探討化工設(shè)計過程中管道材料的選用

侯利燕

摘要：化工產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的地位，從農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)到石油、建筑，都離不開化工制造。值得注意的是，化工生產(chǎn)在給人們帶來高效、便利的同時，蘊藏的危險因素也在不斷增加?；ぴ现胁环τ卸?、有害、有腐蝕性的物質(zhì)，一旦暴露于周圍環(huán)境，將造成嚴重的后果。從化工管道材料的角度出發(fā)，對化工管材選用依據(jù)及策略進行探討。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)計;管道;材料選用

化工設(shè)計內(nèi)容繁雜，涉及的專業(yè)領(lǐng)域較多，既包含設(shè)備選型、工藝計算，又包含車間布置、流程規(guī)范等。管道的布置和設(shè)計是其中較為關(guān)鍵的項目，化工管材選型不當、管徑不匹配等狀況，均有可能導(dǎo)致化工原料逸出、泄漏等，進而污染廠房環(huán)境，嚴重時甚至?xí)l(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒事故。因此，對化工管材進行科學(xué)探討和選用事關(guān)生產(chǎn)安全，應(yīng)當給予充分重視和考量。

1 化工設(shè)計過程中管材選用依據(jù)

1.1 輸送介質(zhì)特性

化工生產(chǎn)具有一定的特殊性，管道輸送介質(zhì)通常具有較強的腐蝕性，部分物料還具有易燃易爆的特性，這些介質(zhì)長期封閉于管材內(nèi)部，很容易侵蝕管材，縮短管道使用壽命的同時，也容易產(chǎn)生泄漏等生產(chǎn)問題，延誤化工企業(yè)正常運營，甚至引發(fā)嚴重的安全事故。因此，在選用管材時，應(yīng)將輸送介質(zhì)作為重要的考量依據(jù)，比如針對易燃易爆介質(zhì)，可以選用碳素鋼、低合金鋼等;輸送可燃性介質(zhì)時，要杜絕沸騰鋼的應(yīng)用;對用于苛性鈉堿液等腐蝕性物料運送的化工管材，要重點關(guān)注裂口損傷等問題，選擇抗腐蝕材料的同時，合理控制氫氧化鈉的溫度、濃度等數(shù)值，提升管道運行的可靠性。

1.2 工作參數(shù)狀況

化工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，不同流水線或生產(chǎn)工藝中所用到的管道存在較大差異，因此，選材時還要考慮管道所在位置的工作參數(shù)狀況，比如溫濕度、壓力等都是常見的變化參數(shù)，用于﹣20℃物料運送的管道，要提前做好低溫沖擊試驗;對于操作溫度超過200℃且介質(zhì)中存在氫氣等易燃氣體的化工管道，應(yīng)選擇抗氫鋼材，并以高出實際溫度20～40℃的標準選擇管材。此外，化工管道種類繁多，規(guī)格型號、管道直徑、管壁厚度等參數(shù)不盡相同，與工作場景的適配程度也有很大區(qū)別，在選擇時，應(yīng)將兩者的參數(shù)進行精準匹配，提升輸送效率，規(guī)避事故風(fēng)險。

1.3 國家標準規(guī)范

化工生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，危險性相對較高，因此，化工行業(yè)針對生產(chǎn)工藝中容錯率較低的環(huán)節(jié)也制定了一些標準規(guī)范，用于約束設(shè)計和生產(chǎn)行為。管材選用就是重要的研究和規(guī)范對象，在進行化工設(shè)計時，可以將相關(guān)標準作為基礎(chǔ)依據(jù)，在不違背標準的前提下考慮經(jīng)濟成本因素。比如， GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中就對石油輸送鋼管進行了詳細闡述，從鋼管等級到制造工藝、檢測技術(shù)都有明確規(guī)定，為管材選用提供了理論支持。

1.4 材料經(jīng)濟成本

化工設(shè)計是一項全局性工作，不僅要滿足技術(shù)和安全要求，也要兼顧經(jīng)濟成本問題，若一味地選擇性能優(yōu)良的管道，可能會產(chǎn)生超預(yù)算問題，使化工設(shè)計無法執(zhí)行下去。基于此，在選用管材時，應(yīng)將經(jīng)濟因素納入考量范圍，在滿足介質(zhì)、參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇性價比較高的材質(zhì)，對管道輸送要求也要做好合理分析，避免管徑過大造成經(jīng)濟損失。對于抗腐蝕性要求較低的部位，可以適當降低管道性能標準，緩解前期投入和維護壓力，但要注意，千萬不能因為片面關(guān)注成本問題而以劣充好。

