探讨化工设计过程中管道材料的选用

侯利燕

摘要：化工产业在国民经济中具有举足轻重的地位，从农业、医学到石油、建筑，都离不开化工制造。值得注意的是，化工生产在给人们带来高效、便利的同时，蕴藏的危险因素也在不断增加。化工原料中不乏有毒、有害、有腐蚀性的物质，一旦暴露于周围环境，将造成严重的后果。从化工管道材料的角度出发，对化工管材选用依据及策略进行探讨。

关键词：化工设计;管道;材料选用

化工设计内容繁杂，涉及的專业领域较多，既包含设备选型、工艺计算，又包含车间布置、流程规范等。管道的布置和设计是其中较为关键的项目，化工管材选型不当、管径不匹配等状况，均有可能导致化工原料逸出、泄漏等，进而污染厂房环境，严重时甚至会引发火灾、爆炸、中毒事故。因此，对化工管材进行科学探讨和选用事关生产安全，应当给予充分重视和考量。

1 化工设计过程中管材选用依据

1.1 输送介质特性

化工生产具有一定的特殊性，管道输送介质通常具有较强的腐蚀性，部分物料还具有易燃易爆的特性，这些介质长期封闭于管材内部，很容易侵蚀管材，缩短管道使用寿命的同时，也容易产生泄漏等生产问题，延误化工企业正常运营，甚至引发严重的安全事故。因此，在选用管材时，应将输送介质作为重要的考量依据，比如针对易燃易爆介质，可以选用碳素钢、低合金钢等;输送可燃性介质时，要杜绝沸腾钢的应用;对用于苛性钠碱液等腐蚀性物料运送的化工管材，要重点关注裂口损伤等问题，选择抗腐蚀材料的同时，合理控制氢氧化钠的温度、浓度等数值，提升管道运行的可靠性。

1.2 工作参数状况

化工生产工艺复杂，不同流水线或生产工艺中所用到的管道存在较大差异，因此，选材时还要考虑管道所在位置的工作参数状况，比如温湿度、压力等都是常见的变化参数，用于﹣20℃物料运送的管道，要提前做好低温冲击试验;对于操作温度超过200℃且介质中存在氢气等易燃气体的化工管道，应选择抗氢钢材，并以高出实际温度20～40℃的标准选择管材。此外，化工管道种类繁多，规格型号、管道直径、管壁厚度等参数不尽相同，与工作场景的适配程度也有很大区别，在选择时，应将两者的参数进行精准匹配，提升输送效率，规避事故风险。

1.3 国家标准规范

化工生产环境较为恶劣，危险性相对较高，因此，化工行业针对生产工艺中容错率较低的环节也制定了一些标准规范，用于约束设计和生产行为。管材选用就是重要的研究和规范对象，在进行化工设计时，可以将相关标准作为基础依据，在不违背标准的前提下考虑经济成本因素。比如， GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》中就对石油输送钢管进行了详细阐述，从钢管等级到制造工艺、检测技术都有明确规定，为管材选用提供了理论支持。

1.4 材料经济成本

化工设计是一项全局性工作，不仅要满足技术和安全要求，也要兼顾经济成本问题，若一味地选择性能优良的管道，可能会产生超预算问题，使化工设计无法执行下去。基于此，在选用管材时，应将经济因素纳入考量范围，在满足介质、参数要求的基础上，尽量选择性价比较高的材质，对管道输送要求也要做好合理分析，避免管径过大造成经济损失。对于抗腐蚀性要求较低的部位，可以适当降低管道性能标准，缓解前期投入和维护压力，但要注意，千万不能因为片面关注成本问题而以劣充好。

1.5 节能环保特性

化工产业本身属于污染重点治理产业，化工物料中不乏腐蚀性、有毒有害气体、液体和固体，排放到环境中，将对区域环境造成毁灭性打击，同时也容易危害人体健康。因此，在管道设计中，应将节能环保特性作为考虑重点，一方面，关注管材的密闭性，合理设置接口、管径等参数，防止出现渗漏问题;另一方面，考察管材生产制造以及使用环节的环保性能，以节能环保为比选标准，比如聚丙烯性能稳定、质量小，生产环节也不会产生过多的污染物，完全可以将其应用于腐蚀性介质运送管道中。

