化工管道設(shè)計(jì)中材料的選用分析

摘 要：在化工管道設(shè)計(jì)中，材料選擇是極為重要的一環(huán)節(jié)，直接影響到管道作用的發(fā)揮及化工生產(chǎn)的安全性。因此，對(duì)化工管道設(shè)計(jì)中材料的選用分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。而在實(shí)際中，化工生產(chǎn)由于涉及到的介質(zhì)性質(zhì)與物料壓力不同，對(duì)管道材料的要求也不同，這就要求設(shè)計(jì)人員能綜合考慮多方面因素，選擇最佳性價(jià)比的管材。文章在闡述化工設(shè)計(jì)中管道材料重要性及材料選用原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同化學(xué)介質(zhì)的特征，對(duì)化工管道材料的選用作出了詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：化工管道材質(zhì)；化工介質(zhì)；材料選用

1 管道材料在化工設(shè)計(jì)中的重要性

化工產(chǎn)品由于其特殊性，在生產(chǎn)過程中，一旦出現(xiàn)任何失誤，都極有可能造成泄漏或腐蝕狀況的發(fā)生，威脅到化工生產(chǎn)人員的人身安全。因此，為了確?；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)過程中的安全性，還需注重對(duì)化工管道設(shè)計(jì)中材料的選用?；す艿涝O(shè)計(jì)中材料的選擇，需要根據(jù)不同化工產(chǎn)品的具體特性，結(jié)合不同管道材料的耐腐蝕性、抗壓力、設(shè)計(jì)溫度等，選擇最為適宜的材料，以保證化工設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期質(zhì)量。

2 選擇管道材料的基本原則

（1）化工材料的選擇應(yīng)遵循化工生產(chǎn)管道設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定。（2）管道選擇需要以生產(chǎn)運(yùn)輸化學(xué)產(chǎn)品的特性作為主要依據(jù)，不同特性的化工產(chǎn)品生產(chǎn)，需選用的管道材料也不同。如易燃易爆化學(xué)產(chǎn)品則需避免使用塑料材料設(shè)計(jì)管道，而具備較強(qiáng)腐蝕性的化學(xué)產(chǎn)品則不可使用碳鋼材質(zhì)的材料。（3）管道材料不僅要考慮到化學(xué)生產(chǎn)的不同特性，還要注意管道的抗壓力、抗沖擊力以及抗溫性等，在綜合考量的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇。如，在溫度較低的情況下，應(yīng)避免選擇鋁鎳合金鋼、不銹鋼等材料。

3 化工設(shè)計(jì)中的管道材料選用的分析

3.1 耐熱管材的選用

耐熱性管道材料通常是指具備較強(qiáng)抗高溫性、抗熱沖擊性的材料。并且，為確?；ぎa(chǎn)品生產(chǎn)過程的安全，這些材料也擁有較高的抗腐蝕性、耐氧化性等功能。高溫鋼管作為化工生產(chǎn)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)闹匾緩?，其抗氧化性能有效防止化學(xué)物質(zhì)運(yùn)輸過程中，有毒有害氣體或液體的滲漏，有效提升了化工生產(chǎn)的安全性?，F(xiàn)階段，在化工生產(chǎn)管道抗氧化方面，所采用的碳素鋼管往往會(huì)形成一層氧化膜覆蓋于其表面，以增強(qiáng)其抗氧化功效。在這個(gè)過程中，可將一些金屬元素，如鉻元素、鋁元素、硅元素等合理添進(jìn)鋼管內(nèi)。鉻元素相比于鐵元素，氧化時(shí)間更短，因而能形成以氧化膜覆蓋于金屬表面，有效隔絕了深層次氧化作用的形成。此外，鉬元素與鉻元素添入管道內(nèi)，還能形成鉻-鉬合金，其在抗氧化方面具備較為顯著的功效，適用于石油化工生產(chǎn)中的管道設(shè)計(jì)。

