5MPa 的生產條件中。該類型材料不僅具有理想的耐高溫高壓能力，對于化工生產中經常遇到的稀硫酸、氫氟酸和鹽酸等具有腐蝕性的溶液，石墨材料同樣能夠承受該類溶液的腐蝕，延長了化工設備的使用壽命。又由于石墨材料還具有理想的熱傳導性能，在生產加工中，也可以將其用于設備中的傳熱結構。

上面總結概述了石墨材料的應用優勢，但同時也具有一定的劣勢。比如，石墨材料在延展性、塑性方面不具備較高性能。設計人員在化工設備應用中，應當結合實際情況，適當應用該類型材料，可以對其展開一定的優化處理，比如，可以在石墨材料的外表面加覆一層碳鋼膜，該操作有利于保護石墨材料，以免發生較大程度的損壞，加強設備的使用性能。

（2）搪瓷材料。因為搪瓷材料在抗腐蝕性方面具有較大的優勢，所以利用該優勢，將其應用在化工設備的設計中，具有極高的應用價值。在當前的化工設備設計和建造過程中，通常會將這種材料覆蓋在碳鋼表面，原因在于，通常情況下，碳鋼的抗腐蝕能力較差，很多化工原材料以及產物都會對碳鋼結構造成損壞，同時，搪瓷材料質地堅硬，延展性較低，在只應用搪瓷材料時，設備的力學性能不能滿足設計要求。而將這兩種材料進行結合，能夠在滿足設備力學性能的基礎上，提升設備的耐腐蝕性能。

不過，搪瓷材料也具有一定的劣勢。該類材料屬于非金屬類型材料，在力學性能方面具有較大的劣勢，而且抗撞擊能力也相對較弱，這些性能方面的不足也會限制該類型材料的使用。在設計中，設計人員不可將其應用在經常與其他金屬設備有撞擊動作的生產中。不僅如此，在搪瓷材料的具體應用中，當生產溫度極速升高時，材料極易發生脫落，此時，出于對搪瓷材料密封性的考量，在設備的端口結構應用搪瓷材料時，規定設備內壓強不得高于1.0MPa。

（3）玻璃鋼和塑料材料。玻璃鋼和塑料材料的抗腐蝕系數極高，憑借該項優勢，化工設備中，經常使用該類型材料，尤其是有關強腐蝕性材料達到存放。玻璃鋼的密度值較小，也就是說，相同體積的材料設備，玻璃鋼制設備擁有更輕的質量，而且玻璃鋼能夠很好地應對空氣、水和高腐蝕性的條件，因此，在化工設備制造中，經常選擇玻璃鋼用在通風管道、鹽酸儲罐等設施中。對于各類高分子塑料材料，由于有很高的抗腐蝕性，所以，可被用于存儲各類腐蝕性原材料。

除上式材料的優勢特性外，這兩類材料也具有一定的不足，如在高溫環境下，不利于這兩類材料的使用。尤其是玻璃鋼和硬聚氯乙烯，這兩類材料的耐高溫性能極差，其工作溫度通常低于60℃，其他高分子塑料，工作溫度不得高于100℃。對此，設計人員應結合區域實際溫度，科學安排材料的使用。

3 化工設備設計階段有關材料應用的注意事項

3.1 注重成本投入的把控

化工設備生產中，成本投入是工作人員需要考慮的核心內容。要求工作人員全面檢測生產環境，判斷環境對化工設備的影響程度。及時發現不利于設備運轉的有害因素，防止設備遭到損害。通常情況下，企業要投入極高的資金用在化工設備的購進方面，而生產中對設備的損害也會消耗較大的資金。對此，企業必須做好設備損害的預測工作，將可能發生的資金損耗算入投資成本中，隨后預算生產效益，進行收益與投入的對比，若二者持平或收益低于成本，則企業應在生產環境方面做好完善工作，以免其對設備產生損害。

3.2 注重生產環境

由于不同化工設備的設計材料有所不同，其對于各類環境的耐受力也不一樣。在具體使用化工設備中，需對生產環境展開檢測與分析，如環境中氣體的活性、是否存在腐蝕性、溫度等。工作人員要參照生產環境的不同，合理選擇適當的設備完成操作，這樣不僅能夠規避環境因素對設備造成的損害，還可以有效提高生產效率，增大化工生產的安全系數，進而創造理想收益。

3.3 注重設計工藝

為使設備達到最佳性能，在具體設計中，要嚴格遵守效果設計工藝，避免由于工藝的差錯而影響設備價值。一是平衡好材料的價格和設備的性價比之間的關系，不可為追求設備的高性能，如抗腐蝕性和耐高溫，而一味使用非常昂貴的設計材料。二是在化工設備的設計階段，工作人員必須參照有關工藝的標準要求展開設計，防止由于工藝操作錯誤，而阻礙化工設備的設計工作，利用合適的設計工藝，優化材料性能，從而促進化工設備的高效運轉。

4 結語

總而言之，在化工設備設計中，材料的選擇與運用極為關鍵，設計人員需全面掌握各類化工材料的性能優勢，并根據實際生產環境，選擇適當的材料應用其中，從而充分發揮材料的性能，推動化工設備的高效率運轉。同時，還要考慮成本投入以及生產環境，做好材料設備的檢查工作，以此為化工生產創造更大的效益，維護生產的安全性。