化工設備設計的選材與應用

謝亞武(廣東眾和工程設計有限公司，廣東 廣州 510030)

0 引言

近來年，我國經濟發展迅速，化工產業獲得大量機遇，發展飛快，現已成為我國經濟體系中不可或缺的支柱產業之一。但機遇到來的同時，也帶來了諸多挑戰，隨著社會的不斷進步，行業需求日益增多，市場競爭日益激烈，化工產業為保障自身市場競爭力，必須實時對自身技術手段和管理體系進行創新和優化，確保工程效率，提升工作質量，更好地服務社會。化工企業在整個流程中，確保化工設備正常運轉是重要的工作內容，同時其材料的選擇和應用是重要的工作內容之一。

1 化工工藝及化工設備適應性設計的必要性

提高化工工藝和化工設備的適應性，是推動我國化工不斷現代化的必要條件。因此，必須重視化學適應性設計。首先，采用高適應性設計可以改變許多傳統化工裝置存在的特點問題，進一步提高企業開發化工設備的能力和價值，最大限度地發揮化工裝置的實用價值，使之適應現代企業的生產要求，從而大大減少資源和成本的不必要消耗。第二，因為石化行業技術密集，有許多化工項目涉及到實際生產。采用合適的化學工藝和化學設備，做好適應性設計工作，不僅可以提高設備的利用率，還可以加快設備維護的效率，幫助員工更好地控制一些工藝細節，從而進一步保證化工生產的產量和速度。第三，確保化工過程和化工設備在生產活動中具有良好的適應性，有利于控制和解決各種生產問題，避免影響企業生產的正常進行。特別是隨著市場條件的日益復雜，對改進化工過程和設備的適應性設計也提出了更高的要求。通過采用最優自適應設計，可以合理簡化不必要的生產環節，使化工裝置繼續保持穩定高效的工作狀態，在提高產品質量的同時，進一步提高化工企業的市場競爭力[1]。

2 化工工藝及化工設備適應性設計的實施辦法

2.1 參數設計

化工設備安裝完畢后，為了保證生產活動的安全，有必要在正式開工前對設備參數進行調整。在確定最終的技術參數選擇之前，必須將整個裝置置于試驗狀態，并根據實際生產要求進行試驗。以重整器的參數設置為例：在測試過程中，必須先向設備中添加一定量的反應材料，然后對設備進行持續加熱。此時，工作人員必須仔細觀察再熔爐出口液態水的狀態，確定滿足物料加熱要求的最佳溫度，最后將再熔爐調整到相應的溫度[2]。應注意的是，液態水的體積很可能遠低于重整器入口處的水蒸汽量，此時參數的設置很可能與實際生產需求存在較大差距，這將導致生產過程中產生水錘，并將嚴重損害設備管道的質量。為了解決這個問題，需要調整平均流量，使設備的加熱水溫保持在合理的范圍內，然后根據測試數據調整設備的運行參數。

2.2 防腐處理

在化工生產過程中，經常會出現一些腐蝕性很強的化學品。此時，生產活動的風險系數將會增加，不僅會損壞化學設備，還會危及員工的人身安全。例如在乙烯裂解項目中，在原料連續加熱的過程中，設備上部結構的管道有損壞的風險，導致管道泄漏。通過對問題原因的深入分析，確定原因是管道中殘留了大量的硫化物質，對管道造成很大的侵蝕和損壞[3]。因此，工作人員可以合理調整裝置的排氣噴嘴和動力噴嘴，進行防腐管理，防止管道嚴重腐蝕，確保公司項目生產計劃的順利實施。

2.3 設備改造

鑒于不同的工業條件，需要對原有的化工設備進行合理更新，以進一步提高其適應性，避免給生產活動的正常發展帶來不便。例如煤油加氫的操作連接涉及使用高容量設備，在擴大設備容量的同時，還必須調整生產過程中使用的相應反應器，否則生產活動將無法得到支持。在化學反應過程中，除了添加標準量的原材料外，員工還應在反應容器中添加足量的化學添加劑，以確保生產質量。通過觀察研究發現，改造后的設備內部壓力發生了一定程度的變化，與過去相比有了很大提高[4]，其根本原因是原材料的分流效應低。隨著反應溫度的逐漸升高，大量原料在設備中積累，隨后發生結焦和碳化。在這種情況下，設備的安全性和適用性將大大降低，此時工作人員可以通過增加鎖定裝置，來提高設備的原材料轉移能力和適應性。

