王先建

管道材料在工程設(shè)計中的應(yīng)用

王先建

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司 江西南昌 330000）

工程設(shè)計中，管道運輸?shù)慕橘|(zhì)有一定的特殊性，如高溫、低溫、強腐蝕性等，管道材料的質(zhì)量對管道的安裝和使用有重要的影響。管材的選用既要考慮成本因素，又要考慮管道的安全、穩(wěn)定及長期使用，達到設(shè)計質(zhì)量要求。

管道材料；材料選用；工程設(shè)計；應(yīng)用

1 前言

工程設(shè)計中管道材料的設(shè)計與選用直接影響到裝置運行是否平穩(wěn)、操作是否安全、投資是否合理等。管材主要包括管道、管件、法蘭、墊片、緊固件、閥門及其他附件。管材設(shè)計主要文件有管道材料設(shè)計說明、管道等級索引表、管道等級表、管道壁厚表、支管連接表等[4]。

2 管道材料選用依據(jù)

（1）介質(zhì)特性：毒性、易燃、易爆性、腐蝕性（含氧化、酸堿離子腐蝕、氫腐蝕、氧腐蝕、H2S腐蝕等）。

（2）設(shè)計工況：設(shè)計溫度、設(shè)計壓力。

（3）材料特性：材料的物理性能、化學(xué)性能、機械性能、焊接性能等。

（4）其它因素：經(jīng)濟合理性及采購、貨源情況等因素。

3 設(shè)計和選用原則

在不同的工程中管道材料設(shè)計和選用有不同的特點，應(yīng)該注意特殊工況以及成熟可靠的經(jīng)驗選擇。一般情況下管道材料的設(shè)計和選用應(yīng)遵循以下原則：

3.1 材料

（1）選用的國內(nèi)材料的管道應(yīng)按照GB50316標準和規(guī)范進行設(shè)計、制造、焊接、熱處理、檢驗和試驗。選用的ASTM材料的管道應(yīng)按照ASME B31.3、ASME B31.1等標準和規(guī)范進行設(shè)計、制造。焊接、熱處理、檢驗和試驗。

（2）輸送極度危險介質(zhì)、高度危害介質(zhì)及液化烴的壓力管道應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)鋼制造，輸送可燃介質(zhì)的管道不得采用沸騰鋼制造。

（3）輸送腐蝕性介質(zhì)的管道選用材料應(yīng)有耐腐蝕能力。除一些局部腐蝕和應(yīng)力腐蝕需按具體情況考慮外，均勻腐蝕可根據(jù)介質(zhì)對金屬材料的腐蝕速率來選材。

（4）材料的使用溫度，不應(yīng)超過GB50316或ASME B31.3所規(guī)定的溫度上限。

（5）低溫管道用材料，應(yīng)按ASME B31.3的規(guī)定確定是否做低溫沖擊試驗，試驗要求應(yīng)符合ASME B31.3的規(guī)定。

（6）對操作溫度≥200℃，介質(zhì)中含有H2的碳鋼及低合金鋼管道，應(yīng)根據(jù)管道最高操作溫度加20～40℃的裕量及介質(zhì)H2的分壓，按臨氫作業(yè)用鋼防止脫碳和微裂的操作極限（Nelson曲線）選擇適當(dāng)?shù)目箽滗摬摹?/p>

（7）管道的壁厚應(yīng)考慮材料在工況下的腐蝕裕度。

3.2 管道及組成件

（1）選用國內(nèi)材料的管道及管道組成件均應(yīng)滿足GB、HG等標準中的尺寸、材料及其它要求。選用ASTM材料的管道及管道組成件都應(yīng)滿足ASTM、ANSI/ASME、API、MSS、BS等標準中要求的尺寸、材料及其它要求。

（2）不常用的管件規(guī)格如 DN32、DN65、DN90、DN125、DN550 應(yīng)盡量避免使用。

（3）閥門、法蘭、墊片、緊固件的選擇必須考慮工況下的溫度和壓力；必須考慮介質(zhì)的特性、毒性、燃爆性、腐蝕性、磨蝕性；對有極高安裝精度要求的地方，要特別注意公差的要求。

