化工設(shè)備設(shè)計中材料的選擇與應(yīng)用

池海

（中石油吉林化工工程有限公司，吉林 吉林 132001）

在化工生產(chǎn)中，設(shè)備的性能決定著生產(chǎn)制造質(zhì)量以及生產(chǎn)運行效率。而在設(shè)備設(shè)計中，材料的選擇與應(yīng)用又是最關(guān)鍵的一環(huán)，只有設(shè)備原材料符合相應(yīng)質(zhì)量標準，滿足生產(chǎn)經(jīng)濟性、安全性、節(jié)能性要求，才能推動我國化工生產(chǎn)的快速前行。

1 化工設(shè)備設(shè)計中，做好材料選擇的重要性所在

化工生產(chǎn)具有一定的危險性，高溫、高壓、有毒、有害、易燃易爆炸是其最主要的行業(yè)特定。在該項生產(chǎn)中，化工設(shè)備設(shè)計是其中最核心的一環(huán)，決定著設(shè)備使用壽命，以及生產(chǎn)作業(yè)的安全穩(wěn)定性。在設(shè)備設(shè)計中，材料是設(shè)備的基礎(chǔ)，要求設(shè)計人員科學(xué)選擇設(shè)備材料，以滿足化工生產(chǎn)的環(huán)保節(jié)能、安全低耗要求。在設(shè)備材料選擇中，設(shè)計者需根據(jù)作業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)要求，選擇最具經(jīng)濟性和環(huán)保性的化工材料。

2 化工設(shè)備中如何科學(xué)選擇材料

2.1 有關(guān)金屬材料的選擇

（1）碳鋼類型。碳鋼類型的材料在我國產(chǎn)量極高，為節(jié)省化工設(shè)備制造的成本，可以適當(dāng)添加多的碳鋼材料。而且相比其他類型的材料，碳鋼具有較強的抗腐蝕性，其適用于酸堿濃度低，且不與碳鋼發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的溶液存儲。比如，針對低濃度的硫酸、苛性鈉溶液，可以選擇碳鋼材料完成溶液的存放和導(dǎo)流。再者，碳鋼類型材料有時也被應(yīng)用在具有高腐蝕性的區(qū)域，此時，應(yīng)對其展開防腐處理，常用手段為噴涂防腐蝕層、襯里防腐。具體來說，當(dāng)材料厚度大于12毫米時，在襯里防腐處理中，宜選擇襯鈦或襯不銹鋼，這里為縮減成本投入，要求適當(dāng)減少設(shè)備基底材料的用量。

（2）不銹鋼類型。化工生產(chǎn)階段，經(jīng)常遇到腐蝕性極強的酸堿鹽類物質(zhì)產(chǎn)出，會對金屬類型的設(shè)備產(chǎn)生極大的腐蝕作用。如果在強腐蝕性區(qū)域選擇碳鋼類型材料，則會使用防腐層來抵抗腐蝕，而這會加大成本投入，且部分防腐層經(jīng)過長時間的使用，同樣會遭到破壞，此時，對于這類高腐蝕區(qū)域，設(shè)備采用不銹鋼材料。又因為化工設(shè)備大多利用焊接工藝完成各材料間的連接，因此，在使用不銹鋼材料時，還要注意其焊接性能。這里奧氏體在該方面性能突出，在化工設(shè)備中應(yīng)用頻率極高。具體類型有304 不銹鋼、321 不銹鋼以及316L 不銹鋼。

（3）其余金屬類型。由于化工生產(chǎn)具有高溫高壓特征，因此，同樣要求設(shè)備材料具有強的耐高溫和高壓特性，且反應(yīng)物對金屬材料具有一定的腐蝕性，工作人員在材料選擇中，均應(yīng)結(jié)合上述因素實行綜合考量，選擇最合適的金屬材料參與生產(chǎn)加工。具體來說，設(shè)計人員在確定設(shè)備材料時，要參照化工設(shè)備相關(guān)區(qū)域的反應(yīng)物和反應(yīng)條件配置材料。例如，天然氣制氫設(shè)備中，含有廢熱鍋爐和中溫變換爐設(shè)備，這兩種設(shè)備的運行溫度能夠達到300℃，同時，在運行時，含有多種腐蝕性材料，因此，設(shè)計人員通常選用鎳基合金進行設(shè)備的設(shè)計和制造，尤其是對于合金15CrMoR 來說，該種材料具有極強的耐高溫、高壓和抗腐蝕性能，適用于上述設(shè)備。

