化工設計中管道材料材質的選用

鐘冬竹

(中國輕工業廣州工程有限公司，廣州 511400)

化工設計是一項十分精細化的工作，是以化工工藝專業為核心，輔以電氣、土建、環保等專業來共同完成。實施石化、化工工程項目時，管道安裝與材料選擇主要以管道設計為基礎，而管道材料選擇是影響設計成果質量的核心因素，通過科學的材料選擇，可以保障化工裝置符合安全需求，最大程度上提升化工設計質量，盡可能減少業主的采購成本，這意味著深化管材選擇研究有著十分深遠的意義。

1 化工設計選擇管道材料材質的要求

1.1 安全要求

化工設計中，管材材料材質的選擇應保證化工生產的安全性，確保后續生產有序展開，盡可能避免由于管道因素而引發的安全事故，避免化工生產出現威脅生命財產、生產停滯等問題[1]。立足于設計層面進一步優化安全防護，慎重選擇管道材質，管材選擇不科學，則可能導致管道受到運輸介質腐蝕，引發管道損壞等問題，甚至產生安全事故。一旦管道類型不合理，對應管徑不匹配，則可能引發介質泄漏風險，導致安全事故的出現。如果管道材料性質難以達到基本需求，應用一段時間后可能出現破損，導致毒性材料介質外流，甚至出現污染環境情況[2]。

1.2 經濟要求

選擇管道材料時，要充分注意經濟性，強化經濟效益[3]，盡可能避免因材料費用超出預算費用而引發生產成本提升情況。選擇材料要從差異化角度，深入分析材料的實際造價，保障生產質量，降低材料成本，實現經濟效益最大化。想要優化管道材料材質，要考慮不同材料管材的參數、性能等，利用取額設計法，以預算、成本目標為前提，選取材料材質，保障經濟性，注意材料的生命周期，盡可能選取一些經濟效益高、生命周期長的材料[4]。

2 管道材料材質的選用

2.1 耐熱管材的選擇

耐熱管材是具備優異耐氧化性且高溫強度、耐氣體腐蝕性、抗熱沖擊強度較高的材料?；どa過程中，很可能出現特殊液體、氣體中高溫鋼管暴露的問題，為了最大程度提升化工生產安全性，要保障高溫鋼管具有很好的耐氧化性[5]?；どa可能會受到氧化作用的影響，如果利用碳素鋼鋼管，表面會出現一層氧化膜，很難真正發揮保護鋼管基體的作用。為了提升鋼管的抗氧化性，可在鋼管內增加鉻、鋁等元素，因為鉻元素比鐵元素氧化快，能夠在金屬表面生成氧化膜[6]。通過在鋼管內增添一部分鉬元素、鉻元素，最終合成鉻-鉬合金，這樣的鉻-鉬合金的耐氧化性較強，能夠在一定程度上提升化工管道抗氧化性，適用于石油化工生產管道。

2.2 低溫管材的選擇

對于化工管材而言，如果在-20℃～—40℃，要盡可能避免運用碳素鋼管材；如果是40℃～70℃，應盡可能避免運用低合金鋼管材；如果是70℃～196℃，盡可能避免運用合金鋼管材。

對于碳素鋼管材、低合金鋼管材等鐵素體鋼，如果溫度始終處于0℃以下，會導致其鋼體自身的柔韌度大幅下降，與之相應的脆性則會大幅度上升[7]。為了保障管材具有優異的性能，要保障常溫環境下管材的韌性、強度符合標準，而低溫環境下，化工管材的性能更好。較為常見的低溫管材為20號鋼，該類型鋼體性能的實際轉變溫度大致在-40℃左右[8]。實踐運用過程中，以-20℃為前提，在該范圍內展開轉換，最大程度提升化工安全性。如果實際轉換溫度在-20℃以下，應按照相關規范，開展系統性的同溫沖擊韌性試驗，以確保管材韌性、脆性與實踐生產標準相符。如果化工生產溫度相對較低，應選取一些能夠優化鋼體溫度脆性的管材，如錳元素、鎳元素[9]。如果鋼材中的鎳元素含量達到2.25%，則可以在-60℃的溫度條件下應用；如果鋼材中的鎳元素含量達到3.25%，則可以在-100℃的條件下運用。

