宋先林（上海寶鋼氣體有限公司,上海 200124）

在化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，因?yàn)榛す艿绬栴}引發(fā)的化工安全事故已不少見，在這些事故的誘發(fā)因素中，化工管材的選用占據(jù)著重大的比重。因?yàn)榛す艿肋\(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)具有一些特殊的性質(zhì)，尤其是腐蝕性。如果不對化工管道的材料進(jìn)行科學(xué)的選擇，很可能導(dǎo)致在材料運(yùn)輸?shù)倪^程中出現(xiàn)管道破裂的危險(xiǎn)。所以，探討在化工設(shè)計(jì)過程中，管道材料的選用對保證化工材料和化工產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)陌踩跃哂兄匾囊饬x。

1 在化工設(shè)計(jì)中管道材料的選用依據(jù)

第一，介質(zhì)特性。介質(zhì)特性指的是選用的材料要保證無毒，易燃性和易爆性要差，抗腐蝕性要好。這里的抗腐蝕性包括抗氧化、抗氫腐蝕、抗酸堿離子腐蝕、抗H2S腐蝕等。第二，介質(zhì)工作參數(shù)。介質(zhì)工作參數(shù)指的是設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力在符合相關(guān)規(guī)定的同時(shí)，也要符合實(shí)際情況。第三，材料的物理特性、化學(xué)特性、力學(xué)特性、機(jī)械特性和焊接特性都要符合相關(guān)的要求。第四，管道材料的設(shè)計(jì)要符合經(jīng)濟(jì)性，要有充足的貨源，保證采購的順利性。

2 化工設(shè)計(jì)中管道材料選用原則

第一，在化工設(shè)計(jì)的過程中，材料的選擇要按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)—制造—焊接—熱處理—檢驗(yàn)—適用；第二，在對極度危險(xiǎn)介質(zhì)、液化烴、高度危險(xiǎn)介質(zhì)進(jìn)行輸送的過程中，要使用優(yōu)質(zhì)鋼對其進(jìn)行制造，在對可燃介質(zhì)進(jìn)行輸送的時(shí)候，不能使用沸騰鋼進(jìn)行管道的制作；第三，在對具有腐蝕性的介質(zhì)進(jìn)行輸送的時(shí)候，要使用抗腐蝕性好的管道材料。在選擇管道材料的時(shí)候，除了要考慮應(yīng)力腐蝕和局部腐蝕以外，還要對均勻腐蝕進(jìn)行考慮。第四，材料使用的溫度不能超過相關(guān)規(guī)定的最大溫度。第五，對于低溫管道材料的選擇，要在相關(guān)規(guī)定的指導(dǎo)下進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，然后再進(jìn)行合理的選擇。第六，對于操作溫度在200攝氏度以上的情況來說，輸送的介質(zhì)中含有氫氣，在選擇材料的時(shí)候要在管道的最高溫度上加20攝氏度到40攝氏度，按照林氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限來選擇合適的抗氫鋼材。第七，管道壁的厚度要在考慮腐蝕性的情況下進(jìn)行合理的選擇。

3 耐熱管材的選用

耐熱管材是指具有一定的高溫強(qiáng)度、耐氧化性比較好、耐氣體腐蝕性比較好、抗高溫脆化能力比較強(qiáng)、抗熱沖擊強(qiáng)度比較大的材料[1]。本文以耐氧化性比較好的管材為重點(diǎn)對耐熱管材的選用進(jìn)行分析。

在化工生產(chǎn)的過程中，高溫鋼管會(huì)在高溫氣體、特殊的液體或氣體中暴露，在這種情況下，為了保證化工生產(chǎn)過程的安全性，高溫鋼管的耐氧化性就要非常好。目前，在化工生產(chǎn)過程的氧化作用下，通常使用的碳素鋼鋼管的表面會(huì)形成一層氧化膜，不能有效的起到保護(hù)鋼管基體的作用。所以，為了增強(qiáng)鋼管的抗氧化性，可以在鋼管中適量的添加一些鋁元素、硅元素、鉻元素等金屬元素。其中鉻元素的氧化會(huì)快于鐵元素的氧化，事先在金屬的表面形成氧化膜，從而限制了氧化作用的深入發(fā)展。除此之外，在鋼管中添加一定的鉻元素和鉬元素，可以形成一種鉻—鉬合金，這種鉻—鉬合金具有很強(qiáng)的耐氧化性，可以在很大程度上提高化工管道的抗氧化性，尤其是在石油化工生產(chǎn)的管道中非常適用。

4 低溫管材的選用

一般情況下，低溫指的就是溫度在零下20℃到196℃之間的溫度，對于化工管材來說，在零下20℃到40℃之間時(shí)，要避免適用碳素鋼管材；在40℃—70℃時(shí)，要避免使用低合金鋼管材；在70℃—196℃之間時(shí)，要避免使用合金鋼管材[2]。

