劉儉

（天津修船技術(shù)研究所，天津 300456）

化工設(shè)計是把一項化工工程從設(shè)想變成現(xiàn)實的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一般需要考慮經(jīng)濟因素、技術(shù)因素、資源因素、產(chǎn)品因素以及環(huán)境因素等，重點強調(diào)提升設(shè)計的可行性，在現(xiàn)有技術(shù)條件下能夠以較低成本實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。管道材料的選擇是化工設(shè)計中管道設(shè)計的一個環(huán)節(jié)，主要強調(diào)保證管道的工作能力，包括其使用能力、安全性等。由于化工設(shè)計帶有一定的特殊性，需要運輸腐蝕性物質(zhì)、氧氣等特殊產(chǎn)品，加強管道材料選擇也因此顯得必要[1]。我國各地以《化工裝置管道布置設(shè)計規(guī)定》（HG/T 20549—1998）、《化工裝置管道機械設(shè)計規(guī)定》（HG/T 20645—2022）等指導(dǎo)具體工作，收效尚好。但進一步分析可發(fā)現(xiàn)，化工設(shè)計過程中管道材料的選擇依據(jù)和流程仍不完善，以提升安全性、保證管材使用性能為目標(biāo)，有必要就其選擇思路、方法等進行研究。

1 常用管道材料

1.1 金屬管材

金屬管材是較早用于化工行業(yè)的管道材料，可細分為鍍鋅鋼管、銅管、鋁塑復(fù)合管等，不同金屬材料的理化性質(zhì)存在區(qū)別，也各有特點。（1）冷鍍鋅鋼管目前已經(jīng)不再使用，熱鍍鋅鋼管仍在部分化工領(lǐng)域運用，該材料主要強調(diào)通過熱鍍工藝改善金屬材料的理化性質(zhì)，使以鐵（鋼）為核心材料的鋼管表面產(chǎn)生一層較薄的合金，進而提升鍍鋅鋼管的使用壽命和安全性。（2）銅管的優(yōu)勢在于便于加工和鑄造，抗氧化能力較強，與一般的液體、化學(xué)物質(zhì)不會產(chǎn)生反應(yīng)，能夠用于化工產(chǎn)品的運輸，且散熱性也較強[2]。（3）鋁塑復(fù)合管是一種復(fù)合管材，一般由塑料、熱熔膠、鋁合金、熱熔膠、塑料五個層次組成，其中最外層為塑料，塑料的強度不高，但耐腐蝕的能力比較突出；以鋁材為核心制備的合金則提升了管材的整體強度；熱熔膠用以提升管材應(yīng)對形變的能力，使化工原料、液體和氣體沖擊導(dǎo)致的管材形變可以自行恢復(fù)，不會導(dǎo)致管材的永久形變和損壞。

1.2 非金屬管材

非金屬管材在化工領(lǐng)域的運用更普遍，常見非金屬管材包括ABS 塑料管、聚乙烯管、聚丙烯管等。（1）ABS 塑料管是一種出現(xiàn)、運用時間較短的新型材料，該材料的特點在于結(jié)構(gòu)重量不大、流體阻力小，且化學(xué)性能和物理性能均比較理想，幾乎不與化工運輸物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，密閉性也較好。該材料的公稱壓力在0.6 ～1.6 MPa，線膨脹系數(shù)則為0.9 mm/（m·℃），滿足大部分化工設(shè)計和管道設(shè)計的要求，成本也較低[3]。但ABS 塑料管應(yīng)對氣體滲透的能力不強。（2）聚乙烯（Polyethylene，PE）管屬于塑料類管材，以單體乙烯聚合加工而成，一般在化工領(lǐng)域使用高密度聚乙烯，以保證其對壓力和溫度的應(yīng)對能力。從特點上看，聚乙烯管的優(yōu)勢在于易加工、成本較低，耐腐蝕能力和使用壽命比較理想。此外其施工方式成熟，也有助于削減建設(shè)成本。（3）聚丙烯管也屬于一種塑料類管材，其熱變形溫度較低，剛性也較低，優(yōu)點在于能夠應(yīng)對較強的沖擊破壞，可通過形變自我恢復(fù)，不會因環(huán)境變化出現(xiàn)應(yīng)力開裂問題，目前該材料的運用已經(jīng)比較普遍。

