管道材料在工程设计中的应用

2016-03-12王先建

大科技 2016年33期

关键词：管材法兰阀门

王先建

管道材料在工程设计中的应用

王先建

（中国瑞林工程技术有限公司江西南昌 330000）

工程设计中，管道运输的介质有一定的特殊性，如高温、低温、强腐蚀性等，管道材料的质量对管道的安装和使用有重要的影响。管材的选用既要考虑成本因素，又要考虑管道的安全、稳定及长期使用，达到设计质量要求。

管道材料；材料选用；工程设计；应用

1 前言

工程设计中管道材料的设计与选用直接影响到装置运行是否平稳、操作是否安全、投资是否合理等。管材主要包括管道、管件、法兰、垫片、紧固件、阀门及其他附件。管材设计主要文件有管道材料设计说明、管道等级索引表、管道等级表、管道壁厚表、支管连接表等[4]。

2 管道材料选用依据

（1）介质特性：毒性、易燃、易爆性、腐蚀性（含氧化、酸碱离子腐蚀、氢腐蚀、氧腐蚀、H2S腐蚀等）。

（2）设计工况：设计温度、设计压力。

（3）材料特性：材料的物理性能、化学性能、机械性能、焊接性能等。

（4）其它因素：经济合理性及采购、货源情况等因素。

3 设计和选用原则

在不同的工程中管道材料设计和选用有不同的特点，应该注意特殊工况以及成熟可靠的经验选择。一般情况下管道材料的设计和选用应遵循以下原则：

3.1 材料

（1）选用的国内材料的管道应按照GB50316标准和规范进行设计、制造、焊接、热处理、检验和试验。选用的ASTM材料的管道应按照ASME B31.3、ASME B31.1等标准和规范进行设计、制造。焊接、热处理、检验和试验。

（2）输送极度危险介质、高度危害介质及液化烃的压力管道应采用优质钢制造，输送可燃介质的管道不得采用沸腾钢制造。

（3）输送腐蚀性介质的管道选用材料应有耐腐蚀能力。除一些局部腐蚀和应力腐蚀需按具体情况考虑外，均匀腐蚀可根据介质对金属材料的腐蚀速率来选材。

（4）材料的使用温度，不应超过GB50316或ASME B31.3所规定的温度上限。

（5）低温管道用材料，应按ASME B31.3的规定确定是否做低温冲击试验，试验要求应符合ASME B31.3的规定。

（6）对操作温度≥200℃，介质中含有H2的碳钢及低合金钢管道，应根据管道最高操作温度加20～40℃的裕量及介质H2的分压，按临氢作业用钢防止脱碳和微裂的操作极限（Nelson曲线）选择适当的抗氢钢材。

（7）管道的壁厚应考虑材料在工况下的腐蚀裕度。

3.2 管道及组成件

（1）选用国内材料的管道及管道组成件均应满足GB、HG等标准中的尺寸、材料及其它要求。选用ASTM材料的管道及管道组成件都应满足ASTM、ANSI/ASME、API、MSS、BS等标准中要求的尺寸、材料及其它要求。

（2）不常用的管件规格如 DN32、DN65、DN90、DN125、DN550 应尽量避免使用。

（3）阀门、法兰、垫片、紧固件的选择必须考虑工况下的温度和压力；必须考虑介质的特性、毒性、燃爆性、腐蚀性、磨蚀性；对有极高安装精度要求的地方，要特别注意公差的要求。

3.3 端面连接

（1）管道的连接形式通常采用下列几种类型：螺纹连接、法兰连接、咬合连接、对焊连接、承插焊连接。所有管道连接优先采用焊接。

（2）螺纹连接优先使用60°密封管螺纹，应采用NPT螺纹，螺纹标准为GB/T 12716或ASME B1.20.1；使用55°密封管螺纹，螺纹标准为GB/T 7306.2。

（3）通常情况下，承插焊用于DN≤40的管件，对焊用于DN≥50的管件。

（4）在丝堵，放空/放净，孔板法兰的取压点和热电偶出口通常采用螺纹连接。注意特殊的介质如H2、烃等易爆介质及有毒介质需要在螺纹连接处采用密封焊。

4 管道材料的选择

4.1 耐热管材的选用

耐热管材指具有一定的高温强度、耐氧化性好、耐气体腐蚀性好、抗高温脆化能力强、抗热冲击强度比较大的材料[1]。

高温钢在高温气体、特殊液体或气体中暴露，为保证生产的安全，对其耐氧化性要求非常高。普通碳素钢在生产过程的氧化作用下，所形成的氧化膜不能有效保护钢管基体的作用，需在钢管中适量添加一些铝、铬、钼、硅等元素。铬元素的氧化速度高于铁，铬首先在金属表面形成氧化膜，限制了深入氧化。同时，碳素钢中添加铬和钼，可形成钼-铬合金，具有很强的耐氧化性，可提高管道的抗氧化性。