一般來說，低合金鋼管材和碳素鋼管材等鐵素體鋼，在零℃以下的條件下，其鋼體的韌性就會(huì)急劇下降，脆性會(huì)迅速提升。所以為了保證管材具有良好的性能，不僅要保證在常溫環(huán)境下，管材具有很好的強(qiáng)度、韌性和焊接性，同時(shí)還要保證在低溫的環(huán)境下，化工管材依然具有很好的使用性能。

在化工設(shè)計(jì)的過程中，最常選用的低溫管材就是20號(hào)鋼，這種鋼體性能轉(zhuǎn)變的溫度在-40℃左右，所以在使用的過程匯中，可以在-20℃以上的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就能在很大程度上保證化工安全。如果在化工生產(chǎn)的過程中，轉(zhuǎn)換的溫度低于-20℃，在這種情況下，要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范，進(jìn)行同溫沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，保證管材的脆性和韌性滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

如果化工生產(chǎn)的溫度更低，在選用管材的時(shí)候可以選擇一些含有鎳元素和錳元素對鋼體溫度脆性具有很好改善作用的管材。如果選用的鋼材中鎳元素的含量是2.25%，那么這種鋼材就可以在-60℃的溫度下使用；如果選用的鋼材中的鎳元素含量是3.25%，那么這種鋼材就可以在-100℃的條件下使用；如果選用的鋼材中的鎳元素含量是9%，那么這種鋼材就可以在-196℃—-120℃的條件范圍內(nèi)使用。

5 高溫管材的選用

化工生產(chǎn)經(jīng)常在高溫條件下進(jìn)行，化工管材在高溫作用下，管材的性能會(huì)復(fù)雜化。一般情況下，在化工生產(chǎn)中，高溫管材的選用需要滿足以下條件：第一，管材的屈服強(qiáng)度和溫度成反比例變化，管材的塑性和溫度成正比例變化；第二，管材的荷載強(qiáng)度和力學(xué)性能會(huì)隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)蠕變；第三，管材的抗拉強(qiáng)度和溫度會(huì)呈現(xiàn)出反比例變化；第四，管材的腐蝕性會(huì)隨著溫度的升高而增強(qiáng)。

化工過程中的高溫狀態(tài)是以350℃為標(biāo)準(zhǔn)的，在高溫狀態(tài)下，管材會(huì)遭受一定的腐蝕，所以在選擇高溫管材的時(shí)候，不僅要考慮管材的耐高溫性，還要考慮管材的耐腐蝕性。一般來說，碳素鋼適用溫度的極限在425℃左右，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，碳素鋼會(huì)出現(xiàn)石墨化，為了避免這種情況的發(fā)生，可以在其中添加一些合金元素來提高碳素鋼的穩(wěn)定性[4]。當(dāng)超過這個(gè)溫度范圍的時(shí)候，為了保證化工管道使用的安全性，可以使用沸騰鋼、鋁元素鎮(zhèn)靜鋼。

6 特殊介質(zhì)管材的選用

6.1 非金屬材料的選用

在化工生產(chǎn)中，如果管道運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)具有一定的腐蝕性，在這種情況下，不可以選用金屬管材，可以使用一些非金屬管材，比如pp管材等。但是在選用非金屬管材的時(shí)候要注意以下兩種情況：第一，材料適用的溫度和壓力可以滿足化工要求；第二，防止非金屬材料在壓力、溫度發(fā)生變化時(shí)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象。

6.1.1 塑料襯里材料的選用

一般情況下，在化工生產(chǎn)的過程中，塑料襯里的使用溫度要控制在120℃以下，可以作為化工管材的襯里材料有聚丙烯、聚四氟等。在選用這些材料的時(shí)候，除了要考慮溫度因素以外，還要考慮應(yīng)用環(huán)境，不可以在苯溶解介質(zhì)中使用。

6.1.2 苛性鈉堿液管材的選用

苛性鈉堿液管材在使用的過程中，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，會(huì)對碳鋼材料產(chǎn)生一定的破壞，造成碳鋼材料的開裂。所以在對其進(jìn)行選用和設(shè)計(jì)的時(shí)候，要控制好氫氧化鈉的溫度和濃度，保證化工生產(chǎn)的安全性。

6.1.3 硫酸管材的選用

硫酸具有很強(qiáng)的腐蝕性，所以如果化工管道的輸送介質(zhì)是硫酸時(shí)，就要對化工管材進(jìn)行科學(xué)的選擇。一般情況下，對于95%和98%之間的濃硫酸來說，管道的溫度適宜控制在20度左右，實(shí)際操作中的壓力最好控制在0.2帕左右，腐蝕裕量的取值為1.5，選用20號(hào)管材，20克材料的壓力應(yīng)該在1.6帕左右，溫度應(yīng)該控制在200度左右。在輸送硫酸的過程中，碳鋼的抗腐蝕性取決于硫酸亞鐵保護(hù)膜，為了有效的保護(hù)這層保護(hù)膜不會(huì)受到破壞，要嚴(yán)格的控制管道中硫酸的流速。如果在運(yùn)輸同一種硫酸的過程中，管道內(nèi)的溫度發(fā)生了變化，可以選用不銹鋼管材進(jìn)行控制。如果操作溫度在29度左右，操作壓力在2帕以下，硫酸的腐蝕裕量到達(dá)3，對于管材可以選用316L號(hào)的不銹鋼管材。

