化工設(shè)備設(shè)計的選材與應(yīng)用

謝亞武(廣東眾和工程設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510030)

0 引言

近來年，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，化工產(chǎn)業(yè)獲得大量機(jī)遇，發(fā)展飛快，現(xiàn)已成為我國經(jīng)濟(jì)體系中不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)之一。但機(jī)遇到來的同時，也帶來了諸多挑戰(zhàn)，隨著社會的不斷進(jìn)步，行業(yè)需求日益增多，市場競爭日益激烈，化工產(chǎn)業(yè)為保障自身市場競爭力，必須實(shí)時對自身技術(shù)手段和管理體系進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，確保工程效率，提升工作質(zhì)量，更好地服務(wù)社會?；て髽I(yè)在整個流程中，確?；ぴO(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)是重要的工作內(nèi)容，同時其材料的選擇和應(yīng)用是重要的工作內(nèi)容之一。

1 化工工藝及化工設(shè)備適應(yīng)性設(shè)計的必要性

提高化工工藝和化工設(shè)備的適應(yīng)性，是推動我國化工不斷現(xiàn)代化的必要條件。因此，必須重視化學(xué)適應(yīng)性設(shè)計。首先，采用高適應(yīng)性設(shè)計可以改變許多傳統(tǒng)化工裝置存在的特點(diǎn)問題，進(jìn)一步提高企業(yè)開發(fā)化工設(shè)備的能力和價值，最大限度地發(fā)揮化工裝置的實(shí)用價值，使之適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)要求，從而大大減少資源和成本的不必要消耗。第二，因?yàn)槭袠I(yè)技術(shù)密集，有許多化工項(xiàng)目涉及到實(shí)際生產(chǎn)。采用合適的化學(xué)工藝和化學(xué)設(shè)備，做好適應(yīng)性設(shè)計工作，不僅可以提高設(shè)備的利用率，還可以加快設(shè)備維護(hù)的效率，幫助員工更好地控制一些工藝細(xì)節(jié)，從而進(jìn)一步保證化工生產(chǎn)的產(chǎn)量和速度。第三，確?；み^程和化工設(shè)備在生產(chǎn)活動中具有良好的適應(yīng)性，有利于控制和解決各種生產(chǎn)問題，避免影響企業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行。特別是隨著市場條件的日益復(fù)雜，對改進(jìn)化工過程和設(shè)備的適應(yīng)性設(shè)計也提出了更高的要求。通過采用最優(yōu)自適應(yīng)設(shè)計，可以合理簡化不必要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使化工裝置繼續(xù)保持穩(wěn)定高效的工作狀態(tài)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時，進(jìn)一步提高化工企業(yè)的市場競爭力[1]。

2 化工工藝及化工設(shè)備適應(yīng)性設(shè)計的實(shí)施辦法

2.1 參數(shù)設(shè)計

化工設(shè)備安裝完畢后，為了保證生產(chǎn)活動的安全，有必要在正式開工前對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在確定最終的技術(shù)參數(shù)選擇之前，必須將整個裝置置于試驗(yàn)狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。以重整器的參數(shù)設(shè)置為例：在測試過程中，必須先向設(shè)備中添加一定量的反應(yīng)材料，然后對設(shè)備進(jìn)行持續(xù)加熱。此時，工作人員必須仔細(xì)觀察再熔爐出口液態(tài)水的狀態(tài)，確定滿足物料加熱要求的最佳溫度，最后將再熔爐調(diào)整到相應(yīng)的溫度[2]。應(yīng)注意的是，液態(tài)水的體積很可能遠(yuǎn)低于重整器入口處的水蒸汽量，此時參數(shù)的設(shè)置很可能與實(shí)際生產(chǎn)需求存在較大差距，這將導(dǎo)致生產(chǎn)過程中產(chǎn)生水錘，并將嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備管道的質(zhì)量。為了解決這個問題，需要調(diào)整平均流量，使設(shè)備的加熱水溫保持在合理的范圍內(nèi)，然后根據(jù)測試數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。