2.2 有關(guān)非金屬材料的應(yīng)用

（1）石墨材料。在有機非金屬材料中，石墨具有比較理想的抗腐蝕和傳熱性能，該類型材料較為適合應(yīng)用在化工設(shè)備的內(nèi)里，以抵抗化工生產(chǎn)加工中各類高腐蝕性原材料對設(shè)備的損壞，如圖2 所示。有關(guān)石墨材料的具體選擇環(huán)節(jié)，設(shè)計人員需先對石墨材料實施科學(xué)處理，可以利用樹脂完成石墨的浸泡，該操作步驟是為讓石墨具有不透性。經(jīng)過上述處理的石墨材料廣泛應(yīng)用在高溫低于160℃和壓力低于0.5MPa 的生產(chǎn)條件中。該類型材料不僅具有理想的耐高溫高壓能力，對于化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的稀硫酸、氫氟酸和鹽酸等具有腐蝕性的溶液，石墨材料同樣能夠承受該類溶液的腐蝕，延長了化工設(shè)備的使用壽命。又由于石墨材料還具有理想的熱傳導(dǎo)性能，在生產(chǎn)加工中，也可以將其用于設(shè)備中的傳熱結(jié)構(gòu)。

上面總結(jié)概述了石墨材料的應(yīng)用優(yōu)勢，但同時也具有一定的劣勢。比如，石墨材料在延展性、塑性方面不具備較高性能。設(shè)計人員在化工設(shè)備應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實際情況，適當(dāng)應(yīng)用該類型材料，可以對其展開一定的優(yōu)化處理，比如，可以在石墨材料的外表面加覆一層碳鋼膜，該操作有利于保護石墨材料，以免發(fā)生較大程度的損壞，加強設(shè)備的使用性能。

（2）搪瓷材料。因為搪瓷材料在抗腐蝕性方面具有較大的優(yōu)勢，所以利用該優(yōu)勢，將其應(yīng)用在化工設(shè)備的設(shè)計中，具有極高的應(yīng)用價值。在當(dāng)前的化工設(shè)備設(shè)計和建造過程中，通常會將這種材料覆蓋在碳鋼表面，原因在于，通常情況下，碳鋼的抗腐蝕能力較差，很多化工原材料以及產(chǎn)物都會對碳鋼結(jié)構(gòu)造成損壞，同時，搪瓷材料質(zhì)地堅硬，延展性較低，在只應(yīng)用搪瓷材料時，設(shè)備的力學(xué)性能不能滿足設(shè)計要求。而將這兩種材料進行結(jié)合，能夠在滿足設(shè)備力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，提升設(shè)備的耐腐蝕性能。

不過，搪瓷材料也具有一定的劣勢。該類材料屬于非金屬類型材料，在力學(xué)性能方面具有較大的劣勢，而且抗撞擊能力也相對較弱，這些性能方面的不足也會限制該類型材料的使用。在設(shè)計中，設(shè)計人員不可將其應(yīng)用在經(jīng)常與其他金屬設(shè)備有撞擊動作的生產(chǎn)中。不僅如此，在搪瓷材料的具體應(yīng)用中，當(dāng)生產(chǎn)溫度極速升高時，材料極易發(fā)生脫落，此時，出于對搪瓷材料密封性的考量，在設(shè)備的端口結(jié)構(gòu)應(yīng)用搪瓷材料時，規(guī)定設(shè)備內(nèi)壓強不得高于1.0MPa。

