關(guān)于配管設(shè)計(jì)中的管件及管材選用問題分析

＊楊 濤

（陜西建工安裝集團(tuán)有限公司 陜西 710054）

國(guó)家頒布的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》頒布通過并得到執(zhí)行后，各種管路的設(shè)計(jì)與安全質(zhì)量問題一直以來(lái)廣泛地引起了政府有關(guān)主管部門的關(guān)注，并將各類壓力容器與各類壓力管道都一起合并了起來(lái)，對(duì)其安全性能狀況都實(shí)施了更加嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)，這兩個(gè)比較特殊的設(shè)施，如果從它所定義的方面入手來(lái)對(duì)之加以比較，壓力管路的主要定義與應(yīng)用范圍將更廣泛，其應(yīng)用范圍是最高工作壓力超過或者是等于0.1MPa（指在一個(gè)工程中的表壓），以氣體、液體、蒸汽介質(zhì)或者說是可燃、易爆、有毒、具強(qiáng)烈耐熱和良好的抗腐蝕性加液體，且在一個(gè)工程中所使用的管道直徑應(yīng)當(dāng)是超過了25mm。

1.管道材料種類及特點(diǎn)

各類管材的特點(diǎn)：第一，水泥管：雖然這種水泥管道施工簡(jiǎn)便，成本相對(duì)較低，是過去常見的一種水泥管件，但其自身重，強(qiáng)度低，易被化學(xué)物質(zhì)侵蝕，容易被有害體滲漏，容易在空氣中滋生有害的細(xì)菌，如果用其直接建筑物來(lái)進(jìn)行給水工程，容易對(duì)環(huán)境和土壤的水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，引起極大的環(huán)境損害，從發(fā)展趨勢(shì)上可以簡(jiǎn)單地來(lái)分析一下，水泥管道無(wú)論是作為建筑還是工業(yè)的主要排水或者說還是在雨水中的排放遲早都會(huì)被徹底淘汰，因此目前己經(jīng)很少有人能夠繼續(xù)便用。第二，鑄鐵管、鋼管：雖然在設(shè)計(jì)與施工上比較簡(jiǎn)單，而且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，但其承載力與重量較大，不能有效地抵抗腐蝕，一般建議采用除去熱力和減輕壓力的給水管。第三，高密度聚乙烯管（HDPE）：由于這種高密度、又具有機(jī)械強(qiáng)度的聚乙烯管本身就已經(jīng)具備了很高的熱力學(xué)強(qiáng)度和機(jī)械剛度，因而被廣泛應(yīng)用在大城市的燃?xì)狻⒔o水等管路中。高密度聚乙烯管因其良好的化學(xué)性能、韌力、耐磨性以及便宜的成本與質(zhì)量而廣泛地深入接觸并受到了我國(guó)管道工業(yè)內(nèi)外各界人士的推崇與青睞，位于世界市場(chǎng)規(guī)模和利用率第二。HDPE的材料具有耐震、耐腐蝕性能好、抗疲勞、強(qiáng)度大、耐熱等特點(diǎn)。其對(duì)熔接和連續(xù)焊縫工藝的技術(shù)要求相對(duì)較高。第四，玻璃鋼夾砂管：由于玻璃鋼夾砂管是采用了短型的玻璃纖維中間夾砂技術(shù)對(duì)其進(jìn)行制作，剛度相對(duì)較大，可以承壓，耐腐蝕，但由于這種玻璃鋼夾砂管的材料比較脆，僅僅是為了適用于小口徑，并且很容易因?yàn)樵诮ㄖ锸┕r(shí)遭到機(jī)械碰撞而對(duì)其產(chǎn)生光滑或者是暗傷，影響了其使用壽命。第五，硬質(zhì)聚氯乙烯管已被國(guó)內(nèi)引進(jìn)和推廣應(yīng)用，也是目前在我國(guó)市場(chǎng)上最普遍采用的一種塑料管件。它主要由聚氯乙烯樹脂經(jīng)過高溫加工后進(jìn)行熱壓和加工而成。這類管材一般主要廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和城市供水管道，城鎮(zhèn)建筑物供暖、排水管，室內(nèi)和建筑物供暖、排水管，城鎮(zhèn)雨水管目前大多數(shù)是采用軟質(zhì)的聚氯乙烯。硬質(zhì)的聚氯乙烯管所具有的特殊性能主要有耐化學(xué)腐蝕、不產(chǎn)生銹垢、自熄性、阻燃抗氧化、耐老化、耐電等性能均佳等；其中排氣管道的內(nèi)壁十分光滑，形成的液態(tài)物質(zhì)表面張力相對(duì)較小，不容易在空氣中產(chǎn)生污染物或者是水垢；并且UPVC具有很強(qiáng)的適應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)與輸送的能力，其中進(jìn)行加工與安裝也十分方便，最重要的一個(gè)特點(diǎn)是它所需要生產(chǎn)和采用的優(yōu)良硬質(zhì)聚氯乙烯管比其它各種應(yīng)用型塑料的管材在造價(jià)上都要低。硬質(zhì)聚氯乙烯管主要優(yōu)勢(shì)之一是它的耐腐蝕性相對(duì)薄弱，不宜直接作為輸送熱水，接頭黏附技術(shù)在固化過程中對(duì)其時(shí)間的要求也很高[1]。

