EVA裝置超高壓管道系統(tǒng)典型選材分析

姚雪鳴

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

關(guān)鍵字：EVA 裝置；超高壓；管道系統(tǒng)；選材

EVA 是乙烯- 醋酸乙烯共聚物，分子式為（C2H4）x（C4H6O2）y。與常規(guī)聚乙烯相比，EVA 由于在分子鏈中引入了醋酸乙烯單體，降低了結(jié)晶度，提高了材料柔韌性、抗沖擊性能、填料混入性和熱密封性[1]，被廣泛應(yīng)用于發(fā)泡塑料、功能性棚膜、包裝膜、熱熔膠、電線電纜以及玩具等領(lǐng)域。近年來國內(nèi)外新建了很多不同規(guī)模的EVA 裝置，而EVA 裝置的特點(diǎn)就是超高壓。以某新建EVA 裝置為例，基本工藝如下：

1 超高壓管道系統(tǒng)常用材料

超高壓管道系統(tǒng)不像高中低壓管道系統(tǒng)，材料的選擇性相對較少，公稱壓力在PN 420 以上的管道系統(tǒng)目前國內(nèi)外尚沒有成熟且發(fā)布的相應(yīng)公稱壓力等級的管子、管件、法蘭、螺栓、墊片、閥門等管道組成件的材料、制造及檢驗(yàn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，因此，目前的超高壓管道系統(tǒng)均采用專利商及相應(yīng)制造商的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)和驗(yàn)收。

可用于超高壓管道系統(tǒng)的材料包括美標(biāo)材料、歐標(biāo)材料、日標(biāo)材料和國標(biāo)材料等等。上述EVA 裝置超高壓管道系統(tǒng)主要采用歐標(biāo)材料，用到了少量美標(biāo)材料，本文僅討論歐標(biāo)材料管配件的配套選用。

1.1 超高壓管道系統(tǒng)常用歐標(biāo)材料

EVA 裝置超高壓管道系統(tǒng)常用歐標(biāo)材料見表1。

表1 超高壓管道系統(tǒng)常用歐標(biāo)材料Tab.1 Common materials of EHP pipeline system

1.2 超高壓管道系統(tǒng)常用歐標(biāo)材料化學(xué)成分

EVA 裝置超高壓管道系統(tǒng)常用歐標(biāo)材料化學(xué)成分見表2。

表2 超高壓管道系統(tǒng)常用歐標(biāo)材料化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of common DIN standard materials for EHP pipeline system %

在EVA 裝置中，超高壓管道系統(tǒng)所用材料，其化學(xué)成分基于實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對某些元素含量進(jìn)行了調(diào)整，以獲得需要的耐腐蝕性能及機(jī)械性能，從而使材料能長期適用于超高壓工況。例如，應(yīng)用于PN 1 600 和PN 3 600 的超高壓材料30CrNiMo8，對有害雜質(zhì)硫、磷含量的控制必須非常嚴(yán)格，磷含量控制在≤0.025%，硫含量控制在≤0.005%；同時，為了獲得良好的沖擊韌性，需要將錳的含量控制在適當(dāng)?shù)姆秶?；銅的含量必須控制在≤0.4%，這在新標(biāo)準(zhǔn)DIN EN ISO 683-2—2018 中已規(guī)定。

2 影響選材的要素

超高壓管道系統(tǒng)材料的選用，在滿足相應(yīng)工況的介質(zhì)屬性、溫度、壓力以及振動、疲勞等前提下，其強(qiáng)度是首要考慮的因素，但不是唯一因素。管道系統(tǒng)選材需要考慮材料的耐腐蝕性能、材料的機(jī)械性能以及材料的可加工性能等各種因素。

對于材料的機(jī)械性能，需要考慮在制造、加工過程中材料性能的改變，要避免由于焊接、熱處理、加工成形、彎曲以及低溫或高揮發(fā)性流體突然減壓而產(chǎn)生的急冷造成材料韌性變化。PN 1 600 及以上的超高壓管道系統(tǒng)用的材料通常不允許焊接，以避免焊接導(dǎo)致材料原有的機(jī)械性能發(fā)生變化。