1.5 節(jié)能環(huán)保特性

化工產(chǎn)業(yè)本身屬于污染重點治理產(chǎn)業(yè)，化工物料中不乏腐蝕性、有毒有害氣體、液體和固體，排放到環(huán)境中，將對區(qū)域環(huán)境造成毀滅性打擊，同時也容易危害人體健康。因此，在管道設(shè)計中，應(yīng)將節(jié)能環(huán)保特性作為考慮重點，一方面，關(guān)注管材的密閉性，合理設(shè)置接口、管徑等參數(shù)，防止出現(xiàn)滲漏問題;另一方面，考察管材生產(chǎn)制造以及使用環(huán)節(jié)的環(huán)保性能，以節(jié)能環(huán)保為比選標準，比如聚丙烯性能穩(wěn)定、質(zhì)量小，生產(chǎn)環(huán)節(jié)也不會產(chǎn)生過多的污染物，完全可以將其應(yīng)用于腐蝕性介質(zhì)運送管道中。

2 化工設(shè)計過程中管材選用策略

2.1 抗氧化管材的選用

在化工生產(chǎn)中，氧化反應(yīng)對管道的侵蝕往往與高溫存在很大關(guān)聯(lián)，這就要求材料在具備耐熱性能的同時，還應(yīng)具備一定的抗氧化能力。綜合考慮材質(zhì)性能和生產(chǎn)需求后，很多化工企業(yè)會選擇碳素鋼管進行管道搭建，這種材料在高溫環(huán)境下的氧化速度相對較快，會在管材表面生成致密的保護膜，具有阻隔高溫氧化的作用，可提升化工管道的抗氧化性能，防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。這種原理與鋁的氧化膜生成原理類似，作為一種金屬，鋁本身的化學(xué)性質(zhì)相對活躍，但在接觸空氣后，表面會迅速氧化生成三氧化二鋁薄膜，可隔絕外界空氣，避免氧化作用的進一步發(fā)展。需要注意的是，這種反應(yīng)機制雖然防護效率極高，但在溫度達到一定限值后會失去作用。碳素鋼的極限穩(wěn)定溫度為425℃，可以滿足350 ℃高溫環(huán)境的運送需求，但如果超過425 ℃的極限穩(wěn)定值，就不能再單純依靠這種方式，可以選用沸騰鋼或碳元素鎮(zhèn)定鋼[1]。

2.2 耐低溫材料的選用

受生產(chǎn)工藝的影響，化工管道有時需要輸送超低溫介質(zhì)，即溫度處于﹣196～﹣ 20℃的介質(zhì)，當溫度低至一定程度時，很容易使管道發(fā)生凍裂情況，埋下安全隱患，所以在低溫輸送場景中，可以結(jié)合實際情況，適當設(shè)計耐低溫管材，防止管道損壞。需要注意的是，不同低溫等級對化工管道的威脅程度是不一樣的，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實況，選擇適用性最高的材料。以化工常用管材為例，鐵塑鋼在低于0℃的環(huán)境下會出現(xiàn)脆性上升的情況，在低溫環(huán)境下要盡量避免使用這種管材，以防管道破裂;碳素鋼的耐低溫性能較高，但同樣不能在﹣20℃的環(huán)境中使用;若介質(zhì)溫度小于等于﹣40℃，則可以通過提升合金含量來保障鋼管的耐低溫性能;當溫度低于70℃ 時，合金鋼管材的脆性同樣會上升，適用性下降。另外，在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，并不是只有達到低溫區(qū)間才會采取預(yù)防措施，實際上，介質(zhì)溫度低于0℃就會引發(fā)管道損傷風(fēng)險，對于﹣20～0℃的介質(zhì)，企業(yè)通常采用20號鋼進行管道搭建。

2.3 耐高溫管材的選用

高溫是化工管道經(jīng)常面臨的生產(chǎn)場景之一，當溫度超過350℃時，會對管道產(chǎn)生較強的腐蝕和沖擊，降低管道運行的穩(wěn)定性，因此，必須進行耐熱設(shè)計。高溫鋼管在耐熱性方面表現(xiàn)極為出色，不僅可以實現(xiàn)高溫物料的輸送，還能滿足有毒有害氣體、液體的穩(wěn)定傳送，對化工安全生產(chǎn)有重要的保障意義，在高溫鋼管中添加鉻元素與鉬元素還能進一步提升其抗熱性能和抗氧化性能。具體來講，耐高溫管材的選擇通常應(yīng)關(guān)注材料屈服強度與塑性特征，當溫度持續(xù)升高時，選定管材的屈服強度應(yīng)呈下降趨勢，塑性應(yīng)呈上升趨勢，進而保障管道具有充足的抵抗微量塑性變形的能力，保障化工管道質(zhì)量。