2.法蘭的選用

(1)關(guān)注選用法蘭的最高無(wú)沖擊工作壓力

當(dāng)所選擇的法蘭在達(dá)到最高工作溫度下不會(huì)發(fā)生外力沖擊時(shí)，工作壓力應(yīng)該是大于或者相當(dāng)于所設(shè)計(jì)的壓力。例如，壓縮工段氮?dú)錃怏w管道設(shè)計(jì)溫度150E，設(shè)計(jì)壓力6.0MPa，就必須考慮是否要選擇合適的工況下溫度等級(jí)及相同原料的法蘭。采用的是一種法蘭材料16MNII，其最大無(wú)外力沖擊下正常工作時(shí)的壓力約為6.17MPa。所以法蘭選擇了公稱壓力6.3MPa，法蘭主體原件是16MNII。

(2)關(guān)注設(shè)備管口法蘭密封面形式

使用了凹凸二種表面的管道法蘭，對(duì)設(shè)備的頂部管嘴與法蘭密封表面的形狀問題也進(jìn)行了研究，在這種情形下主要是將凹凸二種法蘭依次安裝在上面的管嘴、側(cè)面管嘴上。然后在底部的管道進(jìn)出口放置一個(gè)法蘭。閥門生產(chǎn)商一般都是制造自己的閥門，他們都是自帶有凹面的法蘭。所以我們應(yīng)當(dāng)按照工藝配管技術(shù)規(guī)范的要求將所有設(shè)備的管道直接或者說也就是管路上的閥門與其他設(shè)備之間進(jìn)行連接處理時(shí)，必須給予設(shè)備特別專業(yè)地提出針對(duì)管道的密封面或者是否存有相互配合閥門的法蘭。

3.閥門的使用

(1)多用蝶閥，少用閘閥

在之前的一段時(shí)間里，蝶閥一般只有在較小口徑的水管上才可以得到應(yīng)用，在不斷進(jìn)步發(fā)展的生產(chǎn)過程中，市場(chǎng)上對(duì)于蝶閥的生產(chǎn)制造工藝和設(shè)備也是有了不小的改變與進(jìn)步，由于其優(yōu)越的性能，在某些行業(yè)中己經(jīng)大量采用蝶閥來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)閘閥、截止閥、球閥以及螺旋塞等，這主要由于蝶式泵具備了以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，由于規(guī)格小、重量輕、易于安裝和施工，其最大比重僅為同類型閘閥的1/3～1/4，最大高度和寬度也僅為同類型閘閥的1/3；第二，蝶閥其切斷速率特性明顯要優(yōu)于傳統(tǒng)的閘閥以及截止閥等；第三，蝶閥其構(gòu)造簡(jiǎn)便，便于工作人員安裝與維修；第四，便于選用自動(dòng)控制的機(jī)構(gòu)；第五，和同等級(jí)的閘閥、截止門相對(duì)應(yīng)的價(jià)格進(jìn)行比較，蝶閥的價(jià)格也相對(duì)較低[2]。