此外，材料選用還要考慮材料的加工工藝性能，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。

簡述如下：

2.1 材料的基本性能

金屬材料的機(jī)械性能主要包括：

（1）強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度），以Rm表示，是指在拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的最大應(yīng)力點(diǎn)，單位MPa；

（2）屈服極限（屈服強(qiáng)度），以ReL表示，是指材料的拉伸應(yīng)力超過彈性范圍，開始發(fā)生塑性變形時的應(yīng)力。而有些材料的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線并不出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，此時取試樣產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值作為條件屈服極限，以Rp0.2表示，單位MPa；

（3）延伸率，是衡量鋼材塑性的一個指標(biāo)，以δ表示，是指試樣在拉伸試驗(yàn)中發(fā)生破壞時，產(chǎn)生了百分之幾的塑性伸長量。試樣的原始長度，一般為試樣直徑的5 倍（δ5）或10 倍（δ10），單位為百分率（%）；

（4）斷面收縮率，也是衡量材料塑性的一個指標(biāo)，以ψ表示，是指試樣在拉伸試驗(yàn)發(fā)生破壞時，縮頸處所產(chǎn)生的塑性變形率，單位為百分率（%）；

（5）沖擊功，以AK 表示，是衡量鋼材韌性、確定鋼材是否產(chǎn)生脆性破壞的一個指標(biāo)，單位焦耳（J）；

（6）硬度，分為布氏硬度HB、洛氏硬度HR 和維氏硬度HV，反映材料對局部塑性變形的抗力及材料的耐磨性能。

（7）蠕變極限，是指在給定的溫度下和規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生一定蠕變量的應(yīng)力值。通常采用鋼材在設(shè)計(jì)溫度下，經(jīng)過100 000 h、蠕變率為1%時的應(yīng)力值，單位MPa；

（8）持久強(qiáng)度，以RD 表示，是指在給定溫度下，使試樣經(jīng)過一定時間發(fā)生蠕變斷裂時的平均應(yīng)力。通常采用試樣在設(shè)計(jì)溫度下，經(jīng)過10 萬小時斷裂時的應(yīng)力平均值，單位MPa。

EVA 裝置中超高壓管道系統(tǒng)典型材料室溫下主要的力學(xué)性能見表3。

表3 典型材料室溫下的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of typical materials at room temperature

為了使材料能長期適用于超高壓工況，基于實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，需要在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基礎(chǔ)上，對材料機(jī)械性能有所調(diào)整。在EVA 裝置中，材料的機(jī)械性能與標(biāo)準(zhǔn)是有所不同的。例如，X2CrNiMo17-12-2，表中所示的屈服極限較低，為了能在超高壓下長期使用，實(shí)際材料提高了屈服極限要求；而常規(guī)的30CrNiMo8 材料，按表中所示的斷裂延伸率和沖擊韌性明顯不足，因此采用了改性的30CrNiMo8（改），改性后的30CrNiMo8（改）材料不僅有足夠的屈服強(qiáng)度，還有較好的斷裂延伸率和沖擊韌性。這表明，超高壓工況所用材料需要根據(jù)具體應(yīng)用工況要求，對材料的機(jī)械性能進(jìn)行合理的調(diào)整。而不同的冶煉、加工及熱處理方式，將得到不同的機(jī)械性能。

2.2 壓力

超高壓管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，不應(yīng)低于操作過程中，由內(nèi)壓或外壓與溫度構(gòu)成的最苛刻工況下的壓力。最苛刻工況是指導(dǎo)致管道組成件最大壁厚或最高壓力等級的條件[9]。