（3）玻璃鋼和塑料材料。玻璃鋼和塑料材料的抗腐蝕系數(shù)極高，憑借該項優(yōu)勢，化工設(shè)備中，經(jīng)常使用該類型材料，尤其是有關(guān)強腐蝕性材料達到存放。玻璃鋼的密度值較小，也就是說，相同體積的材料設(shè)備，玻璃鋼制設(shè)備擁有更輕的質(zhì)量，而且玻璃鋼能夠很好地應(yīng)對空氣、水和高腐蝕性的條件，因此，在化工設(shè)備制造中，經(jīng)常選擇玻璃鋼用在通風(fēng)管道、鹽酸儲罐等設(shè)施中。對于各類高分子塑料材料，由于有很高的抗腐蝕性，所以，可被用于存儲各類腐蝕性原材料。

除上式材料的優(yōu)勢特性外，這兩類材料也具有一定的不足，如在高溫環(huán)境下，不利于這兩類材料的使用。尤其是玻璃鋼和硬聚氯乙烯，這兩類材料的耐高溫性能極差，其工作溫度通常低于60℃，其他高分子塑料，工作溫度不得高于100℃。對此，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H溫度，科學(xué)安排材料的使用。

3 化工設(shè)備設(shè)計階段有關(guān)材料應(yīng)用的注意事項

3.1 注重成本投入的把控

化工設(shè)備生產(chǎn)中，成本投入是工作人員需要考慮的核心內(nèi)容。要求工作人員全面檢測生產(chǎn)環(huán)境，判斷環(huán)境對化工設(shè)備的影響程度。及時發(fā)現(xiàn)不利于設(shè)備運轉(zhuǎn)的有害因素，防止設(shè)備遭到損害。通常情況下，企業(yè)要投入極高的資金用在化工設(shè)備的購進方面，而生產(chǎn)中對設(shè)備的損害也會消耗較大的資金。對此，企業(yè)必須做好設(shè)備損害的預(yù)測工作，將可能發(fā)生的資金損耗算入投資成本中，隨后預(yù)算生產(chǎn)效益，進行收益與投入的對比，若二者持平或收益低于成本，則企業(yè)應(yīng)在生產(chǎn)環(huán)境方面做好完善工作，以免其對設(shè)備產(chǎn)生損害。

3.2 注重生產(chǎn)環(huán)境

由于不同化工設(shè)備的設(shè)計材料有所不同，其對于各類環(huán)境的耐受力也不一樣。在具體使用化工設(shè)備中，需對生產(chǎn)環(huán)境展開檢測與分析，如環(huán)境中氣體的活性、是否存在腐蝕性、溫度等。工作人員要參照生產(chǎn)環(huán)境的不同，合理選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)備完成操作，這樣不僅能夠規(guī)避環(huán)境因素對設(shè)備造成的損害，還可以有效提高生產(chǎn)效率，增大化工生產(chǎn)的安全系數(shù)，進而創(chuàng)造理想收益。

3.3 注重設(shè)計工藝

為使設(shè)備達到最佳性能，在具體設(shè)計中，要嚴格遵守效果設(shè)計工藝，避免由于工藝的差錯而影響設(shè)備價值。一是平衡好材料的價格和設(shè)備的性價比之間的關(guān)系，不可為追求設(shè)備的高性能，如抗腐蝕性和耐高溫，而一味使用非常昂貴的設(shè)計材料。二是在化工設(shè)備的設(shè)計階段，工作人員必須參照有關(guān)工藝的標準要求展開設(shè)計，防止由于工藝操作錯誤，而阻礙化工設(shè)備的設(shè)計工作，利用合適的設(shè)計工藝，優(yōu)化材料性能，從而促進化工設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

總而言之，在化工設(shè)備設(shè)計中，材料的選擇與運用極為關(guān)鍵，設(shè)計人員需全面掌握各類化工材料的性能優(yōu)勢，并根據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境，選擇適當(dāng)?shù)牟牧蠎?yīng)用其中，從而充分發(fā)揮材料的性能，推動化工設(shè)備的高效率運轉(zhuǎn)。同時，還要考慮成本投入以及生產(chǎn)環(huán)境，做好材料設(shè)備的檢查工作，以此為化工生產(chǎn)創(chuàng)造更大的效益，維護生產(chǎn)的安全性。