化工管道設(shè)計及材料等級選用探討

段志剛 劉玉德

(1.山東潤昌工程設(shè)計有限公司江西分公司，江西 南昌 330025；2.江西省化學(xué)工業(yè)設(shè)計院，江西 南昌 330002)

一般情況下，一個化工生產(chǎn)裝置中涉及的管道材料等級比較復(fù)雜，很少化工廠只用到單一管道材質(zhì)的。由于不同物料的壓力和介質(zhì)性質(zhì)不同，我們得根據(jù)輸送物料的介質(zhì)和壓力選擇相應(yīng)等級的管道材質(zhì)等級。設(shè)計人員在如此眾多的管材中，必須選擇合理的管道材質(zhì)等級，避免選擇不當，造成生產(chǎn)安全事故，或者選擇等級過高，增加工程投資額。

1 工業(yè)管道的基本材質(zhì)類型

管道材料等級是根據(jù)設(shè)計溫度、壓力、和輸送介質(zhì)的要求，及材料的性能和經(jīng)濟合理性確定的。

1.1 根據(jù)管道基本材質(zhì)分類

根據(jù)管道材料等級中采用的基本材質(zhì)分類有鑄鐵(A)、碳鋼(B)、普通低合金鋼(C)、合金鋼(D)、不銹鋼(E)、有色金屬鋼(G)、非金屬(G)、襯里鋼管(H)。

1.2 根據(jù)管道公稱壓力等級及代號分類

常用的有(Mpa)1.0(L)、1.6(M)、2.5(N)、4.0(P)。管道在介質(zhì)壓力作用下，應(yīng)滿足以下主要要求：

①管道應(yīng)具有足夠的機械強度，所用管材和管路附件，以及接頭構(gòu)造，在所工作的介質(zhì)壓力作用下均須安全可靠。尤其是高壓管道，會產(chǎn)生振動。所以高壓管道還必須處理好防震加固問題。

②具有可靠的密封性，保證管道和管路附件以及連接接頭在介質(zhì)壓力作用下嚴密不漏，這就必須正確地選擇連接方法和密封材料，合理地進行施工安裝。

工業(yè)管道通常按照介質(zhì)的壓力、溫度、性質(zhì)分類，亦可按管道材質(zhì)、溫度和壓力分類。

2 輸送不同介質(zhì)的管道，其最低管道材料等級規(guī)定如下：

a)輸送可燃、有毒物質(zhì)的管道為1.6MPa，設(shè)計溫度Td>200℃時為2.5MPa。

b)輸送液化石油氣的管道為2.5Mpa。

c)輸送氨氣或者液氨的管道為2.5Mpa。

d)輸送氫氣的管道為2.5Mpa。

e)輸送劇毒物質(zhì)的管道為2.5Mpa。

3 管道的種類和材質(zhì)選用規(guī)定如下：

a)油品、油氣、蒸汽、添加和化學(xué)藥劑等管道，DN≤500時應(yīng)選用無縫鋼管；DN>時可選用鋼板卷管。

b)設(shè)計溫度Td≤100℃，設(shè)計壓力Pd≤1.0Mpa，DN≥350的水、空氣管道可選用螺旋埋弧焊鋼管，材質(zhì)可選用Q235-B。

c)材質(zhì)為15CrMo、1Cr5Mo合金鋼管道的鋼管標準應(yīng)該為GB9948。

d)材質(zhì)為不銹鋼的鋼管標準為GB/T 14976。

e)中壓蒸汽和凝結(jié)水管道選用20G材質(zhì)，鋼管標準為GB5310。

4 幾種化工企業(yè)常用化工介質(zhì)管道材質(zhì)的選用

在化工行業(yè)中，腐蝕就是化工設(shè)備的天敵，輕則損壞設(shè)備，重則造成事故甚至引發(fā)災(zāi)難。大部分化工設(shè)備的破壞是由于腐蝕引起的，因此對于腐蝕性的化工介質(zhì)的選材就尤為重要了。下面針對幾種常見化工介質(zhì)簡述其選材要點：

a)硫酸

硫酸是作為強腐蝕介質(zhì)之一，用途非常廣泛的重要工業(yè)原料。不同濃度和溫度的硫酸對材料的腐蝕差別很大，對于濃度高于80%以上、溫度不超過80℃的濃硫酸，碳鋼和鑄鐵有較好的耐蝕性，但它不適合高速流動的硫酸；即使普通不銹鋼如304、316對硫酸介質(zhì)也用途有限。而今年來在化工行業(yè)廣泛應(yīng)用的氟塑料具有很好的耐硫酸性能，采用襯氟管道是目前化工企業(yè)一種更為經(jīng)濟的選擇。

b)醋酸

醋酸雖然說是弱酸，但它是有機酸中腐蝕性最強的物質(zhì)之一，普通鋼鐵在一切濃度和溫度的醋酸中都會嚴重腐蝕，不銹鋼是優(yōu)良的耐醋酸材料，含鉬的316不銹鋼還能適用于高溫和稀醋酸蒸汽。對于高溫高濃醋酸或含有其它腐蝕介質(zhì)等苛刻要求時，可選用高合金不銹鋼閥門或氟塑料閥門。