2.4 塑料里襯的選取

化工生產(chǎn)中通常涉及腐蝕性介質(zhì)的輸送，而金屬材質(zhì)的抗腐蝕性較差，因此，為滿足強度和抗腐蝕需求，在化工設(shè)計中，還會采用塑料里襯，聚丙烯以及聚四氟乙烯都是較為常見的塑料里襯材質(zhì)，穩(wěn)定性較好，室溫環(huán)境下可以滿足鹽酸、過氧化氫等介質(zhì)的輸送需求，且無毒無味、耐低溫，具有較強的適用性。但當溫度超過120 ℃時，這兩種材料的穩(wěn)定性均有不同程度的下降，影響管道的正常使用。因此，在選取塑料里襯時，應(yīng)特別關(guān)注介質(zhì)溫度變化區(qū)間，做好參數(shù)匹配。

2.5 濃硫酸輸送管材的選用

濃硫酸是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料，其強腐蝕性對管材的可靠性提出了較大挑戰(zhàn)。在溫度較低的情況下，鐵質(zhì)管材可以滿足濃硫酸的輸送和存放要求，這是因為濃硫酸與鐵離子反應(yīng)后，會生成致密氧化物薄膜，在鐵管與濃硫酸之間形成阻隔，規(guī)避腐蝕反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生。但當化工鐵管內(nèi)部溫度不均衡時，濃硫酸表面的薄膜會在溫度作用下遭到破壞，進而導(dǎo)致濃硫酸與管道直接接觸，造成腐蝕和損傷。針對濃硫酸的這種性質(zhì)，在設(shè)計管道時，一方面，要做好介質(zhì)溫度和壓力控制，25 ℃為最佳環(huán)境溫度，工作壓力穩(wěn)定在0.25 MPa較好;另一方面，還可以使用不銹鋼材料，提升管道的穩(wěn)定性和可靠性，比如不銹鋼316L三通，常見規(guī)格有 DN150、DN250等，增厚的肩部和內(nèi)壁可以有效提升耐酸堿性能。稀硫酸的輸送則應(yīng)在管道內(nèi)部設(shè)置塑料里襯，如果選用20號碳鋼，則要關(guān)注硫酸亞鐵的生成情況，合理控制濃硫酸的流動速度，為管道提供強有力的保護作用。

2.6 氧氣輸送管材的選用

氧氣是化工生產(chǎn)中常見的助燃材料，由于性質(zhì)特殊，其輸送管道一般選用抗壓性較強的不銹鋼、碳鋼等材質(zhì)， GC2類型就是較為常見的管道種類。同時，由于氧氣易燃，在輸送過程中一旦與其他氣體接觸，就會提升爆炸事故發(fā)生的概率，延誤化工生產(chǎn)進程。因此，除管道材料外，還應(yīng)結(jié)合流速、壓強等參數(shù)進行科學(xué)的布局設(shè)計。在壓強較低的生產(chǎn)場景中，可以直接使用不銹鋼進行運送，但要注意規(guī)劃好管道的直徑和長度，在拐彎處要做好密閉措施，防止管道斷開產(chǎn)生裂縫、引發(fā)氧氣泄漏問題。此外，與氧氣相比，氫氣的易燃特征更加明顯，在設(shè)計管道時，不僅要關(guān)注管道材質(zhì)、連接、安裝問題，還應(yīng)做好防腐、防雷措施，嚴格遵守《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》，可以應(yīng)用天然氣管線鋼系材質(zhì)進行布局設(shè)計[2]，提升化工管道的可靠性和穩(wěn)定性。

2.7 鹽酸輸送管材的選用

鹽酸同硫酸一樣具有較強的腐蝕性能，當鹽酸質(zhì)量分數(shù)達到15%～30%時，很容易對化工管道造成損傷，因此，選用管材時要慎重考慮。聚丙烯是較好的鹽酸輸送管道材料，對鹽酸具有較為明顯的抗腐蝕性能，外界壓強與溫度的變化對聚丙烯也不會產(chǎn)生嚴重的負面影響，可以將其作為首要選項。此外，聚丙烯導(dǎo)入率也相對較低，保溫性能良好，熔口強度高，可以有效規(guī)避管道斷裂事故，延長化工管道的使用壽命，降低化工企業(yè)在維護檢修和管理方面的成本投入。聚丙烯材料本身質(zhì)量較小，價格較低，可以同時滿足經(jīng)濟與實用需求。

3 結(jié)語

科學(xué)的管道選用能夠為化工生產(chǎn)提供良好的安全保障，提升化工生產(chǎn)效率。因此，在化工設(shè)計中，應(yīng)正視管材的關(guān)鍵地位，結(jié)合介質(zhì)特性、工作參數(shù)、國家標準等合理選用管道，對耐高溫、耐低溫、非金屬管材適用場景做好差異化分析，最大限度地提升管道的匹配性，延長管道的使用壽命，為化工企業(yè)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)奠定良好基礎(chǔ)。

[參考文獻]

[1]劉軍.化工設(shè)計過程中管道材料的選用[J].化工設(shè)計通訊，2020（9）：22-23.

[2]買濤.化工設(shè)計過程中管道材料的選用研究[J].化工管理，2020（4）：145-146.