(2)柱塞閥

蒸汽、油品以及密封性等要求更高的工作場(chǎng)所，應(yīng)用柱塞閥。人類所使用的普通截止閥，無(wú)論是在密封性和使用壽命上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于柱塞閥，其原因主要是由于這種柱塞閥本身就具備了以下的特點(diǎn)：

第一，當(dāng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到其密封特性，主要使用了金屬、非金屬互相組合的做法，而這種做法的最大好處之一便是因?yàn)槠涿芊獗葔狠^小，所以易于達(dá)到其密封性要求；第二，柱塞閥座在一般情況下都是通過柱塞閥座和上面的密封環(huán)所保護(hù)而成，而且通常都沒有通過任何填料函；第三，如果在一個(gè)閥門的管路中發(fā)現(xiàn)柱塞閥座內(nèi)有細(xì)小、硬度較大的各種固態(tài)顆粒直接粘附在其密封面上，則很可能導(dǎo)致這些顆粒粘附使得其閥座的密封面被阻擋而受到任何局部破壞，而柱塞閥的移動(dòng)也剛好能夠?qū)⒅苯痈街谄涿芊饷嫔系钠渌s質(zhì)直接推開，這樣也就沒有對(duì)其密封面形成任何的局部損傷，從而使得其具有良好的封閉特性。第四，密封環(huán)一般采用無(wú)色金屬材料焊接而成，不會(huì)在氣缸中產(chǎn)生任何生銹，閥門在高溫下或微開時(shí)主要承受到?jīng)_刷的兩個(gè)部位分別是柱塞和密封環(huán)兩個(gè)表面，密封環(huán)的表面一般都不被任何沖刷，故其的使用壽命大約相當(dāng)于截止閥壽命；第五，檢修簡(jiǎn)單方便，除必要時(shí)為了維護(hù)其密封環(huán)外，不像截止閥則必須要求對(duì)其閥瓣、閘座等零件進(jìn)行研磨。

4.三通的相關(guān)選用要求

在人們的行為習(xí)慣中，一般人都習(xí)慣原來(lái)的在上主管下連著其他分管道，而這種的方法的好處是，如在通水或試驗(yàn)的過程中采用三通法時(shí)，不受水平方位和左右方向的影響，并且使用比較簡(jiǎn)便，如在對(duì)氣體的管道沿著水平方位進(jìn)行信息分流時(shí)，它所用的焊制三通管必須朝上，可以有效的防止水氣凝堵塞管道，特別是對(duì)蒸汽的分管管道盡量從上面接出。

5.彎頭的使用

有些從業(yè)人員經(jīng)常講“配管不重要，接不上時(shí)，多用幾個(gè)彎頭就行了”，這樣一種方式在工作中是錯(cuò)誤的，我們要使每一根管線布置得經(jīng)緯分明，避免出現(xiàn)雜亂無(wú)章的情況。例如，當(dāng)工藝管道與不常見的大型公用工程管道之間進(jìn)行互換或接觸式處理時(shí)，宜用兩個(gè)端頭帶有法蘭的自動(dòng)回轉(zhuǎn)彎頭來(lái)取代傳統(tǒng)的閥門。從而使得我們能夠規(guī)避錯(cuò)誤的運(yùn)行。若按照目前我國(guó)比較傳統(tǒng)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，就是把原來(lái)的工藝管道與再生管道直接連接，在正常使用及運(yùn)行的時(shí)候，因?yàn)槠渲兄挥幸恍〔糠值脑偕艿滥軌蛘＿\(yùn)行，所以通常都會(huì)一頭熱一頭冷（較為普遍），應(yīng)力問題不易被現(xiàn)代人們所了解和處理好，采用反轉(zhuǎn)彎頭已經(jīng)完全能夠解決和規(guī)范化避免這樣的問題；排污管在需要移動(dòng)方向的條件下宜使用45°的彎曲式，有助于物料全部排盡，減少?gòu)U水對(duì)物料的積累[3]。