c)鹽酸

大多數(shù)金屬材料都不耐鹽酸腐蝕(包括各種不銹鋼材料)，含鉬高硅鐵也僅可用于50℃、30%以下鹽酸。而絕大多數(shù)非金屬材料對鹽酸都有良好的耐腐蝕性，所以內(nèi)襯橡膠管道和塑料管道(如聚丙烯、氟塑料等)是輸送鹽酸的最好選擇。

d)硝酸

一般大多數(shù)金屬在硝酸中被迅速腐蝕破壞，不銹鋼是應(yīng)用最廣的耐硝酸材料，對常溫下一切濃度的硝酸都有良好的耐蝕性，值得注意的是含鉬的不銹鋼(如316、316L)對硝酸的耐蝕性甚至還不如普通不銹鋼(如304、321)。而對于高溫硝酸，通常采用鈦及鈦合金材料。

5 常見幾種復(fù)合管道材質(zhì)的應(yīng)用

a)ETFE又俗稱為聚氟乙烯

聚四氟乙烯是用于密封的氟塑料之一。聚四氟乙烯以碳原子為骨架，氟原子對稱而均勻地分布在它的周圍，構(gòu)成嚴密的屏障，使它具有非常寶貴的綜合物理機械性能。聚四氟乙烯對強酸、強堿、強氧化劑有很高的抗蝕性，即使溫度較高，也不會發(fā)生作用，其耐腐蝕性能甚至超過玻璃、陶瓷、不銹鋼以至金、鉑，所以，素有“塑料王”之稱。除某些芳烴化合物能使聚四氟乙烯有輕微的溶脹外，對酮類、醇類等有機溶劑均有耐蝕性。只有熔融態(tài)的堿金屬及元素氟等在高溫下才能對它起作用。襯氟管道是目前化工行業(yè)應(yīng)對腐蝕性物質(zhì)首選的材質(zhì)。

b)陶瓷管道

陶瓷管道也是化工非金屬防腐蝕材料之一，具有以下特點：(1)它的主要原材料是粘土，粘上在我國到處都有，蘊藏量極其豐富，最便于遍地開花，土法上馬。(2)具有突出的耐腐蝕性能。除了氫氟酸外，可以耐各種濃度的任何無機酸和有機介質(zhì)。(3)它的制造簡便，成本低廉，可以成型各種規(guī)格各種類型。陶瓷管道有四種類型：離心澆鑄復(fù)合陶瓷管道，貼片耐磨陶瓷管道，點焊裝卡式耐磨陶瓷管道，一體成型耐磨陶瓷管道。其中一體成型耐磨陶瓷管道，全稱陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管，因其充分發(fā)揮了鋼管強度高、韌性好、耐沖擊、焊接性能好以及剛玉瓷高硬度、高耐磨、耐蝕、耐熱性好，克服了鋼管硬度低、耐磨性差以及陶瓷韌性差的特點。因此，復(fù)合管具有良好的耐磨、耐熱、耐蝕及抗機械沖擊與熱沖擊、可焊性好等綜合性能。是輸送顆粒物料、磨削、腐蝕性介質(zhì)等理想的耐磨、耐蝕管道。

由于該管具有耐磨、耐蝕、耐熱性能，因此可廣泛應(yīng)用于電力、冶金、礦山、煤炭、化工等行業(yè)作為輸送砂、石、煤粉、灰渣、鋁液等磨削性顆粒物料和腐蝕性介質(zhì)，是一種理想的耐磨蝕管道。

c)其他復(fù)合管道

鋼橡復(fù)合管是以普通鋼管為骨架，以橡膠為襯里層，經(jīng)特殊工藝復(fù)合而成；稀土合金耐磨管綜合性能好、耐磨性高、工藝先進、性能穩(wěn)定，該材料廣泛應(yīng)用于電廠鍋爐磨煤系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、排渣除灰系統(tǒng)；冶金行業(yè)尾渣輸送；礦山行業(yè)洗煤管道、溜槽等；雙金屬耐磨管道，它以鋼管為基體，內(nèi)襯超強耐磨合金材料，通過離心澆鑄，形成牢固的冶金結(jié)合體。彎管采用真空消失模澆鑄工藝，合金中一定含量的Ni、Cr、稀土提高了雙金屬耐磨管的耐溫、耐腐蝕性能，能在-40℃一800℃范圍內(nèi)長期進行運行。

6 結(jié)論

在化工管道設(shè)計中，通過介質(zhì)特性來選擇管道材質(zhì)和等級，常規(guī)的管材選擇要清楚，特殊的管材要明白。作為設(shè)計人員來說每面對一個項目，首先就要弄清楚物料性質(zhì)，工藝操作參數(shù)。尤其是對一些有毒、易燃易爆、有腐蝕性的化工介質(zhì)，尤其注意。與化工管道配套的閥門、法蘭、墊片等也得重視選型。

[1]GB50316-2000工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中華人民共和國化學(xué)工業(yè)部，中國計劃出版社，2008.7.

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[2]宋岢岢，壓力管道設(shè)計及工程實例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.7.

[3]袁璇，張秋生.氯堿生產(chǎn)裝置工藝外管架的設(shè)計[J].南昌：江西化工，2012.9.