探討化工設計過程中管道材料的選用

侯利燕

摘要：化工產業在國民經濟中具有舉足輕重的地位，從農業、醫學到石油、建筑，都離不開化工制造。值得注意的是，化工生產在給人們帶來高效、便利的同時，蘊藏的危險因素也在不斷增加。化工原料中不乏有毒、有害、有腐蝕性的物質，一旦暴露于周圍環境，將造成嚴重的后果。從化工管道材料的角度出發，對化工管材選用依據及策略進行探討。

關鍵詞：化工設計;管道;材料選用

化工設計內容繁雜，涉及的專業領域較多，既包含設備選型、工藝計算，又包含車間布置、流程規范等。管道的布置和設計是其中較為關鍵的項目，化工管材選型不當、管徑不匹配等狀況，均有可能導致化工原料逸出、泄漏等，進而污染廠房環境，嚴重時甚至會引發火災、爆炸、中毒事故。因此，對化工管材進行科學探討和選用事關生產安全，應當給予充分重視和考量。

1 化工設計過程中管材選用依據

1.1 輸送介質特性

化工生產具有一定的特殊性，管道輸送介質通常具有較強的腐蝕性，部分物料還具有易燃易爆的特性，這些介質長期封閉于管材內部，很容易侵蝕管材，縮短管道使用壽命的同時，也容易產生泄漏等生產問題，延誤化工企業正常運營，甚至引發嚴重的安全事故。因此，在選用管材時，應將輸送介質作為重要的考量依據，比如針對易燃易爆介質，可以選用碳素鋼、低合金鋼等;輸送可燃性介質時，要杜絕沸騰鋼的應用;對用于苛性鈉堿液等腐蝕性物料運送的化工管材，要重點關注裂口損傷等問題，選擇抗腐蝕材料的同時，合理控制氫氧化鈉的溫度、濃度等數值，提升管道運行的可靠性。

1.2 工作參數狀況

化工生產工藝復雜，不同流水線或生產工藝中所用到的管道存在較大差異，因此，選材時還要考慮管道所在位置的工作參數狀況，比如溫濕度、壓力等都是常見的變化參數，用于﹣20℃物料運送的管道，要提前做好低溫沖擊試驗;對于操作溫度超過200℃且介質中存在氫氣等易燃氣體的化工管道，應選擇抗氫鋼材，并以高出實際溫度20～40℃的標準選擇管材。此外，化工管道種類繁多，規格型號、管道直徑、管壁厚度等參數不盡相同，與工作場景的適配程度也有很大區別，在選擇時，應將兩者的參數進行精準匹配，提升輸送效率，規避事故風險。

1.3 國家標準規范

化工生產環境較為惡劣，危險性相對較高，因此，化工行業針對生產工藝中容錯率較低的環節也制定了一些標準規范，用于約束設計和生產行為。管材選用就是重要的研究和規范對象，在進行化工設計時，可以將相關標準作為基礎依據，在不違背標準的前提下考慮經濟成本因素。比如， GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》中就對石油輸送鋼管進行了詳細闡述，從鋼管等級到制造工藝、檢測技術都有明確規定，為管材選用提供了理論支持。

1.4 材料經濟成本

化工設計是一項全局性工作，不僅要滿足技術和安全要求，也要兼顧經濟成本問題，若一味地選擇性能優良的管道，可能會產生超預算問題，使化工設計無法執行下去。基于此，在選用管材時，應將經濟因素納入考量范圍，在滿足介質、參數要求的基礎上，盡量選擇性價比較高的材質，對管道輸送要求也要做好合理分析，避免管徑過大造成經濟損失。對于抗腐蝕性要求較低的部位，可以適當降低管道性能標準，緩解前期投入和維護壓力，但要注意，千萬不能因為片面關注成本問題而以劣充好。