2.2 防腐處理

在化工生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些腐蝕性很強(qiáng)的化學(xué)品。此時，生產(chǎn)活動的風(fēng)險系數(shù)將會增加，不僅會損壞化學(xué)設(shè)備，還會危及員工的人身安全。例如在乙烯裂解項(xiàng)目中，在原料連續(xù)加熱的過程中，設(shè)備上部結(jié)構(gòu)的管道有損壞的風(fēng)險，導(dǎo)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(zhì)，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(diào)整裝置的排氣噴嘴和動力噴嘴，進(jìn)行防腐管理，防止管道嚴(yán)重腐蝕，確保公司項(xiàng)目生產(chǎn)計劃的順利實(shí)施。

2.3 設(shè)備改造

鑒于不同的工業(yè)條件，需要對原有的化工設(shè)備進(jìn)行合理更新，以進(jìn)一步提高其適應(yīng)性，避免給生產(chǎn)活動的正常發(fā)展帶來不便。例如煤油加氫的操作連接涉及使用高容量設(shè)備，在擴(kuò)大設(shè)備容量的同時，還必須調(diào)整生產(chǎn)過程中使用的相應(yīng)反應(yīng)器，否則生產(chǎn)活動將無法得到支持。在化學(xué)反應(yīng)過程中，除了添加標(biāo)準(zhǔn)量的原材料外，員工還應(yīng)在反應(yīng)容器中添加足量的化學(xué)添加劑，以確保生產(chǎn)質(zhì)量。通過觀察研究發(fā)現(xiàn)，改造后的設(shè)備內(nèi)部壓力發(fā)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(yīng)低。隨著反應(yīng)溫度的逐漸升高，大量原料在設(shè)備中積累，隨后發(fā)生結(jié)焦和碳化。在這種情況下，設(shè)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(shè)備的原材料轉(zhuǎn)移能力和適應(yīng)性。

2.4 安全生產(chǎn)

安全一直是化工行業(yè)發(fā)展的永恒主題，采取科學(xué)合理的操作方式是保證生產(chǎn)任務(wù)順利完成的基礎(chǔ)。通過對以往案例的調(diào)查和分析可知，工藝方法或操作模式選擇不當(dāng)是設(shè)備在運(yùn)行過程中嚴(yán)重磨損和損壞的主要原因。在縮短化工設(shè)備使用壽命的同時，也給未來的生產(chǎn)活動帶來巨大的安全隱患。因此，在實(shí)施適應(yīng)性工藝設(shè)計和先進(jìn)化工設(shè)備的基礎(chǔ)上，還需要考慮人為因素和自然條件對整個化工生產(chǎn)過程的影響。例如化工技術(shù)人員在選擇生產(chǎn)工藝時，必須認(rèn)真分析生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境溫度、氣壓等外部因素對化工生產(chǎn)工藝可能產(chǎn)生的影響，選擇特性一致的化工設(shè)備，并相應(yīng)改進(jìn)工藝方案，確?；どa(chǎn)安全。同時，要嚴(yán)格控制人為操作失誤造成的安全問題，可以通過制定標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程來限制員工，盡可能減少設(shè)備損壞，科學(xué)監(jiān)督員工根據(jù)實(shí)際情況合理選擇化工工藝。

