化工裝置設計中管材的選擇要點與應用

丁建梅

（新地能源工程技術有限公司設計分公司，河北石家莊 050011）

隨著化工行業(yè)飛速發(fā)展，化工裝置的長周期安全運行勢在必行，在化工項目建設中，管道費用占整個項目費用約30%，而管材（包括管子、管件和閥門）的費用約占管道工程的80%，如何確定管材，對裝置運行的安全性、經(jīng)濟性都有著重要的影響，同時也是評價管道設計優(yōu)劣的重要依據(jù)之一。因此，化工管道設計中，管道如何選材也提出了更高的要求。每個化工裝置都可能用到各種危險化學品，如易燃易爆、有毒、腐蝕性、氧化性等，科學、合理地優(yōu)選管道材料，對降低項目投資費用、確?；どa(chǎn)的安全長周期運行、提高經(jīng)濟效益起到?jīng)Q定性作用。

1 化工管道材料的選用原則

化工裝置中的管道猶如人體的血管，管道是化工裝置的重要組成部分。管道是由管子、管件、閥門、管道上用的小型設備等管道組成件連接成的輸送流體或傳遞壓力的通道，化工裝置中涉及到各種介質(zhì)的輸送，其操作參數(shù)千差萬別、危險性也有很大差異，確保管道安全運行的關鍵是管道的選材。

化工裝置中管道輸送的介質(zhì)很復雜，不同性質(zhì)的化學品對應的管材也有所不同，同一種化學品不同操作條件對應的管材也有差異，例如：輸送的化學品具有易燃易爆、腐蝕性、氧化性等特性，或一種化學品兼有幾種危險特性，因此化工裝置管道材料選擇應遵守如下原則：現(xiàn)行的標準規(guī)范；管道級別、設計溫度、設計壓力、介質(zhì)特殊要求等設計條件；管道材料的耐腐蝕性能、加工工藝性能、焊接性能；經(jīng)濟合理性。

只有在全面分析、綜合考慮各種影響因素下才能做出科學、合理地管材選配，也才能真正意義上發(fā)揮管道材料的功能和作用。

2 化工管道材料的選用要點

2.1 常溫、中低壓管道

常溫、中低壓的操作環(huán)境對管材的力學性能要求并不高，如果介質(zhì)沒有腐蝕、無毒等特殊要求，可以選低碳有縫鋼管和低碳無縫鋼管。

低碳有縫鋼管按《低壓流體輸送用焊接鋼管》GB/T3091選擇，管道材料為Q235A、Q235B、Q215A 等。

低碳無縫鋼管按《輸送流體用無縫鋼管》GB/T8163、《低中壓鍋爐用無縫鋼管》GB3087 選擇，管道材料為10、20、Q345等。

2.2 高溫管道的材料選擇

化工裝置中經(jīng)常用到高溫管道，高溫管道是指工作溫度超過350℃的管道。在化工設計中，針對高溫管道在選材時必須牢固把握以下幾點：

第一，材料的伸張、屈服等會跟隨外部溫度的上升而下降，管道升溫時，材料屈服強度則下降，材料塑性也會跟著外界溫度而上升。高溫條件下，此兩大性能高溫環(huán)境下有著截然相反的要求，實際選配材料過程中必須做出清晰分辨。

第二，化工材料承載力、力學會隨著使用時間的延長逐漸變?nèi)酢?/p>

第三，材料的抗拉強度也將跟隨溫度的變化而變化，溫度越高，抗拉強度越低。

第四，在高溫下環(huán)境介質(zhì)對材料的腐蝕會加強。

對于高溫、不伴有腐蝕的管道來說，通常選用高溫高壓低合金無縫鋼管，可在350～550℃的高溫工況下使用，按《高壓化肥設備用無縫鋼管》GB/T6479、《高壓鍋爐用無縫鋼管》GB/T5310、《石油裂化用無縫鋼管》GB9948選擇，管道材料為12Cr2Mo、15CrMo、1Cr5Mo、15CrMoG 等。但須注意以下幾點：碳鋼、碳錳鋼、低溫鎳鋼不宜長期在425℃以上溫度下使用；碳鉬鋼不宜長期在470℃以上溫度下使用，鉻鉬合金鋼長期在400～550℃溫度下使用，有可能產(chǎn)生回火脆性，應采取適當?shù)姆雷o措施。

對于高溫并伴有腐蝕的管道來說，通常選用不銹鋼管，可在-196℃及600℃以上工況下使用，按《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》GB/T14976、《高壓鍋爐用無縫鋼管》GB/T5310、《石油裂化用無縫鋼管》GB9948 選擇，常用的管道材料有0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2等。但須注意以下幾點：鐵素體不銹鋼及馬氏體不銹鋼不宜在370℃以上使用；雙相不銹鋼不得在300℃以上使用；鉻鎳奧氏體不銹鋼在540～900℃下長期使用時應控制奧氏體鋼中的鐵素體含量及過度冷變形。

對于高溫臨氫管線，選用材質(zhì)主要依據(jù)Nelsom 曲線，常用于高溫抗氫管道的材料為1Cr5Mo。但須注意的是：此材料在正火加回火狀態(tài)時屬珠光體鋼；在淬火＋回火狀態(tài)下為馬氏體組織，此時鋼的可焊性下降。