2 化工設(shè)計過程中管道材料的選擇誤區(qū)

2.1 片面關(guān)注強度

化工設(shè)計過程中，管道材料的選擇存在片面關(guān)注強度的問題，該問題是指工作人員偏重了解管道材料的整體強度，不關(guān)注材料是否能夠有效應(yīng)對形變，因此塑料類管材不能得到充分重視，尤其是聚乙烯管、聚丙烯管等新材。剛性較大的材料的優(yōu)勢在于能夠應(yīng)對一般性的沖擊破壞，適宜長距離運輸化工材料，但其往往存在耐腐蝕性上的不足，且容易在環(huán)境變化后出現(xiàn)應(yīng)力開裂問題，不能滿足一些復(fù)雜環(huán)境下的工作任務(wù)[4]。

2.2 未能做好統(tǒng)一管理

管道材料的標(biāo)準(zhǔn)化，是化工設(shè)計的基本要求和趨勢，以便于集中進行管理和更換。目前部分地區(qū)的化工設(shè)計未能做好統(tǒng)一管理，以致管道材料各有不同，管理難度也較大。如規(guī)模較大、建設(shè)時間較長的化工企業(yè)工作系統(tǒng)，不需要集中進行管材的全部更換，只周期更換工作負(fù)荷較大、老化速度較快的部分管材，工作區(qū)域內(nèi)各部門獨立進行管理，選用的管材即便符合國家標(biāo)準(zhǔn)，依然存在規(guī)格和材質(zhì)上的區(qū)別，影響后續(xù)化工設(shè)計、管道統(tǒng)一管理等工作[5]。

2.3 選擇高價格管道材料

無論金屬管材還是非金屬管材，均存在價格上的不同，一般而言，高價格材料的綜合性能略優(yōu)于普通材料，但因不同材料的適用性存在區(qū)別，在化工設(shè)計、管道設(shè)計活動中，高價格材料的使用價值與其價格并非完全成正比。部分地區(qū)在化工設(shè)計過程中，認(rèn)為高價格材料性能較好，片面以價格衡量管材的質(zhì)量和使用價值。此模式的弊端在于，高價格材料可能不符合管道設(shè)計所有環(huán)節(jié)的需要，如金屬材料應(yīng)對腐蝕的能力不足，腐蝕性較強的原料更適宜以非金屬管材組織運輸。僅以價格作為選取管材的依據(jù)并不客觀。

2.4 管道材料污染較大

部分材料能夠用于化工設(shè)計、管道系統(tǒng)建設(shè)，但其污染性較大，并不提倡持續(xù)、長期使用。如PVC 管、熱鍍鋼管等，這一類材料用于化工系統(tǒng)中，雖然能夠完成運輸氣體、液體的任務(wù)，但污染較大。如PVC 管的核心材料為聚氯乙烯，該材料已經(jīng)列入致癌物清單，在生產(chǎn)過程中危害人員健康，應(yīng)用于化工生產(chǎn)活動中的PVC 管危害較小，但在進行淘汰、燃燒處理時，會產(chǎn)生二噁英，對環(huán)境和人體均有不良影響；熱鍍鋼管產(chǎn)生的電鍍廢水，可能污染水體，導(dǎo)致重金屬污染等問題。選取上述材料進行化工管道設(shè)計和建設(shè)，不利于實現(xiàn)污染控制。

3 管道材料選擇原則

3.1 針對性原則

化工設(shè)計過程中，管道材料選擇的基本原則為針對性，即針對工作需要選用合適的管材。以運輸腐蝕性較強的材料為目的，建議選用非金屬類材料或復(fù)合類金屬管材，如ABS 塑料管、聚乙烯管、聚丙烯管、鋁塑復(fù)合管等。運輸物為氣體時，應(yīng)關(guān)注密閉性，此時不宜使用聚乙烯管。其他各類管道材料的選用也在此原則下具體開展，注意匹配化工設(shè)計、管道設(shè)計的實際需要。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化原則