3 化工設(shè)備選材的重要性

首先，化工企業(yè)的工作流程不比其他企業(yè)，其工藝流程會接觸許多化工原料?；ぴ隙酁榻饘倩蚧瘜W(xué)制劑混合而成的混合料，其特點(diǎn)都具有極高的活躍性，很容易產(chǎn)生反應(yīng)。在反應(yīng)進(jìn)行時，如設(shè)備選用原材料無法抵抗腐蝕，獲取表面材料和內(nèi)部化學(xué)成分相互反應(yīng)，都會使得內(nèi)部化學(xué)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(xué)反應(yīng)的進(jìn)行通常需要經(jīng)歷加熱、制冷、加壓等條件，因此在設(shè)備選擇時，需要對其耐熱性、防凍能力和耐壓等進(jìn)行詳細(xì)檢測?；ぎa(chǎn)品的成分組成比例固定，一旦在升降溫過程中，使得設(shè)備損毀，其雜質(zhì)進(jìn)入化工產(chǎn)品中，會極大影響化工產(chǎn)品的質(zhì)量。如若是生活用品的質(zhì)量出現(xiàn)問題，會產(chǎn)生大量售后問題，嚴(yán)重時產(chǎn)品喪失效用，對消費(fèi)者生命財產(chǎn)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(yè)大型化工設(shè)備運(yùn)作通常是靠電能供應(yīng)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(shù)量的成品或者質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，就會使得化工企業(yè)整體負(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)?；て髽I(yè)的經(jīng)濟(jì)保障主要是依靠化工產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，一旦這些方面指標(biāo)受到影響，整體都可能會出現(xiàn)虧損現(xiàn)象。

4 化工設(shè)備設(shè)計中材料影響因素

4.1 成本因素

化工企業(yè)因其特異性耗資巨大，在整個工藝流程實(shí)現(xiàn)時，需要依靠大量的化學(xué)原材料和添加劑及能源供應(yīng)，因此整個化工生產(chǎn)過程造價極高。所以，要保證生產(chǎn)效率和成品質(zhì)量，才能穩(wěn)固投資額和利潤。其中，設(shè)備材料的正確選擇是有效保障化工產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。正確選擇化工設(shè)備材料，才能確保在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行中不會出現(xiàn)原材料損耗或破壞，確保正常生產(chǎn)。

4.2 安全性因素

化工生產(chǎn)本身具備一定危險性，主要體現(xiàn)在化學(xué)原料本身危害性和化學(xué)反應(yīng)副作用上。所以，在工作過程中，就要確?；瘜W(xué)反應(yīng)在密閉安全的地點(diǎn)和空間進(jìn)行，同時確保不會有有害物質(zhì)或氣體溢出。這就需要對反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行完善，確保設(shè)備原料不會和內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)相摻雜。同時，還要具有完善安全防護(hù)措施，選用正確的材料，確保應(yīng)對各類突發(fā)狀況。

5 化工設(shè)備設(shè)計中材料的選擇分析

5.1 化工設(shè)備設(shè)計中金屬材料選擇的相關(guān)分析

首先，應(yīng)合理選擇碳鋼金屬材料。在實(shí)際應(yīng)用過程中，碳鋼是工程設(shè)計人員最常選用的金屬。碳鋼具有高穩(wěn)定性、良好的機(jī)械和物理性能，適用于各種環(huán)境。碳鋼的生產(chǎn)工藝簡單，市場價格低廉，許多公司選擇碳鋼作為化工設(shè)備的主要材料。在設(shè)計過程中，設(shè)計師應(yīng)充分發(fā)揮碳鋼材料的優(yōu)勢，通過噴涂防腐涂料等方法，充分利用化工設(shè)備中的碳鋼材料。

其次，應(yīng)合理選擇金屬材料的不銹鋼。在石油化工生產(chǎn)過程中，往往會產(chǎn)生大量強(qiáng)酸堿化合物，腐蝕性強(qiáng)，這對石油化工設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量和安全性提出了更高的要求[5]。在化工設(shè)備材料的設(shè)計和選擇中，盡可能選擇碳鋼。但對化學(xué)腐蝕性介質(zhì)，如：酸、堿、鹽和其他介質(zhì)，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(jié)構(gòu)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(yīng)該關(guān)注不銹鋼材料中合金元素的組分。

第三，應(yīng)合理選擇金屬材料的有色金屬及其合金。由于信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，有色金屬在化學(xué)工業(yè)中的開發(fā)和使用也取得了很大進(jìn)展。鈦可以與氧和氮形成致密的保護(hù)膜，具有很高的化學(xué)穩(wěn)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(shù)酸高度穩(wěn)定，但不耐氫氟酸。因此，在化工設(shè)備設(shè)計領(lǐng)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(fù)合板。在選擇鈦或鈦合金或鈦鋼復(fù)合板時，設(shè)計師應(yīng)注意鈦材料的適用溫度范圍。