6.1.4 氧氣管材的選用

當(dāng)化工管道的輸送介質(zhì)為氧氣的時(shí)候，一般情況下，化工管道的材料可以選擇碳鋼或者不銹鋼。這兩種類型的化工管道以設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力為依據(jù)，在很多情況下會(huì)設(shè)計(jì)為GC2類型的管道。因?yàn)檠鯕鈱儆谝环N助燃?xì)怏w，在輸送的過程中和其他的氣體混合，如果受到外力的沖擊可能會(huì)發(fā)生爆炸。如果氧氣在運(yùn)輸?shù)倪^程中發(fā)生意外，會(huì)造成停產(chǎn)等嚴(yán)重的后果。所以，對于氧氣管材，在選擇的過程中要考慮兩個(gè)方面的問題，一方面是氧氣的壓強(qiáng)問題；另一方面是氧氣的流速問題。一般情況下，如果氧氣的壓強(qiáng)在0.33帕和0.55帕之間時(shí)，可以選擇碳鋼管。如果氧氣的壓強(qiáng)比較高，就要選擇不銹鋼管道，并且要保證管道的直徑要超過管道外徑的4倍，同時(shí)管道的長度要保證在2米以上，而且在制作管道的時(shí)候要禁止使用褶皺彎頭，防止在管道使用的過程中發(fā)生安全事故。但是在實(shí)際的選材過程中，還是要根據(jù)管道的實(shí)際壓力和流速來進(jìn)行選擇。一般情況下，在管道的管件選擇方面要盡量的選擇大半徑彎頭，并且彎頭的半徑要超過管道外徑的6倍，在焊接的時(shí)候要使用無縫焊接的方式來進(jìn)行。在對管道的閥門材料進(jìn)行選擇時(shí)，要以實(shí)際的壓強(qiáng)情況為準(zhǔn)，選擇不銹鋼材料。

6.1.5 鹽酸管材的選擇

鹽酸具有一定的腐蝕性，所以對于輸送鹽酸的管材也要合理的選擇。如果鹽酸的濃度在15%和30%之間，在運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候要選擇由聚丙烯材料制成的管道，因?yàn)檫@種管道的抗腐蝕能力非常好，能夠在很大的壓強(qiáng)和溫度下保持很好的耐腐蝕性，除此之外，還可以在復(fù)雜的鹽酸環(huán)境下保持很好的耐腐蝕性。同時(shí)，這種使用聚丙烯材料制成的管道的導(dǎo)入率不高，所以它的保溫性能特別好。而且聚丙烯管材的熔口的強(qiáng)度比較高，所以在使用的過程中能夠很好的避免管道斷開的情況出現(xiàn)，能夠很好的保證管材的使用質(zhì)量。并且，由聚丙烯材料制成的管材密度比較小、質(zhì)量比較輕，所以在使用的過程中非常便捷，使用的壽命比較長。除此之外，由聚丙烯材料制成的管道的成本比較低，可以大面積的使用。雖然聚丙烯材料在輸送鹽酸的過程中有種種優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些缺點(diǎn)，比如容易在使用的過程中出現(xiàn)老化的現(xiàn)象，在使用的過程中，如果受到風(fēng)力、降水或者降雪等天氣情況的影響，管道的使用性能會(huì)在很大程度上下降。

7 結(jié)語

在化工設(shè)計(jì)的過程中，管道材料的選擇是非常重要的。因?yàn)榛どa(chǎn)環(huán)境的多變性和復(fù)雜性，所以要根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境選擇適用的管道材料。本文從耐熱管道材料的選用、低溫管道材料的選用、高溫管道材料的選用和特殊介質(zhì)的管道材料的選用四個(gè)方面對化工設(shè)計(jì)過程中管道材料的選用進(jìn)行了探討，以期對化工設(shè)計(jì)中管道材料選用的相關(guān)研究產(chǎn)生一定的參考價(jià)值。

[1]張建偉.化工工藝管道中的安裝方式[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,（4）:31-32.

[2]何思然.化工設(shè)計(jì)過程中管道材料的選用分析[J].化工管理,2015,（6）:107+109.

[3]李一文.化工裝置管道材料的設(shè)計(jì)和選用分析[J].化工管理,2014（3）:197.

[4]金俠杰.基于業(yè)主方的大型化工管道工程材料集成管理[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2013（6）:654-660.