2.3 溫度

管道組成件的設(shè)計(jì)溫度，不應(yīng)低于操作過程中，由壓力與溫度構(gòu)成的最苛刻工況時的溫度[9]。

隨著溫度的升高，材料的機(jī)械性能發(fā)生變化，以X6CrNiMoTi17-12-2 為例，各溫度梯度下的屈服極限變化如表4所示。

表4 各溫度梯度下的屈服極限Tab.4 Yield limits at various temperature gradients

材料選用不僅要考慮材料高溫蠕變和斷裂，還要考慮低溫冷脆的可能。當(dāng)金屬管道外壁受大氣環(huán)境影響時，管道設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮最低環(huán)境溫度的影響，避免金屬材料發(fā)生冷脆。

2.4 材料耐腐蝕性能

腐蝕工況很復(fù)雜，包括應(yīng)力腐蝕、硫和環(huán)烷酸腐蝕、氫氣管道（氫脆、氫腐蝕）、濕硫化氫、堿應(yīng)力腐蝕環(huán)境、液氨應(yīng)力腐蝕、連多硫酸應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等，由于EVA 裝置超高壓管道系統(tǒng)中，工藝介質(zhì)腐蝕性不強(qiáng)，這里不展開論述。

2.5 超高壓管道系統(tǒng)其他工況因素

（1）動力荷載

①各種原因引起的水力沖擊、液體或固體物料撞擊等產(chǎn)生的沖擊荷載。

②由機(jī)械振動、壓力脈動等振動產(chǎn)生的荷載。

③介質(zhì)泄壓、排放產(chǎn)生的反作用力。

EVA 裝置中，壓縮機(jī)將氣體升壓過程中，造成脈動、振動，超高壓管道系統(tǒng)選材時必須充分考慮，并進(jìn)行脈動分析和振動分析[10]。而安全閥泄放或爆破片爆破產(chǎn)生的反作用力，也需要在設(shè)計(jì)時予以考慮。

（2）溫差荷載

①管道熱脹冷縮但被約束（限位、導(dǎo)向、固定等）產(chǎn)生的作用力和力矩。

②由于管壁溫度變化或溫度分布不均勻而產(chǎn)生的管壁應(yīng)力及荷載。

在EVA 裝置中，超高壓管道系統(tǒng)管壁非常厚，內(nèi)外壁溫度不同導(dǎo)致管壁應(yīng)力差異，因此超高壓管道系統(tǒng)選材時應(yīng)加以考慮，盡可能降低壁厚，并進(jìn)行應(yīng)力分析。

（3）疲勞工況

指由于壓力循環(huán)、熱循環(huán)和其他周期性荷載而產(chǎn)生的疲勞工況。

由于超高壓通常需要多級壓縮機(jī)周而復(fù)始進(jìn)行加壓，期間管道系統(tǒng)頻繁地振動以及介質(zhì)在管道系統(tǒng)內(nèi)的脈動，會對管道系統(tǒng)造成極大的疲勞破壞。因此，超高壓管道系統(tǒng)選材時應(yīng)充分考慮疲勞工況，并對管系進(jìn)行疲勞分析。

3 EVA 裝置管道系統(tǒng)壓力等級及基本材料

在EVA 裝置中，超高壓管道系統(tǒng)壓力大致可分為四個等級：PN 500、PN 1 600、PN 3 600 和PN 4000。除了強(qiáng)度因素，EVA 裝置中超高壓管道系統(tǒng)的介質(zhì)，對材料的腐蝕性不強(qiáng)，系統(tǒng)溫度也不是很高，～300 ℃，而低溫則按環(huán)境溫度（-10 ℃）及事故工況（-50 ℃或-100 ℃）等，需要充分考慮材料的耐低溫性能。

對于PN 500 管道系統(tǒng)，-10～300 ℃，基本材料可選價(jià)格相對較低的25CrMo4 或24CrMo5；- 50 ℃或-100～300 ℃，考慮低溫，基本材料可選不銹鋼X6CrNiMoTi17-12-2 或者機(jī)械性能相近的X2CrNiMo17-12-2。