1.5 節能環保特性

化工產業本身屬于污染重點治理產業，化工物料中不乏腐蝕性、有毒有害氣體、液體和固體，排放到環境中，將對區域環境造成毀滅性打擊，同時也容易危害人體健康。因此，在管道設計中，應將節能環保特性作為考慮重點，一方面，關注管材的密閉性，合理設置接口、管徑等參數，防止出現滲漏問題;另一方面，考察管材生產制造以及使用環節的環保性能，以節能環保為比選標準，比如聚丙烯性能穩定、質量小，生產環節也不會產生過多的污染物，完全可以將其應用于腐蝕性介質運送管道中。

2 化工設計過程中管材選用策略

2.1 抗氧化管材的選用

在化工生產中，氧化反應對管道的侵蝕往往與高溫存在很大關聯，這就要求材料在具備耐熱性能的同時，還應具備一定的抗氧化能力。綜合考慮材質性能和生產需求后，很多化工企業會選擇碳素鋼管進行管道搭建，這種材料在高溫環境下的氧化速度相對較快，會在管材表面生成致密的保護膜，具有阻隔高溫氧化的作用，可提升化工管道的抗氧化性能，防止腐蝕現象的發生。這種原理與鋁的氧化膜生成原理類似，作為一種金屬，鋁本身的化學性質相對活躍，但在接觸空氣后，表面會迅速氧化生成三氧化二鋁薄膜，可隔絕外界空氣，避免氧化作用的進一步發展。需要注意的是，這種反應機制雖然防護效率極高，但在溫度達到一定限值后會失去作用。碳素鋼的極限穩定溫度為425℃，可以滿足350 ℃高溫環境的運送需求，但如果超過425 ℃的極限穩定值，就不能再單純依靠這種方式，可以選用沸騰鋼或碳元素鎮定鋼[1]。

2.2 耐低溫材料的選用

受生產工藝的影響，化工管道有時需要輸送超低溫介質，即溫度處于﹣196～﹣ 20℃的介質，當溫度低至一定程度時，很容易使管道發生凍裂情況，埋下安全隱患，所以在低溫輸送場景中，可以結合實際情況，適當設計耐低溫管材，防止管道損壞。需要注意的是，不同低溫等級對化工管道的威脅程度是不一樣的，應結合生產實況，選擇適用性最高的材料。以化工常用管材為例，鐵塑鋼在低于0℃的環境下會出現脆性上升的情況，在低溫環境下要盡量避免使用這種管材，以防管道破裂;碳素鋼的耐低溫性能較高，但同樣不能在﹣20℃的環境中使用;若介質溫度小于等于﹣40℃，則可以通過提升合金含量來保障鋼管的耐低溫性能;當溫度低于70℃ 時，合金鋼管材的脆性同樣會上升，適用性下降。另外，在化工企業生產過程中，并不是只有達到低溫區間才會采取預防措施，實際上，介質溫度低于0℃就會引發管道損傷風險，對于﹣20～0℃的介質，企業通常采用20號鋼進行管道搭建。

2.3 耐高溫管材的選用

高溫是化工管道經常面臨的生產場景之一，當溫度超過350℃時，會對管道產生較強的腐蝕和沖擊，降低管道運行的穩定性，因此，必須進行耐熱設計。高溫鋼管在耐熱性方面表現極為出色，不僅可以實現高溫物料的輸送，還能滿足有毒有害氣體、液體的穩定傳送，對化工安全生產有重要的保障意義，在高溫鋼管中添加鉻元素與鉬元素還能進一步提升其抗熱性能和抗氧化性能。具體來講，耐高溫管材的選擇通常應關注材料屈服強度與塑性特征，當溫度持續升高時，選定管材的屈服強度應呈下降趨勢，塑性應呈上升趨勢，進而保障管道具有充足的抵抗微量塑性變形的能力，保障化工管道質量。

2.4 塑料里襯的選取

化工生產中通常涉及腐蝕性介質的輸送，而金屬材質的抗腐蝕性較差，因此，為滿足強度和抗腐蝕需求，在化工設計中，還會采用塑料里襯，聚丙烯以及聚四氟乙烯都是較為常見的塑料里襯材質，穩定性較好，室溫環境下可以滿足鹽酸、過氧化氫等介質的輸送需求，且無毒無味、耐低溫，具有較強的適用性。但當溫度超過120 ℃時，這兩種材料的穩定性均有不同程度的下降，影響管道的正常使用。因此，在選取塑料里襯時，應特別關注介質溫度變化區間，做好參數匹配。