2.3 高溫鋼材的選擇

化工生產大多會在高溫條件下開展，由于受到高溫的影響，管材性能可能十分復雜。選擇高溫鋼材需注意以下幾方面：一是管材自身溫度與屈服強度呈反比變化，管材溫度、塑性則呈正比變化[10]。二是隨著時間的推移，管材在力學性能、荷載強度方面很可能發生蠕變情況。管材溫度、抗拉強度等可能呈現反比變化的情況。三是管材的腐蝕性很可能由于溫度升高而不斷增強。

化工高溫狀態主要以350℃為標準，如果處于高溫情況下，管材很可能出現腐蝕情況。高溫管材選擇中，要綜合分析管材耐高溫性，重視管材耐腐蝕性。碳素鋼的溫度適用極限一般為425℃，處于此溫度，會導致碳素鋼發生石墨化，為了避免出現這個問題，可將一些合金元素加入其中，強化碳素鋼的穩定性；如果高于此溫度，為確?；す艿赖陌踩?，可采用氯元素鎮靜鋼。

2.4 特殊介質鋼材的選擇

化工生產中，如果管道運輸的介質具有較強的腐蝕性，需避免運用金屬鋼材，可選取非金屬管材，如pp管材。應用非金屬管材要注意材料的壓力、溫度條件符合化工需求，避免壓力、溫度變化時，導致金屬材料出現脆化問題。

一是塑料陳襯里材料。應用溫度需控制在120℃，襯里材料主要包括聚四氟、聚丙烯等。除溫度因素外，還要充分結合應用環境進行選擇，禁止在苯溶解介質中應用。

二是苛性納堿液管材。由于受到腐蝕介質、拉應力等的共同作用，很可能導致碳鋼材料受到損壞，引發開裂問題。進行設計、選擇時，要全面把控氫氧化鈉的濃度和溫度，提升化工生產的安全性。

三是硫酸管材。硫酸自身的腐蝕性較強，如果化工管道輸送介質為硫酸，需合理選擇化工管材。對于濃度為98%、95%的濃硫酸而言，應控制管道溫度在20℃左右，將壓力值調整為0.2 p左右，選擇20號管材，而20 g材料的壓力應維持在1.6 pa，保證其溫度穩定在200℃。硫酸輸送過程中，碳鋼是否具有抗腐蝕性，主要受到硫酸亞鐵保護膜的影響，為了確保該保護膜不被破壞，要對管道內的硫酸濃度進行精準把控。如果管道溫度發生變化，應利用不銹鋼管材；如果實際操作溫度達到29℃，且操作壓力在2 p以下，硫酸腐蝕量達到3，則可利用規格為316 L的不銹鋼管材。

四是選用氧氣管材。如果化工管道輸送的介質是氧氣，可將不銹鋼、碳鋼等作為化工管材材料，以壓力、溫度設計為核心，將管道設計為GC2類型。氧氣是助燃性氣體，輸送時可能會受到外力影響而出現爆炸情況。因此，針對氧氣管材的選擇，應重視氧氣流速與壓強，氧氣壓強如果處于0.33～0.55 P，則可利用碳鋼管，一旦氧氣的壓強值較高，則可選用不銹鋼管道，但要確保管道直徑是外徑的4倍以上，并控制其長度為2 m以上。管道制作過程中，盡可能避免運用褶皺彎頭，避免運輸過程中發生安全事故。應根據管材流速、壓力進行科學選擇，選擇大半徑彎頭，令彎頭半徑為外徑的6倍以上，焊接過程中采用無縫焊接。選擇管道閥門材料時，要以壓強的實際數值為基準，應用不銹鋼材料。

五是鹽酸管材。鹽酸具有腐蝕性，應合理選擇輸送鹽酸的管材，如果鹽酸濃度為15%～30%，則可應用聚丙烯管道，它具有很好的抗腐蝕能力，可在相對較高的溫度和壓強條件下及復雜的鹽酸環境下保持良好的耐腐蝕性。聚乙烯管道在導入率方面較差，因此可提升保溫性能，且管材熔口強度較高，能避免發生管道斷裂的問題，從根本上保障管材應用質量。聚乙烯管材的質量和密度較小，使用便利，壽命較長，成本低，能夠滿足使用要求，但容易發生老化問題，一旦受到降水和風力等因素的影響，性能會大幅度下降。

3 結語

管道材料選擇在化工設計環節十分關鍵，由于化工生產環境較為復雜，因此要選擇一些符合實際情況的管道材料，確保管道運輸有序進行。從不同管道介質角度，圍繞管道材料，進行選擇，為材料選擇提供一些參考。