第四，我國大力提倡可持續(xù)發(fā)展，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時注重保護(hù)環(huán)境?；て髽I(yè)本身就具有一定污染性，在工藝加工后極易對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞。可回收材料在使用過程中可回收再利用，符合節(jié)能理念；清潔材料在實(shí)驗(yàn)時不會釋放有毒氣體污染性物質(zhì)，符合環(huán)保減排理念。

5.2 在化工設(shè)備設(shè)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(jié)構(gòu)，二者具有極明顯的惰性，不易和其他物質(zhì)反應(yīng)。首先，在眾多非金屬化工材料中，玻璃材料具有很高的熔點(diǎn)，經(jīng)過特殊工藝加工的玻璃極耐高溫，同時結(jié)構(gòu)堅韌具有足夠的韌性，這就使得玻璃材料在化工生產(chǎn)中能夠應(yīng)對絕大部分化學(xué)反應(yīng)所造成的影響。石墨材料，其根本是碳結(jié)構(gòu)，本身結(jié)構(gòu)堅固不易受到損壞，具有強(qiáng)的穩(wěn)定性。

首先，合理選擇非金屬石墨材料。在選擇石墨材料時，設(shè)計者要關(guān)注石墨的內(nèi)部性質(zhì)，注意耐腐蝕性能的優(yōu)化，石墨中有大量細(xì)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(qiáng)抗?jié)B性的石墨。這種石墨材料可在溫度≤160 ℃、壓力≤0.5 MPa的環(huán)境中長期使用，其內(nèi)部性能也能保持良好狀態(tài)。不少研究認(rèn)為，即便是在鹽酸、稀硫酸等強(qiáng)酸性介質(zhì)的腐蝕環(huán)境內(nèi)，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(shù)高出2倍之多。石墨換熱器在行業(yè)內(nèi)也獲得了廣泛使用，但是石墨內(nèi)部拉滲性能、塑性較低，因此在設(shè)計期間，需要注意這一問題的解決。

其次，應(yīng)合理選擇非金屬材料玻璃鋼。FRP增強(qiáng)塑料(簡稱“FRP”)是一種應(yīng)用廣泛的復(fù)合材料，具有很強(qiáng)的耐腐蝕性。在化工設(shè)備的設(shè)計中，它常被用作儲存高腐蝕性介質(zhì)的儲罐，如：酸、堿、鹽等一般濃縮介質(zhì)。同時，玻璃鋼具有密度低、導(dǎo)熱系數(shù)低、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，F(xiàn)RP材料有一個缺點(diǎn)即沒有很好的耐高溫性，F(xiàn)RP材料的溫度必須保持在60 ℃以內(nèi)。因此，在使用化工設(shè)備時，設(shè)計者應(yīng)特別注意區(qū)域環(huán)境溫度，并做出科學(xué)合理的選擇。同時，設(shè)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(shè)備設(shè)計中襯里材料的選擇

襯里材料具有保護(hù)金屬或其他基體免受各種介質(zhì)侵蝕的能力，耐受酸、堿、無機(jī)鹽及多種有機(jī)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(yīng)用到化工設(shè)備中，如：攪拌釜、儲罐、熱交換器、塔器等。近年來，國內(nèi)外不斷開發(fā)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(yōu)異的耐蝕性和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。因襯里材料不同分別有：襯不銹鋼設(shè)備、襯(搪)鉛設(shè)備、襯橡膠設(shè)備、襯耐酸板，磚(或鑄石板)設(shè)備、襯塑料設(shè)備、噴鋁設(shè)備、搪玻璃設(shè)備等。化工設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中，涉及介質(zhì)眾多繁雜，這就要求化工設(shè)備具有良好的防腐性能。根據(jù)設(shè)備材料、使用介質(zhì)、環(huán)境因素等選擇合理的襯里材料，采用優(yōu)良的施工工藝，是防止設(shè)備腐蝕，延長設(shè)備使用壽命，降低成本的重要措施[6]。