2.5 濃硫酸輸送管材的選用

濃硫酸是化學工業生產的重要原材料，其強腐蝕性對管材的可靠性提出了較大挑戰。在溫度較低的情況下，鐵質管材可以滿足濃硫酸的輸送和存放要求，這是因為濃硫酸與鐵離子反應后，會生成致密氧化物薄膜，在鐵管與濃硫酸之間形成阻隔，規避腐蝕反應的持續發生。但當化工鐵管內部溫度不均衡時，濃硫酸表面的薄膜會在溫度作用下遭到破壞，進而導致濃硫酸與管道直接接觸，造成腐蝕和損傷。針對濃硫酸的這種性質，在設計管道時，一方面，要做好介質溫度和壓力控制，25 ℃為最佳環境溫度，工作壓力穩定在0.25 MPa較好;另一方面，還可以使用不銹鋼材料，提升管道的穩定性和可靠性，比如不銹鋼316L三通，常見規格有 DN150、DN250等，增厚的肩部和內壁可以有效提升耐酸堿性能。稀硫酸的輸送則應在管道內部設置塑料里襯，如果選用20號碳鋼，則要關注硫酸亞鐵的生成情況，合理控制濃硫酸的流動速度，為管道提供強有力的保護作用。

2.6 氧氣輸送管材的選用

氧氣是化工生產中常見的助燃材料，由于性質特殊，其輸送管道一般選用抗壓性較強的不銹鋼、碳鋼等材質， GC2類型就是較為常見的管道種類。同時，由于氧氣易燃，在輸送過程中一旦與其他氣體接觸，就會提升爆炸事故發生的概率，延誤化工生產進程。因此，除管道材料外，還應結合流速、壓強等參數進行科學的布局設計。在壓強較低的生產場景中，可以直接使用不銹鋼進行運送，但要注意規劃好管道的直徑和長度，在拐彎處要做好密閉措施，防止管道斷開產生裂縫、引發氧氣泄漏問題。此外，與氧氣相比，氫氣的易燃特征更加明顯，在設計管道時，不僅要關注管道材質、連接、安裝問題，還應做好防腐、防雷措施，嚴格遵守《工業金屬管道設計規范》，可以應用天然氣管線鋼系材質進行布局設計[2]，提升化工管道的可靠性和穩定性。

2.7 鹽酸輸送管材的選用

鹽酸同硫酸一樣具有較強的腐蝕性能，當鹽酸質量分數達到15%～30%時，很容易對化工管道造成損傷，因此，選用管材時要慎重考慮。聚丙烯是較好的鹽酸輸送管道材料，對鹽酸具有較為明顯的抗腐蝕性能，外界壓強與溫度的變化對聚丙烯也不會產生嚴重的負面影響，可以將其作為首要選項。此外，聚丙烯導入率也相對較低，保溫性能良好，熔口強度高，可以有效規避管道斷裂事故，延長化工管道的使用壽命，降低化工企業在維護檢修和管理方面的成本投入。聚丙烯材料本身質量較小，價格較低，可以同時滿足經濟與實用需求。

3 結語

科學的管道選用能夠為化工生產提供良好的安全保障，提升化工生產效率。因此，在化工設計中，應正視管材的關鍵地位，結合介質特性、工作參數、國家標準等合理選用管道，對耐高溫、耐低溫、非金屬管材適用場景做好差異化分析，最大限度地提升管道的匹配性，延長管道的使用壽命，為化工企業的穩定運轉奠定良好基礎。

[參考文獻]

[1]劉軍.化工設計過程中管道材料的選用[J].化工設計通訊，2020（9）：22-23.

[2]買濤.化工設計過程中管道材料的選用研究[J].化工管理，2020（4）：145-146.