2.4 安全生產

安全一直是化工行業發展的永恒主題，采取科學合理的操作方式是保證生產任務順利完成的基礎。通過對以往案例的調查和分析可知，工藝方法或操作模式選擇不當是設備在運行過程中嚴重磨損和損壞的主要原因。在縮短化工設備使用壽命的同時，也給未來的生產活動帶來巨大的安全隱患。因此，在實施適應性工藝設計和先進化工設備的基礎上，還需要考慮人為因素和自然條件對整個化工生產過程的影響。例如化工技術人員在選擇生產工藝時，必須認真分析生產現場環境溫度、氣壓等外部因素對化工生產工藝可能產生的影響，選擇特性一致的化工設備，并相應改進工藝方案，確保化工生產安全。同時，要嚴格控制人為操作失誤造成的安全問題，可以通過制定標準化的技術標準和操作規程來限制員工，盡可能減少設備損壞，科學監督員工根據實際情況合理選擇化工工藝。

3 化工設備選材的重要性

首先，化工企業的工作流程不比其他企業，其工藝流程會接觸許多化工原料。化工原料多為金屬或化學制劑混合而成的混合料，其特點都具有極高的活躍性，很容易產生反應。在反應進行時，如設備選用原材料無法抵抗腐蝕，獲取表面材料和內部化學成分相互反應，都會使得內部化學制劑或有毒氣體溢出，對工作人員身心健康造成危害。此外，化學反應的進行通常需要經歷加熱、制冷、加壓等條件，因此在設備選擇時，需要對其耐熱性、防凍能力和耐壓等進行詳細檢測。化工產品的成分組成比例固定，一旦在升降溫過程中，使得設備損毀，其雜質進入化工產品中，會極大影響化工產品的質量。如若是生活用品的質量出現問題，會產生大量售后問題，嚴重時產品喪失效用，對消費者生命財產安全造成威脅，不僅會影響自身口碑，還會大量增加工程造價。最后，化工企業大型化工設備運作通常是靠電能供應或燃料燃燒的高位能，這些能源造價極高，若在加工過程中無法獲得足夠數量的成品或者質量不達標，就會使得化工企業整體負運轉。化工企業的經濟保障主要是依靠化工產品的質量和生產效率，一旦這些方面指標受到影響，整體都可能會出現虧損現象。

4 化工設備設計中材料影響因素

4.1 成本因素

化工企業因其特異性耗資巨大，在整個工藝流程實現時，需要依靠大量的化學原材料和添加劑及能源供應，因此整個化工生產過程造價極高。所以，要保證生產效率和成品質量，才能穩固投資額和利潤。其中，設備材料的正確選擇是有效保障化工產品質量的重要因素之一。正確選擇化工設備材料，才能確保在化學反應進行中不會出現原材料損耗或破壞，確保正常生產。

4.2 安全性因素

化工生產本身具備一定危險性，主要體現在化學原料本身危害性和化學反應副作用上。所以，在工作過程中，就要確保化學反應在密閉安全的地點和空間進行，同時確保不會有有害物質或氣體溢出。這就需要對反應設備進行完善，確保設備原料不會和內部化學反應相摻雜。同時，還要具有完善安全防護措施，選用正確的材料，確保應對各類突發狀況。

5 化工設備設計中材料的選擇分析

5.1 化工設備設計中金屬材料選擇的相關分析

首先，應合理選擇碳鋼金屬材料。在實際應用過程中，碳鋼是工程設計人員最常選用的金屬。碳鋼具有高穩定性、良好的機械和物理性能，適用于各種環境。碳鋼的生產工藝簡單，市場價格低廉，許多公司選擇碳鋼作為化工設備的主要材料。在設計過程中，設計師應充分發揮碳鋼材料的優勢，通過噴涂防腐涂料等方法，充分利用化工設備中的碳鋼材料。