2.3 低溫管道的材料選擇

化工裝置中經(jīng)常用到低溫管道，低溫管道是指工作溫度在-20～-196℃的管道。一般碳素鋼、低合金鋼等鐵素體鋼，在冰點以下會出現(xiàn)冷脆現(xiàn)象。

針對低溫管道在選材時必須牢固把握以下幾點：

第一，低溫管道用鋼應采用鎮(zhèn)靜鋼。

第二，當設計溫度低于或等于-20℃時，碳素鋼、低溫碳鋼、低合金金鋼、中合金鋼和鐵素體高合金鋼，母材及其焊縫金屬和熱影響區(qū)應按低溫管道的設計規(guī)定進行低溫沖擊試驗。

第三，鉻鎳奧氏體不銹鋼母材在設計溫度高于或等于-196℃，且滿足下列各項要求時，可免做低溫沖擊試驗：材料含碳量小于或等于0.1%；材料應為固溶熱處理狀態(tài)。

第四，鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫金屬及熱影響區(qū)在滿足下列各項要求時，可免做低溫沖擊試驗：含碳量不小于0.1%的母材，不加填充金峰焊接，設計溫度不應小于-101℃；焊縫金屬含碳量不超過0.1%，焊接使用的填充金屬符合相應標準，設計溫度不應低于-101℃；焊縫金屬含碳量超過0.1%，焊接使用的填充金屬符合相應標準，設計溫度不應小于-48℃。

第五，-20～-40℃不宜用碳素鋼，-40～-70℃不宜用低合金鋼，-70～-196℃不宜用一般低合金鋼，-196℃以下不宜用低碳普通不銹鋼。

設計時可按《高壓化肥設備用無縫鋼管》GB6479、《低溫管道用無縫鋼管》GB/T18984、《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》GB/T14976選擇，常用的低溫管道材料主要有：10鋼最低使用溫度-30℃，20鋼最低使用溫度-20℃，16Mn 鋼最低使用溫度-40℃，16MnDG 鋼最低使用溫度-46℃，06Ni3MoDG 鋼最低使用溫度-101℃，304H、321H、347H、309S、310S、310H鋼最低使用溫度-196 ℃，304、304H、304L、316L、316H、321、347鋼最低使用溫度-253℃。

2.4 幾種特殊介質(zhì)管道的材料選擇

（1）硫酸管材的選配

硫酸是化工裝置經(jīng)常用到的一種強腐蝕性化學物質(zhì)，并且不同濃度的硫酸化學性質(zhì)上有差異，因此硫酸管道設計時要根據(jù)硫酸溶液的濃度綜合考慮其安全性、經(jīng)濟性、操作參數(shù)進行管道選材。對于稀硫酸，碳鋼、316L 不銹鋼都不能很好地抗腐蝕，一般選非金屬管道，常用鋼襯塑料、鋼襯搪玻璃管，鋼襯塑料管道輸送硫酸溫度不可過高，鋼襯搪玻璃管一般壓力不超過1.0MPa，溫度不超過-20-200℃；如果硫酸濃度80%以上，可采用鑄鐵和碳鋼；對于發(fā)煙硫酸，可以選碳鋼，不能選用鑄鐵。

（2）硝酸管材的選配

硝酸是化工裝置經(jīng)常用到的一種強氧化性、強腐蝕性化學物質(zhì)，對濃度在70%以下的稀硝酸，通常選用鉻、鉻鎳不銹鋼，適用溫度接近介質(zhì)的沸點；對于濃度更高的硝酸，常溫下可選用鉻、鉻鎳不銹鋼，但超過50℃腐蝕很快；對于高溫高濃度的硝酸，可選高鉻鎳不銹鋼。

（3）氧氣管材的選配

氧氣是一種助燃氣體，它與其他氣體不同比例混合，易發(fā)生爆炸事故，因此氧氣管道材料選擇要慎重。氧氣管道一般選不銹鋼或碳鋼，主要根據(jù)壓力和流速來確定，選配原則如下：壓力小于3MPa，且流速小于15m/s 時可選碳鋼管；壓力小于3MPa，且流速小于25m/s 時可選不銹鋼管；壓力大于3MPa，且流速小于4.5m/s 時選不銹鋼管；壓力大于10MPa，且流速小于6m/s 時選銅基合金管。為保證安全生產(chǎn)，不僅在設計時要嚴格執(zhí)行以上原則，而且實際運行時也一定要嚴格控制氧氣管道不能超壓、超速。

（4）衛(wèi)生級管材的選配

精細化工、醫(yī)藥化工、高純氣體的管道大多數(shù)有潔凈衛(wèi)生要求，故選材有特殊要求。為防止介質(zhì)輸送過程中被污染，管道材料選擇基本要求為無毒、耐腐蝕、耐高溫、光滑等，通常選304、316拋光管。不銹鋼拋光管根據(jù)加工工藝和光潔度不同又分為AP、BA、EP 級。在化工設計中，根據(jù)工藝要求選擇不同的拋光管。

3 結束語

化工管道設計中材料的選擇十分關鍵，特別是材料的選擇對于整個化工項目的投資、運行安全都有著極為重要的影響，因此在管道設計時必須根據(jù)管道輸送介質(zhì)的特性、操作條件、管道材料性能，在滿足現(xiàn)行標準規(guī)范的前提下，科學、合理地進行管道選材，才能確保化工裝置既能安全平穩(wěn)運行，又能減少裝置的投資。