4.2 低温管材的选用

一般情况下，低温指-196～-20℃的温度。对工程管材而言，-40～-20℃，避免使用碳素钢；-70～-40℃，避免使用低合金钢；-196～-70℃，避免使用合金钢。

一般情况下，低合金钢和碳素钢等铁素体钢，在零度以下，钢的韧性急剧下降，脆性迅速上升，称为冷脆现象。所以为了保证管材有良好的性能，不仅要保证在常温下有很好的强度、韧性和焊接性，而且还要保证在低温下，其管材依然保持良好的使用性能。工程设计中低温管材常选20号钢，这种钢体性能转变温度为-40℃，在-20℃以上使用，可靠性很大。在低于-20℃时，要根据相关的规范，进行冲击韧性实验，保证管材的脆性和韧性满足生产要求。

若介质温度很低，可在钢体中加入镍、锰等元素，可降低材料的脆性。若材料中镍元素含量为2.25%，则可在-60℃使用；若镍元素含量为3.25%，则可在-100℃使用；若镍元素含量为9%，则可在-196～-120℃使用。

4.3 高温管材的选用

高温作用下的管材，管材性能有如下特点：

（1）管材的屈服强度和温度成反比，管材的塑性与温度成正比。

（2）管材的荷载强度和力学性能随时间的推移出现蠕变。

（3）管材的抗拉强度和温度成反比。

（4）管材的腐蚀性随温度的升高而增强。

设计中高温状态以350℃为标准。在高温状态下，选择管材要考虑耐腐蚀性、耐高压性和耐高温性。碳素钢适用极限温度为425℃，在这个温度范围内，碳素钢会出现石墨化，为避免此情况发现，可在钢体中添加一些合金元素来提高碳素钢的稳定性。

4.4 非金属材料的选用

若介质有一定的腐蚀性，可使用非金属管材，如PP、FRP、PPR、UPVC等。使用非金属材质需注意：①材料的使用温度和压力满足化工要求。②防止压力或温度变化时，材料出现脆化。

4.5 特殊介质管材的选用

4.5.1 氧气管道材料的选择

输送氧气一般选用不锈钢或碳钢材质的管道。氧气管道材料的选择应考虑氧气的压强和流速。在0.33～0.55MPa的压强下，管道材质通常选用碳钢。对压力等级要求较高的管道，材料一般选用不锈钢。

（1）应按照GB50030及相关标准规范。

（2）当温度＜200℃时，选用304或304L不锈钢；当温度≥200℃时，选用Inconel 600。

（3）建议螺栓螺母采用不锈钢。

（4）杜绝使用褶皱弯头，易引发安全事故。

（5）通常采用大半径弯头，焊缝方式采用无缝形式。

（6）氧气管道上采用全通径阀门，不应使用快开、快闭型阀门。严禁采用闸阀，阀门的填料应采用聚四氟乙烯或膨胀石墨。

（7）垫片可选用缠绕式垫片或铜、镍金属平垫或环垫。

（8）氧气管道、阀门、管件、仪表、垫片及其他附件必须脱脂处理。氧气管道的连接应采用焊接，但不可避免地与设备、阀门连接时可采用法兰，用一氧化铅、水玻璃或聚四氟乙烯薄膜作为填料，严禁用涂铅红的麻或棉丝，或其他含油脂的材料。

4.5.2 硫酸管道材料的选择

硫酸具有强腐蚀性、高危害性特点，在选材时应注意[3]：

（1）对96.5～99.5%的浓硫酸，当温度在25℃左右，压强在0.25MPa左右时，材料的化学性质、物理性质等保持稳定，能耐受1.6mm的腐蚀裕量。

（2）使用20号钢输送浓硫酸时，应控制硫酸的流速，不宜过快也不宜快慢不均。

（3）对浓硫酸，当45℃＜T≤120℃时，应选用316L+阳极保护方式。

（4）对于SO2、SO3等混合气，应根据输送温度选用不同材料的输送管道。如T≤350℃，选用普通碳素体钢（如：Q235B）；350℃＜T≤475℃，选用Q345；T＞475℃，材料选用 0Cr18Ni9。