其次，應合理選擇金屬材料的不銹鋼。在石油化工生產過程中，往往會產生大量強酸堿化合物，腐蝕性強，這對石油化工設備的產品質量和安全性提出了更高的要求[5]。在化工設備材料的設計和選擇中，盡可能選擇碳鋼。但對化學腐蝕性介質，如：酸、堿、鹽和其他介質，不銹鋼也具有一定的耐腐蝕性。不同等級不銹鋼的耐腐蝕性主要取決于其結構中所含的合金元素。因此，在選擇各種金屬材料的過程中，工作人員應該關注不銹鋼材料中合金元素的組分。

第三，應合理選擇金屬材料的有色金屬及其合金。由于信息技術和生產技術的發展，有色金屬在化學工業中的開發和使用也取得了很大進展。鈦可以與氧和氮形成致密的保護膜，具有很高的化學穩定性，并且在任何溫度的氣體中都具有很高的耐腐蝕性。鈦在高溫下對大多數酸高度穩定，但不耐氫氟酸。因此，在化工設備設計領域，通常使用以鈦為涂層材料，以碳鋼、低合金鋼和不銹鋼板為基材的復合板。在選擇鈦或鈦合金或鈦鋼復合板時，設計師應注意鈦材料的適用溫度范圍。

第四，我國大力提倡可持續發展，在發展經濟的同時注重保護環境。化工企業本身就具有一定污染性，在工藝加工后極易對周圍生態環境產生破壞。可回收材料在使用過程中可回收再利用，符合節能理念；清潔材料在實驗時不會釋放有毒氣體污染性物質，符合環保減排理念。

5.2 在化工設備設計中非金屬材料的選擇

玻璃和石墨分別是二氧化硅和碳結構，二者具有極明顯的惰性，不易和其他物質反應。首先，在眾多非金屬化工材料中，玻璃材料具有很高的熔點，經過特殊工藝加工的玻璃極耐高溫，同時結構堅韌具有足夠的韌性，這就使得玻璃材料在化工生產中能夠應對絕大部分化學反應所造成的影響。石墨材料，其根本是碳結構，本身結構堅固不易受到損壞，具有強的穩定性。

首先，合理選擇非金屬石墨材料。在選擇石墨材料時，設計者要關注石墨的內部性質，注意耐腐蝕性能的優化，石墨中有大量細小的氣泡孔，通常占石墨面積的1/4。通過浸漬和固化氣泡孔，可以形成具有強抗滲性的石墨。這種石墨材料可在溫度≤160 ℃、壓力≤0.5 MPa的環境中長期使用，其內部性能也能保持良好狀態。不少研究認為，即便是在鹽酸、稀硫酸等強酸性介質的腐蝕環境內，石墨材料的性能也比較好，且傳熱效率較高。對比碳鋼、其他金屬材料，其傳熱系數高出2倍之多。石墨換熱器在行業內也獲得了廣泛使用，但是石墨內部拉滲性能、塑性較低，因此在設計期間，需要注意這一問題的解決。

其次，應合理選擇非金屬材料玻璃鋼。FRP增強塑料(簡稱“FRP”)是一種應用廣泛的復合材料，具有很強的耐腐蝕性。在化工設備的設計中，它常被用作儲存高腐蝕性介質的儲罐，如：酸、堿、鹽等一般濃縮介質。同時，玻璃鋼具有密度低、導熱系數低、可設計性強等優點，廣泛應用于工業領域。然而，FRP材料有一個缺點即沒有很好的耐高溫性，FRP材料的溫度必須保持在60 ℃以內。因此，在使用化工設備時，設計者應特別注意區域環境溫度，并做出科學合理的選擇。同時，設計師必須選擇合適的樹脂基體聚合形成的FRP，以確保FRP的耐腐蝕性。