3.3 端面連接

（1）管道的連接形式通常采用下列幾種類型：螺紋連接、法蘭連接、咬合連接、對焊連接、承插焊連接。所有管道連接優(yōu)先采用焊接。

（2）螺紋連接優(yōu)先使用60°密封管螺紋，應(yīng)采用NPT螺紋，螺紋標準為GB/T 12716或ASME B1.20.1；使用55°密封管螺紋，螺紋標準為GB/T 7306.2。

（3）通常情況下，承插焊用于DN≤40的管件，對焊用于DN≥50的管件。

（4）在絲堵，放空/放凈，孔板法蘭的取壓點和熱電偶出口通常采用螺紋連接。注意特殊的介質(zhì)如H2、烴等易爆介質(zhì)及有毒介質(zhì)需要在螺紋連接處采用密封焊。

4 管道材料的選擇

4.1 耐熱管材的選用

耐熱管材指具有一定的高溫強度、耐氧化性好、耐氣體腐蝕性好、抗高溫脆化能力強、抗熱沖擊強度比較大的材料[1]。

高溫鋼在高溫氣體、特殊液體或氣體中暴露，為保證生產(chǎn)的安全，對其耐氧化性要求非常高。普通碳素鋼在生產(chǎn)過程的氧化作用下，所形成的氧化膜不能有效保護鋼管基體的作用，需在鋼管中適量添加一些鋁、鉻、鉬、硅等元素。鉻元素的氧化速度高于鐵，鉻首先在金屬表面形成氧化膜，限制了深入氧化。同時，碳素鋼中添加鉻和鉬，可形成鉬-鉻合金，具有很強的耐氧化性，可提高管道的抗氧化性。

4.2 低溫管材的選用

一般情況下，低溫指-196～-20℃的溫度。對工程管材而言，-40～-20℃，避免使用碳素鋼；-70～-40℃，避免使用低合金鋼；-196～-70℃，避免使用合金鋼。

一般情況下，低合金鋼和碳素鋼等鐵素體鋼，在零度以下，鋼的韌性急劇下降，脆性迅速上升，稱為冷脆現(xiàn)象。所以為了保證管材有良好的性能，不僅要保證在常溫下有很好的強度、韌性和焊接性，而且還要保證在低溫下，其管材依然保持良好的使用性能。工程設(shè)計中低溫管材常選20號鋼，這種鋼體性能轉(zhuǎn)變溫度為-40℃，在-20℃以上使用，可靠性很大。在低于-20℃時，要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范，進行沖擊韌性實驗，保證管材的脆性和韌性滿足生產(chǎn)要求。

若介質(zhì)溫度很低，可在鋼體中加入鎳、錳等元素，可降低材料的脆性。若材料中鎳元素含量為2.25%，則可在-60℃使用；若鎳元素含量為3.25%，則可在-100℃使用；若鎳元素含量為9%，則可在-196～-120℃使用。

4.3 高溫管材的選用

高溫作用下的管材，管材性能有如下特點：

（1）管材的屈服強度和溫度成反比，管材的塑性與溫度成正比。

（2）管材的荷載強度和力學(xué)性能隨時間的推移出現(xiàn)蠕變。

（3）管材的抗拉強度和溫度成反比。

（4）管材的腐蝕性隨溫度的升高而增強。

設(shè)計中高溫狀態(tài)以350℃為標準。在高溫狀態(tài)下，選擇管材要考慮耐腐蝕性、耐高壓性和耐高溫性。碳素鋼適用極限溫度為425℃，在這個溫度范圍內(nèi)，碳素鋼會出現(xiàn)石墨化，為避免此情況發(fā)現(xiàn)，可在鋼體中添加一些合金元素來提高碳素鋼的穩(wěn)定性。

4.4 非金屬材料的選用

若介質(zhì)有一定的腐蝕性，可使用非金屬管材，如PP、FRP、PPR、UPVC等。使用非金屬材質(zhì)需注意：①材料的使用溫度和壓力滿足化工要求。②防止壓力或溫度變化時，材料出現(xiàn)脆化。