6 化工設(shè)備設(shè)計中材料的應(yīng)用

6.1 碳鋼材料的應(yīng)用

碳鋼材料的種類相對豐富。在選擇材料時，設(shè)計師不僅要考慮碳鋼的耐高溫性，還要考慮其力學(xué)性能，以確保材料能發(fā)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(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的塑性、韌性和加工工藝。但是，如果在壓力容器的設(shè)計中使用碳鋼材料，則應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，按照GB/T 150.2—2011 《壓力容器》附錄D《Q235系列鋼板的使用規(guī)定》開展。合金鋼是在添加合金元素的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其綜合性能得到了極大提高。在選擇時，工程設(shè)計部門必須充分考慮合金元素對鋼材特性的影響，并結(jié)合工藝生產(chǎn)要求選擇合適的合金鋼。目前，中國化工企業(yè)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(yè)中，碳鋼廣泛應(yīng)用于80%～100%濃度范圍和60～80 ℃溫度范圍內(nèi)的硫酸儲罐和管道中[7]。但是，當(dāng)硫酸流速過高時，應(yīng)選擇其他材料。當(dāng)儲存無水氣體氨和液氨時，碳鋼作為儲存設(shè)備材料也具有良好的耐腐蝕性。

6.2 不銹鋼材料的應(yīng)用

不銹鋼有多種類型和強(qiáng)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(huán)境中，不銹鋼的耐腐蝕性可以得到更好的發(fā)展。設(shè)計人員在化工容器設(shè)計過程中選用不銹鋼材料，必須充分考慮不銹鋼的化學(xué)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(zhì)具有良好的耐腐蝕性，但對還原酸如：鹽酸、稀硫酸等介質(zhì)，其耐腐蝕性與碳鋼的耐腐蝕性差別不大，氯離子的應(yīng)力腐蝕遠(yuǎn)低于碳鋼。因此，工程設(shè)計部門應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場條件選擇合適的材料，避免浪費(fèi)。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，奧氏體不銹鋼因其良好的硬度和塑性結(jié)合而得到廣泛應(yīng)用，其焊接性能優(yōu)于其他金相不銹鋼。設(shè)備設(shè)計過程中通常使用S30408、S30403不銹鋼和S31608、S31603不銹鋼。

6.3 材料應(yīng)用應(yīng)注意的防腐措施

首先，在設(shè)計化工設(shè)備的材料選擇時，一些設(shè)計師往往只考慮酸、堿等強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)，而忽略了水、大氣等常見介質(zhì)的腐蝕風(fēng)險[9]。奧氏體不銹鋼在含有極少量氯化離子的環(huán)境空氣中，也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。其次，一些設(shè)計師沒有準(zhǔn)確考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)對腐蝕的影響。由此在設(shè)計中，應(yīng)盡可能減少結(jié)構(gòu)空間，在不可避免的關(guān)鍵部位，應(yīng)通過添加緩蝕劑來填充和保護(hù)空間，同時設(shè)備的設(shè)計必須避免死角等結(jié)構(gòu)缺陷。

7 結(jié)語

綜上所述，在化工設(shè)備的設(shè)計中，材料的選擇是非常重要的，它直接關(guān)系到化工設(shè)備的質(zhì)量。技術(shù)人員和工程設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)化工設(shè)備使用的材料進(jìn)行具體分析和研究，并根據(jù)材料的特性和化工設(shè)備的生產(chǎn)條件，合理選擇材料，從而在實(shí)際應(yīng)用過程中充分發(fā)揮其優(yōu)勢和特點(diǎn)，合理保證化工設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量，延長化工設(shè)備的使用壽命，對促進(jìn)石化行業(yè)的健康發(fā)展具有十分積極的意義。