6.異徑管的使用

在日常的工作狀況下，異徑管主要可分成二類，一類使用偏心異徑管，另一類則使用同心異徑管。通常的情況下，并沒有什么特殊的規(guī)定，在水平管路上通常使用連接偏心異徑管，而在豎線方向上則是使用同心異徑管。當(dāng)管道由上至下地推動(dòng)泵時(shí)，宜考慮采用基礎(chǔ)底平式安裝。其使用的原則就是以保證它能夠完全排盡積凝物并且可以防止空氣阻力。

7.以化工設(shè)計(jì)中的管道材料選用為例

(1)耐熱管材的選用

耐熱管件通常特指某些能耐熱沖擊、耐高溫的管件。此外，考慮到這些化工管道在制造時(shí)會(huì)具有相應(yīng)的高危險(xiǎn)度，也會(huì)經(jīng)過設(shè)計(jì)使之具有抗氧化和耐腐蝕等特性。因此高溫管道也用作將化學(xué)生產(chǎn)物品運(yùn)送的重要途徑，其高抗氧化特性有效避免了化學(xué)品運(yùn)送過程中，有毒有害氣體和液體的泄露，也有效增強(qiáng)了化工生產(chǎn)的穩(wěn)定性。在現(xiàn)階段，對(duì)于化學(xué)產(chǎn)品管道在抗氧化方面來(lái)說，所采用的高碳素鋼管一般都會(huì)形成一個(gè)抗氧化膜覆蓋在其表面上，以增強(qiáng)其抗氧化功效。在這個(gè)過程中，還可將其他的微量元素，如鉻元素、鎂元素、硅元素等合理添加鋼里。鉻元素相對(duì)于鐵元素，抗氧化時(shí)效更短，因此它能形成并以抗氧化層包覆于金屬表面上，這也有效控制了更深層次氧化作用的產(chǎn)生。此外，通過將鉬元素與鉻元素?fù)饺牍艿纼?nèi)，還可以形成鉻-鉬合金，其在抗氧化方面也有著非常明顯的效果，所以尤其適用于石油化工生產(chǎn)中的管道設(shè)計(jì)。

(2)低溫管材的選用

對(duì)于化工管路設(shè)計(jì)中材質(zhì)的選用，還需要充分考慮到環(huán)境溫度問題，在-20℃或-196℃的溫度環(huán)境下，就應(yīng)該按照實(shí)際氣溫差異選用比較適宜的材料。例如：當(dāng)氣溫在-20℃至-40℃時(shí)，則不能采用碼素鋼管材料；當(dāng)氣溫在-40℃至-70℃時(shí)，則無(wú)法選用低合金鋼管材質(zhì)；當(dāng)工作溫度低于-70℃時(shí)，便無(wú)法選用高合金鋼管材。通常，在環(huán)境溫度降低至0℃以內(nèi)時(shí)，高鐵素鋼管的彈性就將大幅度降低，而脆性料質(zhì)也會(huì)隨之增加，所以，為了確?；瘜W(xué)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)陌踩?，就需要充分考慮到鋼管材質(zhì)的耐低溫特性。

(3)高溫管材的選用

有些化工產(chǎn)品的生產(chǎn)是處于高溫狀態(tài)下，所以其儲(chǔ)運(yùn)管路也要具有較強(qiáng)的耐高溫性能。因此在石油和化學(xué)工業(yè)管路設(shè)計(jì)中，對(duì)于高溫材料的選用，必須充分考慮到如下方面：在各種高溫下，對(duì)管路材質(zhì)的屈服強(qiáng)度大小所形成的反比變化，以及塑性的正比例變化，以及隨著時(shí)間推移，而產(chǎn)生的對(duì)管路材料力學(xué)特性以及荷載強(qiáng)度所形成的改變：在各種高溫條件下，對(duì)管路材質(zhì)的抗拉力大小改變，隨著高溫變化而產(chǎn)生的對(duì)管路材料的腐蝕性變化等。在化工制造流程中，當(dāng)高溫值超過350℃時(shí)，則為高溫環(huán)境。在此情形下，管子材質(zhì)也必然會(huì)遭受一定程度的熱侵蝕。所以，在其高溫環(huán)境下的管子材質(zhì)選用中，還對(duì)材質(zhì)的熱而腐蝕性作出了相應(yīng)要求，在一般情形下，高溫管道也具有相應(yīng)的高溫極限，如碳素鋼管，在其承受的高溫溫度達(dá)到了425℃以下時(shí)，就極有可能會(huì)出現(xiàn)普通碳素鋼的石墨烯化情況，而且還必須加入相應(yīng)的合金元素，以防止此類情況的產(chǎn)生，這樣增加了普通碳素鋼材料的熱穩(wěn)定性。同時(shí)，也可以采用高鎂元素鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼等，以更進(jìn)一步地改善化工管道使用的安全特性。