3.2 低溫管材的選用

對(duì)于化工管道設(shè)計(jì)中材料的選擇，還需考慮到溫度問題，在-20℃至-196℃的低溫環(huán)境下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際溫度差異選擇較合適的材質(zhì)。如，溫度在-20℃至-40℃時(shí)，則不可使用碳素鋼管材料；溫度在-40℃至-70℃時(shí)，則不能選擇低合金鋼管材料；溫度低于-70℃時(shí)，便不能選擇合金鋼管材。通常而言，當(dāng)溫度下降至0℃以下時(shí)，鐵素鋼管的韌性為大幅度降低，而脆性而會(huì)相應(yīng)提升。因此，為保證化學(xué)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)陌踩?，必須考慮到管道材料的耐低溫性能。

3.3 高溫管材的選用

一些化工產(chǎn)品的生產(chǎn)是處在高溫狀態(tài)下，因而其運(yùn)輸管道也需具備較強(qiáng)的抗高溫性。而在化工管道設(shè)計(jì)中，對(duì)高溫材料的選擇，需要考慮到以下方面：（1）不同溫度下，管道材料的屈服強(qiáng)度所呈現(xiàn)出的反比例變化及塑性的正比例變化；（2）隨時(shí)間推移而出現(xiàn)的管道材質(zhì)力學(xué)性及荷載強(qiáng)度可能產(chǎn)生的變化；（3）不同溫度條件下，管道材料的抗拉強(qiáng)度大小變化；（4）溫度變化而引起的管道材料的腐蝕性變化。

在化工生產(chǎn)過程中，當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)，即為高溫環(huán)境。在此情況下，管道材料不可避免會(huì)受到一定程度的腐蝕。因此，在其高溫環(huán)境下的管道材料選擇中，還應(yīng)對(duì)材料的耐腐蝕性提出一定要求。通常情況下，高溫管材也存在一定的高溫極限，如碳素鋼，但其承受溫度超出425℃左右時(shí)，極有可能會(huì)出現(xiàn)碳素鋼的石墨化狀況，因而必須添入適量的合金元素，以防止這種狀況的發(fā)生，并增強(qiáng)碳鋼素財(cái)材料的穩(wěn)定性。同時(shí)，也可選擇鋁元素鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼等，以更好地提升化工管道使用的安全性能。

3.4 特殊介質(zhì)管材的選用

（1）塑料襯里材料的選用。在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中，要確?；瘜W(xué)物質(zhì)運(yùn)輸管道的塑料襯里的使用溫度不高于120℃。在其襯里材料的選擇上，主要為聚四氟、聚丙烯等。相關(guān)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行材料選擇時(shí)，還需將其應(yīng)用環(huán)境納入考慮范疇，避免將其使用于苯溶解介質(zhì)中。

（2）苛性鈉堿液管材的選用。對(duì)苛性鈉堿液管材的選擇，需要考慮到腐蝕介質(zhì)與拉應(yīng)力共同作用對(duì)其產(chǎn)生的不利影響，一旦管道材料選擇不當(dāng)，則極有可能會(huì)出現(xiàn)管道的破裂狀況。因此，為保證化工生產(chǎn)的安全，必須將氫氧化鈉的濃度及溫度控制在合理范圍內(nèi)。

（3）硫酸管材的選用。化工生產(chǎn)中的硫酸類化學(xué)產(chǎn)品因具備較強(qiáng)的腐蝕性，必須選擇抗腐蝕性較強(qiáng)的運(yùn)輸管道?？傮w而言，當(dāng)硫酸濃度在95%～98%時(shí)，應(yīng)盡可能將管道溫度保持在20°左右、壓力控制在1.6Pa左右。同時(shí)，管材的腐蝕裕量需為1.5。在硫酸物質(zhì)的輸送過程中，硫酸亞鐵保護(hù)膜直接決定了其碳鋼管材抗腐蝕性的強(qiáng)弱。因此，為了確保保護(hù)膜的完整、不被破壞，需將其所運(yùn)輸硫酸的流速掌握在合理范圍內(nèi)。同時(shí)，對(duì)于不同溫度條件下的硫酸運(yùn)輸，所選用的管道材料型號(hào)也不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。