標(biāo)準(zhǔn)化，是指在化工設(shè)計、管道設(shè)計的過程中，選用相同規(guī)格、相同材質(zhì)的管道材料，以便集中組織管理。規(guī)格方面，可按照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具體酌定，當(dāng)?shù)丶捌髽I(yè)組織內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)也可作為參考。材料方面，如果組織規(guī)模較大，需要多個地區(qū)分別組織管理，可建立規(guī)范的管理機制，將管道管理納入到統(tǒng)一的管理系統(tǒng)內(nèi)，包括管道的設(shè)計、管道材料選擇、更換等，確保所有工作可以統(tǒng)一開展，選用材料和規(guī)格統(tǒng)一的管材，以保證管理工作的效率。

3.3 環(huán)保原則

不同管道材料的使用價值不同，制造工藝、處理方式也存在差別，在化工設(shè)計過程中，原則上要求選用環(huán)保的管道材料。上文所述的熱鍍鋼管及PVC 管等，不能作為化工管道設(shè)計的首選。在條件允許的情況下，應(yīng)以使用壽命較長、處理和制造工藝成熟無污染（或少污染）的材料為主，包括樹脂材料、復(fù)合材料等。在可用材料均存在污染的情況下，應(yīng)選取污染較小、易處理的一類，以控制化工產(chǎn)業(yè)的負(fù)面影響。

3.4 經(jīng)濟原則

經(jīng)濟原則是指在化工設(shè)計過程中，選取總體價格較低、施工簡便、有助于保證工程總體效益的管道材料。如聚乙烯管、聚丙烯管，制備工藝比較簡單，現(xiàn)場施工也比較簡便、技術(shù)成熟，適宜大規(guī)模應(yīng)用，在非氣體類原料的運輸中，可作為管道設(shè)計的優(yōu)選材料。非腐蝕性氣體的運輸，對密閉性要求高，但一般不需要考慮對運輸管道的腐蝕破壞，可選用復(fù)合管材，包括ABS 塑料管等。單純的金屬管材價格一般較高，如銅管，因此使用時應(yīng)慎重對待，避免施工成本、建設(shè)成本過高的問題。

4 管道材料選擇方法

4.1 抗氧化管材的選用

化工系統(tǒng)中，運輸物可能與管道發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如氧化反應(yīng)，導(dǎo)致管道被破壞、腐蝕。在抗氧化管材的選擇過程中，首先應(yīng)關(guān)注其化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性，復(fù)合材料的應(yīng)用一般更為妥當(dāng)。如運輸物為氣態(tài)，復(fù)合材料可能存在密閉性的缺陷，也可以應(yīng)用熱鍍鋼管或鋁塑復(fù)合管；如運輸物的溫度較高（超過425 ℃），還應(yīng)考慮管道材料在高溫下的穩(wěn)定性，以沸騰鋼或碳元素鎮(zhèn)定鋼為核心材料替代普通鋼管為宜。

4.2 耐低溫材料的選用

低溫運輸在化工生產(chǎn)活動中并不少見，這要求化工管道能夠應(yīng)對低溫破壞，不會因低溫出現(xiàn)凍裂、阻力增加等問題。原則上當(dāng)運輸物的溫度低于0 ℃時，普通金屬材料均不宜作為中心材料，可調(diào)整其合金成分，提升應(yīng)對低溫破壞的能力。如運輸物溫度在-20 ～0 ℃，可采用20 號鋼作為管道主材組織運輸；部分介質(zhì)的溫度在-20 ℃以下，甚至達到-196 ℃的水平，可以奧氏體不銹鋼為材料進行管道系統(tǒng)建設(shè)。