對于PN 1 600、PN 3 600 管道系統(tǒng)，基本材料可選30CrNiMo8（改）；此外，也可考慮選用材料X4CrNiMo16-5。

而PN 4 000 超高壓管道系統(tǒng)，由于口徑很小，可歸類至Tubing 管道系統(tǒng)?？趶皆叫?，能承受的壓力就越大，因此PN 4 000 管道系統(tǒng)可選擇屈服強(qiáng)度相對較低的材料，一般可采用316SS 不銹鋼材料，歐標(biāo)材料X2CrNiMo17-12-3。

4 EVA裝置管道系統(tǒng)各壓力等級管閥件配套選材

管道系統(tǒng)由管子、管件、閥門、法蘭、螺栓、墊片等管道組成件組成。但是所有管道組成件都采用相同的材料不一定是最好的。超高壓管道系統(tǒng)中，除了PN 500 系統(tǒng)的材料允許焊接，PN 1 600 和PN 3 600 系統(tǒng)材料是不允許焊接的，主要靠透鏡墊進(jìn)行密封連接。

為了獲得良好的密封效果，通常我們應(yīng)選擇強(qiáng)度和硬度相對于密封面較低的材料做墊片，以便在同等壓力下，首先由墊片受壓輕微變形來保持密封而不是讓法蘭或管子變形來進(jìn)行密封，同時也可減小更換或維修成本。當(dāng)管子、法蘭與墊片采用同種材料時，也應(yīng)對墊片采用不同的加工方式來適當(dāng)降低墊片的硬度。

螺栓不與介質(zhì)接觸，但需要考慮足夠的強(qiáng)度。尤其當(dāng)口徑較大時，如果螺栓強(qiáng)度不夠，就會導(dǎo)致螺栓直徑很大，從而法蘭也必需加大，造成材料浪費(fèi)使成本增加；因此對于大口徑的情況，可以選用更高強(qiáng)度的螺栓以減小螺栓直徑從而減小法蘭直徑。

通過對各種材料的性能進(jìn)行分析，根據(jù)材料適用的溫度和壓力以及材料基本性能，按PN 500、PN 1 600 和PN 3 600 分類，對管子、管件、閥門、法蘭、螺栓、墊片材料選用及配套使用進(jìn)行了分析及歸納。PN 500、PN 1 600 和PN 3 600 管配件典型材料配套選用見表5 和表6。

表5 PN 500 管道系統(tǒng)典型材料選用示例Tab.5 Typical material selection examples of PN500 pipeline system

表6 PN1600 和PN3600 管道系統(tǒng)典型材料選用示例Tab.6 Typical material selection examples of PN1600 &PN3600 pipeline systems

表5 中，基本材料為25CrMo4。墊片材料采用16MnCr5，采用退火處理，獲得較低的硬度。螺栓材料強(qiáng)度最高，隨著口徑增大，為了不至于使螺栓直徑過大，可選用強(qiáng)度更高的30CrNiMo8，而螺母選用40CrMoV4-6。

表6 中，基本材料為30CrNiMo8（改），PN 1 600和PN 3 600，法蘭材料用了21CrMoV5-7，強(qiáng)度比管閥件材料改性30CrNiMo8（改）要低一些，是因?yàn)榉ㄌm并不直接與介質(zhì)接觸，雖是螺紋連接卻并非螺紋密封，法蘭并不直接承受介質(zhì)的壓力。需要注意的是，盲法蘭與法蘭不同，盲法蘭是直接接觸墊片進(jìn)行密封的，因此盲法蘭材料與管閥件一致。而螺栓則選用了強(qiáng)度相對最高的材料。

當(dāng)墊片材料與管閥件相同時，需要采用合適的熱處理方式來降低硬度值，使墊片硬度低于管閥件的硬度。

5 結(jié)束語

超高壓管道系統(tǒng)材料選用需要根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性、溫度壓力工況、材料的基本性能，按管子、管件、法蘭、螺栓、墊片、閥門不同匹配要求進(jìn)行合理選材。除了上述歐標(biāo)材料，超高壓管道系統(tǒng)亦可采用美標(biāo)、國標(biāo)等材料，但是在選用時一定要注意管配件材料相互適配，尤其是與墊片形成的密封組件，以免造成密封不良或破壞管道系統(tǒng)。