（4）氧氣管材的選用。在氧氣類化學(xué)生產(chǎn)中管道材料的選擇上，通常以不銹鋼、碳鋼為首選管材。并且，這類管道的設(shè)計(jì)，主要考慮因素為兩點(diǎn)，即溫度與壓力。因氧氣屬于助燃?xì)怏w，當(dāng)與其他氣體混合后，一旦在運(yùn)輸過程中受到外力沖擊，極易引發(fā)爆炸事故，所以在對(duì)氧氣運(yùn)輸管道的設(shè)計(jì)上，大多數(shù)為GC2類型。同時(shí)，爆炸事故的發(fā)生，情況嚴(yán)重的可能會(huì)造成化工生產(chǎn)的停產(chǎn)。因此，氧氣管材選用必須慎重，既要考慮到氧氣的強(qiáng)壓?jiǎn)栴}，也要考慮到其流速問題。當(dāng)氧氣的壓強(qiáng)在0.33pa～0.55pa時(shí)，則管道材料應(yīng)為碳鋼管。而在氧氣壓強(qiáng)過高時(shí)，則需選用不銹鋼管道。其中，為最大限度降低氧氣輸送中存在的安全隱患，應(yīng)避免使用褶皺彎頭來(lái)制作管道，并確保管道直徑與外徑的比例大于4：1，而管道的長(zhǎng)度需>2m，并選擇大半徑彎頭的管件，將彎頭半徑與管道外徑的比例控制在6：1以上，實(shí)施無(wú)縫焊接的工藝，完成運(yùn)輸管徑之間的焊接。此外，還需注重對(duì)氧氣運(yùn)輸管道閥門材料的選擇，根據(jù)其運(yùn)輸中的真實(shí)壓強(qiáng)狀況及具體因素，將不銹鋼材料作為閥門材料的首選。

（5）鹽酸管材的選用。在化學(xué)生產(chǎn)中，對(duì)于鹽酸管道設(shè)計(jì)中材料的選擇，必須考慮到鹽酸的腐蝕性特點(diǎn)。當(dāng)鹽酸濃度為15%～30%時(shí)，應(yīng)選擇抗腐蝕性較強(qiáng)的聚丙烯材料。聚丙烯材料相比于其他管材，在復(fù)雜的溫度及大壓強(qiáng)下，仍然能表現(xiàn)較強(qiáng)的耐腐蝕性，能有效應(yīng)對(duì)鹽酸運(yùn)輸中形成的復(fù)雜環(huán)境。同時(shí)，由于聚丙烯材料在管道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，導(dǎo)入率較低，因而具備較高的保溫性。此外，聚丙烯材料在管道中的應(yīng)用，擁有較高的熔口強(qiáng)度，能有效防止管道斷裂，提升化工生產(chǎn)的安全性。相比于其他管材，聚丙烯管道具備質(zhì)量輕、密度小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，投入使用極為便捷，并且使用期限較長(zhǎng)。但同樣，聚丙烯管材也存在一些不可避免的缺點(diǎn)，如老化現(xiàn)象出現(xiàn)頻繁，易受自然氣候的影響，特別是在降雪、降水或風(fēng)力等惡劣天氣下，聚丙烯管道的使用質(zhì)量便會(huì)大打折扣。

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作者簡(jiǎn)介：姜澄（1982，2-），男，漢族，江蘇省姜堰市，大專，研究方向：化工工藝設(shè)計(jì)。

劉迅升（1987，5-），男，漢族，江蘇省海安縣，助理工程師，本科，研究方向：化工工藝設(shè)計(jì)。