(4)塑料襯里材料的選用

在化工產(chǎn)品生產(chǎn)中，要保證化學(xué)儲(chǔ)運(yùn)管路的塑料內(nèi)襯的使用溫度不超過120℃。在其襯板材質(zhì)的選用上，大多為聚四氟、聚丙烯等。而相對(duì)的，施工單位和設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行材質(zhì)選用工作時(shí)，往往還需要將其移動(dòng)裝置的增值業(yè)務(wù)也列入考慮范圍之內(nèi)，以避免將其直接應(yīng)用到苯溶解介質(zhì)中。

8.管道材料

(1)不銹鋼焊接鋼管代替無(wú)縫鋼管

由于過去通常都只生產(chǎn)無(wú)縫鋼管，但若想用較薄壁加工的方法焊接不銹鋼管道時(shí)，又需要大量進(jìn)口其他國(guó)家所制造的產(chǎn)品，但是價(jià)格上也不合算，所以，使用無(wú)縫鋼管是可以理解的。目前，由于在國(guó)內(nèi)外主要的制造企業(yè)中均掌握了國(guó)際領(lǐng)先地位的焊接工藝技術(shù)和在線測(cè)試手段，所以根據(jù)有關(guān)專家建議，凡是使用在相對(duì)干凈的場(chǎng)合時(shí)（如純水、蒸餾水等），若水壓小于1.6MPa，即采用高頻率的焊接方法以焊接不銹鋼管道（高頻焊管系裝飾用管，若用于工業(yè)用管，就需運(yùn)用在線檢測(cè)的手段來(lái)保證質(zhì)量）來(lái)代替無(wú)縫鋼管。

(2)區(qū)別結(jié)構(gòu)用和一般流體輸送用鋼管

結(jié)構(gòu)用管道運(yùn)輸和一般流體運(yùn)輸用的管線，它們?cè)谖覈?guó)各種運(yùn)輸管線國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8162-1999、GB/T 8163-1999中，都有具體的說明。人們一般以為，對(duì)于這種無(wú)縫鋼管產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)沒有必要特別的說明，但是現(xiàn)在市面上已經(jīng)同時(shí)出現(xiàn)了供應(yīng)大型金屬結(jié)構(gòu)管道和一般流體運(yùn)動(dòng)運(yùn)輸用的管子。金屬結(jié)構(gòu)用的管子，主要都是應(yīng)用在一般的金屬結(jié)構(gòu)，并且需要能夠確保其強(qiáng)度和剛性，但是對(duì)流體運(yùn)動(dòng)輸送用的管道除一定要能夠確保具有滿足其所規(guī)定條件下的強(qiáng)度和剛性之外，還必須要求能夠保證其密閉性，因此按照要求對(duì)各個(gè)管子進(jìn)行一次水壓測(cè)量。

(3)新材料、新工藝的應(yīng)用

從當(dāng)前材料的使用情況來(lái)看，只有新材料以及新工藝的運(yùn)用，才能適應(yīng)現(xiàn)代新興行業(yè)對(duì)金屬板材、材料需求的同時(shí)減少國(guó)家的資源消耗。比如用滲鋁的碳鋼取代不銹鋼材料可以更好地在有機(jī)酸濃度較高的環(huán)境使用等。

9.小結(jié)

本文從我國(guó)配管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常用的一些管件和其他管材所選擇的原則以及配管方法等幾個(gè)角度來(lái)討論，相關(guān)人員在配管系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要注意的一些問題，并且充分地結(jié)合實(shí)際化工方面使用的情況，提出了部分管件與管道材料所選用的注意事項(xiàng)和設(shè)計(jì)理念，希望可以為日后類似的工作提供合理的借鑒。