化工設(shè)計(jì)中管道材料材質(zhì)的選用

鐘冬竹

(中國輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣州 511400)

化工設(shè)計(jì)是一項(xiàng)十分精細(xì)化的工作，是以化工工藝專業(yè)為核心，輔以電氣、土建、環(huán)保等專業(yè)來共同完成。實(shí)施石化、化工工程項(xiàng)目時(shí)，管道安裝與材料選擇主要以管道設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，而管道材料選擇是影響設(shè)計(jì)成果質(zhì)量的核心因素，通過科學(xué)的材料選擇，可以保障化工裝置符合安全需求，最大程度上提升化工設(shè)計(jì)質(zhì)量，盡可能減少業(yè)主的采購成本，這意味著深化管材選擇研究有著十分深遠(yuǎn)的意義。

1 化工設(shè)計(jì)選擇管道材料材質(zhì)的要求

1.1 安全要求

化工設(shè)計(jì)中，管材材料材質(zhì)的選擇應(yīng)保證化工生產(chǎn)的安全性，確保后續(xù)生產(chǎn)有序展開，盡可能避免由于管道因素而引發(fā)的安全事故，避免化工生產(chǎn)出現(xiàn)威脅生命財(cái)產(chǎn)、生產(chǎn)停滯等問題[1]。立足于設(shè)計(jì)層面進(jìn)一步優(yōu)化安全防護(hù)，慎重選擇管道材質(zhì)，管材選擇不科學(xué)，則可能導(dǎo)致管道受到運(yùn)輸介質(zhì)腐蝕，引發(fā)管道損壞等問題，甚至產(chǎn)生安全事故。一旦管道類型不合理，對應(yīng)管徑不匹配，則可能引發(fā)介質(zhì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致安全事故的出現(xiàn)。如果管道材料性質(zhì)難以達(dá)到基本需求，應(yīng)用一段時(shí)間后可能出現(xiàn)破損，導(dǎo)致毒性材料介質(zhì)外流，甚至出現(xiàn)污染環(huán)境情況[2]。

1.2 經(jīng)濟(jì)要求

選擇管道材料時(shí)，要充分注意經(jīng)濟(jì)性，強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)效益[3]，盡可能避免因材料費(fèi)用超出預(yù)算費(fèi)用而引發(fā)生產(chǎn)成本提升情況。選擇材料要從差異化角度，深入分析材料的實(shí)際造價(jià)，保障生產(chǎn)質(zhì)量，降低材料成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。想要優(yōu)化管道材料材質(zhì)，要考慮不同材料管材的參數(shù)、性能等，利用取額設(shè)計(jì)法，以預(yù)算、成本目標(biāo)為前提，選取材料材質(zhì)，保障經(jīng)濟(jì)性，注意材料的生命周期，盡可能選取一些經(jīng)濟(jì)效益高、生命周期長的材料[4]。

2 管道材料材質(zhì)的選用

2.1 耐熱管材的選擇

耐熱管材是具備優(yōu)異耐氧化性且高溫強(qiáng)度、耐氣體腐蝕性、抗熱沖擊強(qiáng)度較高的材料。化工生產(chǎn)過程中，很可能出現(xiàn)特殊液體、氣體中高溫鋼管暴露的問題，為了最大程度提升化工生產(chǎn)安全性，要保障高溫鋼管具有很好的耐氧化性[5]?；どa(chǎn)可能會受到氧化作用的影響，如果利用碳素鋼鋼管，表面會出現(xiàn)一層氧化膜，很難真正發(fā)揮保護(hù)鋼管基體的作用。為了提升鋼管的抗氧化性，可在鋼管內(nèi)增加鉻、鋁等元素，因?yàn)殂t元素比鐵元素氧化快，能夠在金屬表面生成氧化膜[6]。通過在鋼管內(nèi)增添一部分鉬元素、鉻元素，最終合成鉻-鉬合金，這樣的鉻-鉬合金的耐氧化性較強(qiáng)，能夠在一定程度上提升化工管道抗氧化性，適用于石油化工生產(chǎn)管道。

2.2 低溫管材的選擇

對于化工管材而言，如果在-20℃～—40℃，要盡可能避免運(yùn)用碳素鋼管材；如果是40℃～70℃，應(yīng)盡可能避免運(yùn)用低合金鋼管材；如果是70℃～196℃，盡可能避免運(yùn)用合金鋼管材。

對于碳素鋼管材、低合金鋼管材等鐵素體鋼，如果溫度始終處于0℃以下，會導(dǎo)致其鋼體自身的柔韌度大幅下降，與之相應(yīng)的脆性則會大幅度上升[7]。為了保障管材具有優(yōu)異的性能，要保障常溫環(huán)境下管材的韌性、強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)，而低溫環(huán)境下，化工管材的性能更好。較為常見的低溫管材為20號鋼，該類型鋼體性能的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度大致在-40℃左右[8]。實(shí)踐運(yùn)用過程中，以-20℃為前提，在該范圍內(nèi)展開轉(zhuǎn)換，最大程度提升化工安全性。如果實(shí)際轉(zhuǎn)換溫度在-20℃以下，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范，開展系統(tǒng)性的同溫沖擊韌性試驗(yàn)，以確保管材韌性、脆性與實(shí)踐生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相符。如果化工生產(chǎn)溫度相對較低，應(yīng)選取一些能夠優(yōu)化鋼體溫度脆性的管材，如錳元素、鎳元素[9]。如果鋼材中的鎳元素含量達(dá)到2.25%，則可以在-60℃的溫度條件下應(yīng)用；如果鋼材中的鎳元素含量達(dá)到3.25%，則可以在-100℃的條件下運(yùn)用。