4.5 特殊介質(zhì)管材的選用

4.5.1 氧氣管道材料的選擇

輸送氧氣一般選用不銹鋼或碳鋼材質(zhì)的管道。氧氣管道材料的選擇應(yīng)考慮氧氣的壓強和流速。在0.33～0.55MPa的壓強下，管道材質(zhì)通常選用碳鋼。對壓力等級要求較高的管道，材料一般選用不銹鋼。

（1）應(yīng)按照GB50030及相關(guān)標準規(guī)范。

（2）當(dāng)溫度＜200℃時，選用304或304L不銹鋼；當(dāng)溫度≥200℃時，選用Inconel 600。

（3）建議螺栓螺母采用不銹鋼。

（4）杜絕使用褶皺彎頭，易引發(fā)安全事故。

（5）通常采用大半徑彎頭，焊縫方式采用無縫形式。

（6）氧氣管道上采用全通徑閥門，不應(yīng)使用快開、快閉型閥門。嚴禁采用閘閥，閥門的填料應(yīng)采用聚四氟乙烯或膨脹石墨。

（7）墊片可選用纏繞式墊片或銅、鎳金屬平墊或環(huán)墊。

（8）氧氣管道、閥門、管件、儀表、墊片及其他附件必須脫脂處理。氧氣管道的連接應(yīng)采用焊接，但不可避免地與設(shè)備、閥門連接時可采用法蘭，用一氧化鉛、水玻璃或聚四氟乙烯薄膜作為填料，嚴禁用涂鉛紅的麻或棉絲，或其他含油脂的材料。

4.5.2 硫酸管道材料的選擇

硫酸具有強腐蝕性、高危害性特點，在選材時應(yīng)注意[3]：

（1）對96.5～99.5%的濃硫酸，當(dāng)溫度在25℃左右，壓強在0.25MPa左右時，材料的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)等保持穩(wěn)定，能耐受1.6mm的腐蝕裕量。

（2）使用20號鋼輸送濃硫酸時，應(yīng)控制硫酸的流速，不宜過快也不宜快慢不均。

（3）對濃硫酸，當(dāng)45℃＜T≤120℃時，應(yīng)選用316L+陽極保護方式。

（4）對于SO2、SO3等混合氣，應(yīng)根據(jù)輸送溫度選用不同材料的輸送管道。如T≤350℃，選用普通碳素體鋼（如：Q235B）；350℃＜T≤475℃，選用Q345；T＞475℃，材料選用 0Cr18Ni9。

4.5.3 鹽酸管道材料的選擇

對于15～30%的鹽酸，常采用FRP/PP復(fù)合材質(zhì)[2]。聚丙烯材料性能具有如下特點：

（1）在很大范圍內(nèi)的溫度和壓強下，能保持良好的耐腐蝕性能。

（2）在不同的酸堿環(huán)境下，抗腐蝕性能好。

（3）導(dǎo)熱系數(shù)低，具有良好的保溫功能。

（4）強度大，不易出現(xiàn)斷裂。

（5）密度小，質(zhì)量輕；使用時間長，成本低。

（6）易老化，在風(fēng)雪及外力長期作用下，性能受到極大影響。

玻璃鋼材料特點：耐腐蝕能力強，對水、大氣、一般濃度的酸、堿、鹽及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力，已有取代碳鋼、不銹鋼、有色金屬等趨勢；但在紫外線、風(fēng)沙雨雪、機械應(yīng)力等作用下容易老化，性能下降。

FRP/PP復(fù)合管道由聚丙烯管作內(nèi)襯，玻璃鋼作外增強層，經(jīng)機械纏繞工藝復(fù)合而成，具有耐腐蝕性能好，耐溫好、耐高壓、抗沖擊性能好、無毒、安裝方便等優(yōu)點，克服了單一PP管和FRP管的缺點。

4.5.4 苛性鈉堿液管道材料的選擇

苛性鈉堿液管材在使用過程中，在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，會對鋼材有一定的破壞，造成碳鋼材料的開裂，即為堿脆。在對其進行選用和設(shè)計的時，要控制氫氧化鈉溶液的濃度和溫度，保證生產(chǎn)安全。