4.3 耐高溫管材的選用

高溫運輸在化工產(chǎn)業(yè)中比較常見，在超過425 ℃的情況下可以沸騰鋼或碳元素鎮(zhèn)定鋼建設(shè)管道。除此之外，如果運輸物的溫度較高但未達到425 ℃，可對常規(guī)金屬材料進行成分調(diào)整，添加一定量的鉻以提升其化學(xué)穩(wěn)定性，添加鉬元素則有助于改善金屬管材的抗熱性能。從塑性角度出發(fā)，可適當(dāng)降低管道的剛性，以優(yōu)先滿足高溫運輸為目標(biāo)。

4.4 塑料里襯的選取

化工設(shè)計過程中，選擇管材材料需要考慮其抗破壞、耐腐蝕能力，這要求做好塑料里襯的分析和選用。通?？稍诠艿纼?nèi)部放置一定厚度的復(fù)合材料，如聚丙烯和聚四氟乙烯，均可應(yīng)對一般強度的腐蝕破壞，包括酸堿性物質(zhì)等。如果運輸物具有腐蝕性且溫度較高（120 ℃以上），聚丙烯和聚四氟乙烯不能作為塑料里襯，應(yīng)選取能夠應(yīng)對高溫影響的其他物質(zhì)，如交聯(lián)聚乙烯等。

4.5 濃硫酸、鹽酸輸送管材的選用

（1）濃硫酸是一種常用化工材料，該材料的腐蝕性很強，常規(guī)材料不能滿足其運輸需要，在化工設(shè)計過程中，應(yīng)選用能夠應(yīng)對其腐蝕破壞的優(yōu)質(zhì)材料。僅以運輸和存放為要求，鐵單質(zhì)材料可用于建設(shè)管道系統(tǒng)，以其與硫酸反應(yīng)后生成的氧化薄膜保證管道性質(zhì)的穩(wěn)定。如果濃硫酸的溫度較高，應(yīng)設(shè)法控制環(huán)境溫度，使其穩(wěn)定在30 ℃或25 ℃以下，工作壓力也不宜過高，一般在0.25 MPa 為宜。長時間使用的管道應(yīng)適當(dāng)增加厚度，以鋼材進行外層加固。（2）針對鹽酸運輸，通常應(yīng)以能夠應(yīng)對腐蝕破壞的復(fù)合材料為首選，包括聚丙烯材料等，如果運輸?shù)目偭枯^大，也可以在聚丙烯管的外圍組織加固。

4.6 氧氣輸送管材的選用

化工生產(chǎn)活動中，需要使用各類催化材料，包括氧氣等。氧氣的運輸需要考慮密閉性，以及環(huán)境的穩(wěn)定性，以避免氧氣外逸或出現(xiàn)燃燒、爆炸等問題。在進行氧氣運輸時，應(yīng)遵行《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》（2008 年版）（GB 50316—2000）等規(guī)范文件，以GC2 類型管道為基本要求。具體工作中，還應(yīng)分析運輸過程中氧氣的總輸送量、單位時間輸送量，如果氧氣總輸送量、單位時間輸送量較大，應(yīng)考慮使用加固、密閉措施，以理化性質(zhì)穩(wěn)定的金屬材料做管道加固，并妥善進行焊接。管道的抗形變能力、剛性以及密閉性是核心關(guān)注指標(biāo)。

5 結(jié)語

綜上所述，化工設(shè)計過程中管道材料的選擇十分重要，需要做好管理，確保所選管材得當(dāng)。當(dāng)前常用于化工活動的管道材料可分為金屬類和非金屬類，在管材選擇過程中常見工作誤區(qū)包括片面關(guān)注材料強度、未能做好統(tǒng)一管理、選擇高價格管道材料和污染較大的管道材料等。原則上，化工設(shè)計過程中管道材料的選擇應(yīng)保證針對性、標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)保化和經(jīng)濟性。具體方法上，抗氧化管材、耐低溫材料、耐高溫管材的用途和選擇方式各有不同，應(yīng)根據(jù)管材用途加以甄選，保證所選管道材料符合使用需要、可服務(wù)化工設(shè)計活動。