化工设计中管道材质的选用实例

王亚军 肖晶 马杰

摘 要：管道是化工工程中非常重要的组成单元，其正确的选材对于整个工程的安全稳定运行及工程造价都有着非常重要的意义，文章对设计过程中的管道材料选用进行了研究，并通过化工设计中管道材质的选用实例，具体论述管道材料的选用原则。

关键词：管道选材;NaCl溶液;钛管;PVC/FRP复合管

1 管道材质的分类

化工管道是由管道组成件、管道支承件组成，用于输送分配、混合、分离、排放、计量、控制或截止流体流动。管道组成件是用于连接或装配管道的元件，包括管子、管件、法兰、垫片、螺栓、阀门以及管道特殊件等设施。本文只论述管子材质的选用。管道常用的材料种类很多，主要分为金属材料、非金属材料两类。管道材质分类见表1：

2 材料选用的基本原则

工程上实际应用环境是十分复杂的，不同的介质、介质温度、介质压力等操作条件的组合，构成了无数个选材条件。因此，设计师在管道材料的选用时，应遵循以下几个原则：

2.1 满足操作条件的要求

2.1.1 介质特性

不同材质对同一腐蚀介质的耐腐蚀性能是不同的，应避免选用的管道材质出现应力腐蚀开裂等灾难性的腐蚀出现，而对于均匀腐蚀，也应该控制腐蚀速率小于0.5mm/a。

2.1.2 介质温度

温度的变化会引起材料的性能发生变化，如金属材料在低温下会出现脆性，而在高温下，会出现蠕变、球化、石墨化等问题。非金属材料有良好的耐腐蚀性能，但是却不耐高温。另外很多腐蚀的发生都与介质温度密切相关，甚至是腐蚀发生的基本条件，比如氨合成的氢氮气管道，由于氢分压的存在，当温度高于200℃时，必须考虑氢腐蚀的影响，根据纳尔逊曲线，在温度低于200℃时，选用20号钢是安全的，而温度超过200℃，20号钢会发生氢腐蚀，这时就必须选用抗氢钢。

2.1.3 介质压力

压力较高的管道，发生事故带来的危害性也较高，因此对材料的选择也更严格和谨慎。

2.2 选用的材料应适合相应的制造和安装，包括焊接、冷热加工即热处理等要求

选用的材料应该容易获得，其制造工艺成熟、可靠，并且是标准化、系列化便于大规模生产，工程上使用它才能保证安全稳定，同时节约设计、制造、安装使用等各环节的投入，大大降低工程造价。

2.3 满足既适用又经济的要求

该原则操作起来很复杂，要求设计师必须运用工程学、材料学、腐蚀学等方面的知识来综合判断。比如，许多材料标准和制造标准中，有一些附加检验项目，追加检验可以更好控制材料质量，但相应提高了成本，用户可以根据自己的使用条件合理选用，做到适用和经济的平衡。

3 管道材质选用工程实例

VCM装置废水蒸发项目主物料管道材质的选用实例：

工艺流程为烧碱VCM装置的废水三效蒸发，主物料为VCM装置含盐废水，其中NaCl浓度为60～90g/L废水，操作温度：50～138℃，操作压力：0.35～-0.03MPa（G），管道公称直径：DN32～DN350。

Cl-对金属腐蚀主要表现在降低材质表面钝化膜形成的可能或加速钝化膜的破坏，从而促进局部腐蚀。原因是氯离子半径小，穿透能力强，能优先吸附在钝化膜上，把钝化膜上的氧原子挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，在露出来的基底金属上形成小蚀孔（孔径多在20～30μm）。这些小蚀孔被称为孔蚀核。这些氯化物容易水解，使孔内溶液酸化，进一步加速孔内阳极的溶解。如此循环，腐蚀越来越快，并且向孔的深处发展，直至穿孔，如图1所示：

而奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的腐蚀，除了因为Cl-会破坏不锈钢表面的钝化膜，还因为Cl-能与不锈钢中的Cr发生反应，在晶间上形成贫铬区，使不锈钢发生晶间腐蚀。同时，奥氏体不锈钢发生应力腐蚀破裂的临界氯离子浓度随温度上升而减小，有资料显示，发生氯离子应力腐蚀破裂的临界温度为70℃。很明显本工艺中高温物料管不能选用奥氏体不锈钢材质。Cl-对碳素钢的腐蚀要比奥氏体不锈钢轻，但是腐蚀依然存在，而且碳钢材质会生锈，影响物料纯度，因此碳钢也不是理想选择。

对于氯离子的耐腐蚀性能，非金属管道是一個很好的选择，由于物料最高温度为138℃，常用非金属管道如橡胶管、PVC/FRP复合管、硬聚氯乙烯管等使用温度一般小于80℃，而钢衬四氟管道可以耐热到180℃，但是本工艺涉及微负压操作，对钢衬四氟管的加工提出了比较高的要求，根据建设方以往使用经验，钢衬四氟管道容易出现贴合不完整，局部腐蚀穿孔等现象，导致使用效果较差。

有色金属管钛管在氯化钠溶液中有良好的耐腐蚀性能，但是钛材价格昂贵，除了特殊工况，工程上使用不多。本工程温度高于60℃工艺管道公称直径小，为DN32～DN80，总长度为60m，并且由于钛的强度高，钛管的壁厚很薄，且密度为4.51×103kg/cm3，仅为碳钢的57.8%。估算材料及安装费用不超过3万元。温度低于60℃的工艺管道，非金属管可以使用，且介质本身无毒，对环境也没有危害，介质温度、压力很低，即使发生泄漏，也不会对人身和环境生态造成伤害，故而选用价格便宜的PVC/FRP复合材质。

综合以上原因分析，对于低于60℃的工艺物料管道，选用PVC/FRP复合材质，高于60℃的工艺物料管道，选用钛管。既满足了工艺生产的要求，又降低了整个工程的造价。

参考文献：

[1]张德姜.石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].北京：中国石化出版社，2009.

[2]宋岢岢.压力管道设计及工程实例（第2版）[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]徐宝东.化工管路设计手册[M].化学工业出版社，2011.

作者简介：

王亚军，女，汉族，北京蓝图工程设计有限公司。

肖晶，女，汉族，北京蓝图工程设计有限公司。

马杰，男，汉族，汇智工程科技股份有限公司武汉分公司。