2.3 高溫鋼材的選擇

化工生產(chǎn)大多會在高溫條件下開展，由于受到高溫的影響，管材性能可能十分復(fù)雜。選擇高溫鋼材需注意以下幾方面：一是管材自身溫度與屈服強(qiáng)度呈反比變化，管材溫度、塑性則呈正比變化[10]。二是隨著時(shí)間的推移，管材在力學(xué)性能、荷載強(qiáng)度方面很可能發(fā)生蠕變情況。管材溫度、抗拉強(qiáng)度等可能呈現(xiàn)反比變化的情況。三是管材的腐蝕性很可能由于溫度升高而不斷增強(qiáng)。

化工高溫狀態(tài)主要以350℃為標(biāo)準(zhǔn)，如果處于高溫情況下，管材很可能出現(xiàn)腐蝕情況。高溫管材選擇中，要綜合分析管材耐高溫性，重視管材耐腐蝕性。碳素鋼的溫度適用極限一般為425℃，處于此溫度，會導(dǎo)致碳素鋼發(fā)生石墨化，為了避免出現(xiàn)這個(gè)問題，可將一些合金元素加入其中，強(qiáng)化碳素鋼的穩(wěn)定性；如果高于此溫度，為確保化工管道的安全性，可采用氯元素鎮(zhèn)靜鋼。

2.4 特殊介質(zhì)鋼材的選擇

化工生產(chǎn)中，如果管道運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性，需避免運(yùn)用金屬鋼材，可選取非金屬管材，如pp管材。應(yīng)用非金屬管材要注意材料的壓力、溫度條件符合化工需求，避免壓力、溫度變化時(shí)，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)脆化問題。

一是塑料陳襯里材料。應(yīng)用溫度需控制在120℃，襯里材料主要包括聚四氟、聚丙烯等。除溫度因素外，還要充分結(jié)合應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇，禁止在苯溶解介質(zhì)中應(yīng)用。

二是苛性納堿液管材。由于受到腐蝕介質(zhì)、拉應(yīng)力等的共同作用，很可能導(dǎo)致碳鋼材料受到損壞，引發(fā)開裂問題。進(jìn)行設(shè)計(jì)、選擇時(shí)，要全面把控氫氧化鈉的濃度和溫度，提升化工生產(chǎn)的安全性。

三是硫酸管材。硫酸自身的腐蝕性較強(qiáng)，如果化工管道輸送介質(zhì)為硫酸，需合理選擇化工管材。對于濃度為98%、95%的濃硫酸而言，應(yīng)控制管道溫度在20℃左右，將壓力值調(diào)整為0.2 p左右，選擇20號管材，而20 g材料的壓力應(yīng)維持在1.6 pa，保證其溫度穩(wěn)定在200℃。硫酸輸送過程中，碳鋼是否具有抗腐蝕性，主要受到硫酸亞鐵保護(hù)膜的影響，為了確保該保護(hù)膜不被破壞，要對管道內(nèi)的硫酸濃度進(jìn)行精準(zhǔn)把控。如果管道溫度發(fā)生變化，應(yīng)利用不銹鋼管材；如果實(shí)際操作溫度達(dá)到29℃，且操作壓力在2 p以下，硫酸腐蝕量達(dá)到3，則可利用規(guī)格為316 L的不銹鋼管材。

四是選用氧氣管材。如果化工管道輸送的介質(zhì)是氧氣，可將不銹鋼、碳鋼等作為化工管材材料，以壓力、溫度設(shè)計(jì)為核心，將管道設(shè)計(jì)為GC2類型。氧氣是助燃性氣體，輸送時(shí)可能會受到外力影響而出現(xiàn)爆炸情況。因此，針對氧氣管材的選擇，應(yīng)重視氧氣流速與壓強(qiáng)，氧氣壓強(qiáng)如果處于0.33～0.55 P，則可利用碳鋼管，一旦氧氣的壓強(qiáng)值較高，則可選用不銹鋼管道，但要確保管道直徑是外徑的4倍以上，并控制其長度為2 m以上。管道制作過程中，盡可能避免運(yùn)用褶皺彎頭，避免運(yùn)輸過程中發(fā)生安全事故。應(yīng)根據(jù)管材流速、壓力進(jìn)行科學(xué)選擇，選擇大半徑彎頭，令彎頭半徑為外徑的6倍以上，焊接過程中采用無縫焊接。選擇管道閥門材料時(shí)，要以壓強(qiáng)的實(shí)際數(shù)值為基準(zhǔn)，應(yīng)用不銹鋼材料。

五是鹽酸管材。鹽酸具有腐蝕性，應(yīng)合理選擇輸送鹽酸的管材，如果鹽酸濃度為15%～30%，則可應(yīng)用聚丙烯管道，它具有很好的抗腐蝕能力，可在相對較高的溫度和壓強(qiáng)條件下及復(fù)雜的鹽酸環(huán)境下保持良好的耐腐蝕性。聚乙烯管道在導(dǎo)入率方面較差，因此可提升保溫性能，且管材熔口強(qiáng)度較高，能避免發(fā)生管道斷裂的問題，從根本上保障管材應(yīng)用質(zhì)量。聚乙烯管材的質(zhì)量和密度較小，使用便利，壽命較長，成本低，能夠滿足使用要求，但容易發(fā)生老化問題，一旦受到降水和風(fēng)力等因素的影響，性能會大幅度下降。

3 結(jié)語

管道材料選擇在化工設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，由于化工生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，因此要選擇一些符合實(shí)際情況的管道材料，確保管道運(yùn)輸有序進(jìn)行。從不同管道介質(zhì)角度，圍繞管道材料，進(jìn)行選擇，為材料選擇提供一些參考。