4.5.5 煤制甲醇中管道材料的選擇

氣化單元中的煤漿、黑水和灰水介質(zhì)采用碳素體鋼，管道的腐蝕裕度CA值根據(jù)物料在管道中的磨蝕強弱來確定，一般磨蝕較輕時CA值為3mm（如：灰水介質(zhì)）；對于磨蝕較強，流速較高的含灰、渣的物料管道CA值一般取6mm、9mm（如：煤漿、黑水介質(zhì)）；煤漿、黑水介質(zhì)中CL-含量較高，易產(chǎn)生縫隙腐蝕，故不可采用承插焊的連接型式；DN≤40的管件、法蘭均采用對焊連接型式，閥門均采用法蘭式連接；煤漿、黑水介質(zhì)考慮到其磨蝕性，閥門一般選用全通徑球閥或軌道式球閥，不宜選用閘閥、截止閥。

4.5.6 磷酸/磷銨生產(chǎn)中管道材料的選擇

用硫酸或硝酸、鹽酸等分解磷礦制得磷酸通稱為濕法磷酸，濕法磷酸生產(chǎn)裝置用的防腐蝕材料有不銹鋼、耐蝕合金和非金屬材料。常見的腐蝕形態(tài)有點蝕、腐蝕-磨蝕、應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕等。在具體的工程設(shè)計中管道材料的選用如下：磷酸反應(yīng)料漿、磷銨料漿、濃磷酸、稀磷酸和回磷酸介質(zhì)的管道材料可選用00Cr17Ni14Mo2；酸性循環(huán)水、洗滌液、氟硅酸介質(zhì)的管道材料可選用鋼骨架復(fù)合HDPE；尾氣（含氟）介質(zhì)的管道材料可選用FRP。

4.6 管道材料應(yīng)用注意事項

4.6.1 材料替代問題

（1）同材料的國標材料代替美標材料，首先要考慮材料的使用溫度是否滿足要求。如對于美標的碳鋼材料，當(dāng)設(shè)計溫度低于-20℃時，就不能代用。當(dāng)設(shè)計溫度沒超出代用材料的范圍時，對法蘭和閥門要核對溫壓表。對管子和管件，需進行強度計算，核對設(shè)計壁厚是否滿足要求[5]。

（2）不同材料的代用，要考慮介質(zhì)對材料的腐蝕性，溫度范圍是否滿足要求，核對閥門和法蘭的溫壓表，是否需要進行強度計算。

（3）當(dāng)生產(chǎn)時間不允許時，可用同介質(zhì)同操作工況的管材替代。

（4）原則上以高代低，如高標準代替低標準，高等級代替低等級。

（5）無縫鋼管可代替有縫鋼管；有縫鋼管代替無縫鋼管時應(yīng)進行100%的射線探傷。

4.6.2 異種金屬連接問題

對于異種金屬材料之間的連接，宜優(yōu)先選擇法蘭連接的形式；若要采用焊接連接的形式，則需注意異種鋼之間的焊接問題，有關(guān)異種鋼焊接查閱相關(guān)標準規(guī)范。除此之外，為使管道性能以及各方面參數(shù)達標，應(yīng)加強對管道進行無損檢測，保證其完好性，避免在使用過程中出現(xiàn)泄漏問題，而導(dǎo)致其他方面的損失。

5 總結(jié)

綜上所述，在工程設(shè)計中管道材料的選擇至關(guān)重要，因工藝的復(fù)雜性、特殊性、多變性，在選擇管材時要全面、綜合的分析，尤其對環(huán)境、生產(chǎn)周期、采購等環(huán)節(jié)予以重視，保證生產(chǎn)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，進而實現(xiàn)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]楊磊磊.化工管道材料合理選擇與研究[J].化工管理，2014，07：159～160.

[2]張 惠.管道材料的選用分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（33）：105～106.

[3]何思然.化工設(shè)計過程中管道材料的選用分析[J].化工管理，2014，02：107～108.

[4]張鵬飛.化工裝置管道材料的設(shè)計和選用[J].遼寧化工，2013，05：593～594.

[5]徐寶東.化工管路設(shè)計手冊（1版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

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1004-7344（2016）33-0296-02

2016-11-9