5.3 在化工設備設計中襯里材料的選擇

襯里材料具有保護金屬或其他基體免受各種介質侵蝕的能力，耐受酸、堿、無機鹽及多種有機物的腐蝕，并有良好的彈性、耐磨性、抗沖擊性、滲水性小、透氣性良好及金屬和其他基體的粘合性能，被廣泛應用到化工設備中，如：攪拌釜、儲罐、熱交換器、塔器等。近年來，國內外不斷開發各種新型襯里材料，其中較為突出的是新型高分子防腐襯里材料，具有優異的耐蝕性和熱穩定性等優點。因襯里材料不同分別有：襯不銹鋼設備、襯(搪)鉛設備、襯橡膠設備、襯耐酸板，磚(或鑄石板)設備、襯塑料設備、噴鋁設備、搪玻璃設備等。化工設備在實際生產中，涉及介質眾多繁雜，這就要求化工設備具有良好的防腐性能。根據設備材料、使用介質、環境因素等選擇合理的襯里材料，采用優良的施工工藝，是防止設備腐蝕，延長設備使用壽命，降低成本的重要措施[6]。

6 化工設備設計中材料的應用

6.1 碳鋼材料的應用

碳鋼材料的種類相對豐富。在選擇材料時，設計師不僅要考慮碳鋼的耐高溫性，還要考慮其力學性能，以確保材料能發揮良好的作用。碳鋼適用于在常壓和常溫下制造薄壁容器的高性能結構材料，具有優異的塑性、韌性和加工工藝。但是，如果在壓力容器的設計中使用碳鋼材料，則應嚴格按照相關標準進行，按照GB/T 150.2—2011 《壓力容器》附錄D《Q235系列鋼板的使用規定》開展。合金鋼是在添加合金元素的基礎上發展起來的優質碳素鋼，其綜合性能得到了極大提高。在選擇時，工程設計部門必須充分考慮合金元素對鋼材特性的影響，并結合工藝生產要求選擇合適的合金鋼。目前，中國化工企業大型化工廠使用的材料主要是碳鋼和低合金鋼。在硫酸工業中，碳鋼廣泛應用于80%～100%濃度范圍和60～80 ℃溫度范圍內的硫酸儲罐和管道中[7]。但是，當硫酸流速過高時，應選擇其他材料。當儲存無水氣體氨和液氨時，碳鋼作為儲存設備材料也具有良好的耐腐蝕性。

6.2 不銹鋼材料的應用

不銹鋼有多種類型和強度，它不僅是一種耐腐蝕材料，也是一種耐磨材料，它既可用作低溫材料，也可用作高溫材料。然而，在非高溫環境中，不銹鋼的耐腐蝕性可以得到更好的發展。設計人員在化工容器設計過程中選用不銹鋼材料，必須充分考慮不銹鋼的化學成分，確保選用的不銹鋼材料在厚度、性能等方面能滿足使用要求[8]。不銹鋼耐酸鋼對一般酸、堿等介質具有良好的耐腐蝕性，但對還原酸如：鹽酸、稀硫酸等介質，其耐腐蝕性與碳鋼的耐腐蝕性差別不大，氯離子的應力腐蝕遠低于碳鋼。因此，工程設計部門應結合現場條件選擇合適的材料，避免浪費。在實際生產過程中，奧氏體不銹鋼因其良好的硬度和塑性結合而得到廣泛應用，其焊接性能優于其他金相不銹鋼。設備設計過程中通常使用S30408、S30403不銹鋼和S31608、S31603不銹鋼。

6.3 材料應用應注意的防腐措施

首先，在設計化工設備的材料選擇時，一些設計師往往只考慮酸、堿等強腐蝕性介質，而忽略了水、大氣等常見介質的腐蝕風險[9]。奧氏體不銹鋼在含有極少量氯化離子的環境空氣中，也會發生應力腐蝕。其次，一些設計師沒有準確考慮設備結構對腐蝕的影響。由此在設計中，應盡可能減少結構空間，在不可避免的關鍵部位，應通過添加緩蝕劑來填充和保護空間，同時設備的設計必須避免死角等結構缺陷。

7 結語

綜上所述，在化工設備的設計中，材料的選擇是非常重要的，它直接關系到化工設備的質量。技術人員和工程設計人員應根據化工設備使用的材料進行具體分析和研究，并根據材料的特性和化工設備的生產條件，合理選擇材料，從而在實際應用過程中充分發揮其優勢和特點，合理保證化工設備的產品質量，延長化工設備的使用壽命，對促進石化行業的健康發展具有十分積極的意義。