4.5.3 盐酸管道材料的选择

对于15～30%的盐酸，常采用FRP/PP复合材质[2]。聚丙烯材料性能具有如下特点：

（1）在很大范围内的温度和压强下，能保持良好的耐腐蚀性能。

（2）在不同的酸碱环境下，抗腐蚀性能好。

（3）导热系数低，具有良好的保温功能。

（4）强度大，不易出现断裂。

（5）密度小，质量轻；使用时间长，成本低。

（6）易老化，在风雪及外力长期作用下，性能受到极大影响。

玻璃钢材料特点：耐腐蚀能力强，对水、大气、一般浓度的酸、碱、盐及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力，已有取代碳钢、不锈钢、有色金属等趋势；但在紫外线、风沙雨雪、机械应力等作用下容易老化，性能下降。

FRP/PP复合管道由聚丙烯管作内衬，玻璃钢作外增强层，经机械缠绕工艺复合而成，具有耐腐蚀性能好，耐温好、耐高压、抗冲击性能好、无毒、安装方便等优点，克服了单一PP管和FRP管的缺点。

4.5.4 苛性钠碱液管道材料的选择

苛性钠碱液管材在使用过程中，在拉应力和腐蚀介质的共同作用下，会对钢材有一定的破坏，造成碳钢材料的开裂，即为碱脆。在对其进行选用和设计的时，要控制氢氧化钠溶液的浓度和温度，保证生产安全。

4.5.5 煤制甲醇中管道材料的选择

气化单元中的煤浆、黑水和灰水介质采用碳素体钢，管道的腐蚀裕度CA值根据物料在管道中的磨蚀强弱来确定，一般磨蚀较轻时CA值为3mm（如：灰水介质）；对于磨蚀较强，流速较高的含灰、渣的物料管道CA值一般取6mm、9mm（如：煤浆、黑水介质）；煤浆、黑水介质中CL-含量较高，易产生缝隙腐蚀，故不可采用承插焊的连接型式；DN≤40的管件、法兰均采用对焊连接型式，阀门均采用法兰式连接；煤浆、黑水介质考虑到其磨蚀性，阀门一般选用全通径球阀或轨道式球阀，不宜选用闸阀、截止阀。

4.5.6 磷酸/磷铵生产中管道材料的选择

用硫酸或硝酸、盐酸等分解磷矿制得磷酸通称为湿法磷酸，湿法磷酸生产装置用的防腐蚀材料有不锈钢、耐蚀合金和非金属材料。常见的腐蚀形态有点蚀、腐蚀-磨蚀、应力腐蚀和晶间腐蚀等。在具体的工程设计中管道材料的选用如下：磷酸反应料浆、磷铵料浆、浓磷酸、稀磷酸和回磷酸介质的管道材料可选用00Cr17Ni14Mo2；酸性循环水、洗涤液、氟硅酸介质的管道材料可选用钢骨架复合HDPE；尾气（含氟）介质的管道材料可选用FRP。

4.6 管道材料应用注意事项

4.6.1 材料替代问题

（1）同材料的国标材料代替美标材料，首先要考虑材料的使用温度是否满足要求。如对于美标的碳钢材料，当设计温度低于-20℃时，就不能代用。当设计温度没超出代用材料的范围时，对法兰和阀门要核对温压表。对管子和管件，需进行强度计算，核对设计壁厚是否满足要求[5]。

（2）不同材料的代用，要考虑介质对材料的腐蚀性，温度范围是否满足要求，核对阀门和法兰的温压表，是否需要进行强度计算。

（3）当生产时间不允许时，可用同介质同操作工况的管材替代。

（4）原则上以高代低，如高标准代替低标准，高等级代替低等级。

（5）无缝钢管可代替有缝钢管；有缝钢管代替无缝钢管时应进行100%的射线探伤。

4.6.2 异种金属连接问题

对于异种金属材料之间的连接，宜优先选择法兰连接的形式；若要采用焊接连接的形式，则需注意异种钢之间的焊接问题，有关异种钢焊接查阅相关标准规范。除此之外，为使管道性能以及各方面参数达标，应加强对管道进行无损检测，保证其完好性，避免在使用过程中出现泄漏问题，而导致其他方面的损失。