2 化工设计过程中管材选用策略

2.1 抗氧化管材的选用

在化工生产中，氧化反应对管道的侵蚀往往与高温存在很大关联，这就要求材料在具备耐热性能的同时，还应具备一定的抗氧化能力。综合考虑材质性能和生产需求后，很多化工企业会选择碳素钢管进行管道搭建，这种材料在高温环境下的氧化速度相对较快，会在管材表面生成致密的保护膜，具有阻隔高温氧化的作用，可提升化工管道的抗氧化性能，防止腐蚀现象的发生。这种原理与铝的氧化膜生成原理类似，作为一种金属，铝本身的化学性质相对活跃，但在接触空气后，表面会迅速氧化生成三氧化二铝薄膜，可隔绝外界空气，避免氧化作用的进一步发展。需要注意的是，这种反应机制虽然防护效率极高，但在温度达到一定限值后会失去作用。碳素钢的极限稳定温度为425℃，可以满足350 ℃高温环境的运送需求，但如果超过425 ℃的极限稳定值，就不能再单纯依靠这种方式，可以选用沸腾钢或碳元素镇定钢[1]。

2.2 耐低温材料的选用

受生产工艺的影响，化工管道有时需要输送超低温介质，即温度处于﹣196～﹣ 20℃的介质，当温度低至一定程度时，很容易使管道发生冻裂情况，埋下安全隐患，所以在低温输送场景中，可以结合实际情况，适当设计耐低温管材，防止管道损坏。需要注意的是，不同低温等级对化工管道的威胁程度是不一样的，应结合生产实况，选择适用性最高的材料。以化工常用管材为例，铁塑钢在低于0℃的环境下会出现脆性上升的情况，在低温环境下要尽量避免使用这种管材，以防管道破裂;碳素钢的耐低温性能较高，但同样不能在﹣20℃的环境中使用;若介质温度小于等于﹣40℃，则可以通过提升合金含量来保障钢管的耐低温性能;当温度低于70℃ 时，合金钢管材的脆性同样会上升，适用性下降。另外，在化工企业生产过程中，并不是只有达到低温区间才会采取预防措施，实际上，介质温度低于0℃就会引发管道损伤风险，对于﹣20～0℃的介质，企业通常采用20号钢进行管道搭建。

2.3 耐高温管材的选用

高温是化工管道经常面临的生产场景之一，当温度超过350℃时，会对管道产生较强的腐蚀和冲击，降低管道运行的稳定性，因此，必须进行耐热设计。高温钢管在耐热性方面表现极为出色，不仅可以实现高温物料的输送，还能满足有毒有害气体、液体的稳定传送，对化工安全生产有重要的保障意義，在高温钢管中添加铬元素与钼元素还能进一步提升其抗热性能和抗氧化性能。具体来讲，耐高温管材的选择通常应关注材料屈服强度与塑性特征，当温度持续升高时，选定管材的屈服强度应呈下降趋势，塑性应呈上升趋势，进而保障管道具有充足的抵抗微量塑性变形的能力，保障化工管道质量。

2.4 塑料里衬的选取

化工生产中通常涉及腐蚀性介质的输送，而金属材质的抗腐蚀性较差，因此，为满足强度和抗腐蚀需求，在化工设计中，还会采用塑料里衬，聚丙烯以及聚四氟乙烯都是较为常见的塑料里衬材质，稳定性较好，室温环境下可以满足盐酸、过氧化氢等介质的输送需求，且无毒无味、耐低温，具有较强的适用性。但当温度超过120 ℃时，这两种材料的稳定性均有不同程度的下降，影响管道的正常使用。因此，在选取塑料里衬时，应特别关注介质温度变化区间，做好参数匹配。

2.5 浓硫酸输送管材的选用

浓硫酸是化学工业生产的重要原材料，其强腐蚀性对管材的可靠性提出了较大挑战。在温度较低的情况下，铁质管材可以满足浓硫酸的输送和存放要求，这是因为浓硫酸与铁离子反应后，会生成致密氧化物薄膜，在铁管与浓硫酸之间形成阻隔，规避腐蚀反应的持续发生。但当化工铁管内部温度不均衡时，浓硫酸表面的薄膜会在温度作用下遭到破坏，进而导致浓硫酸与管道直接接触，造成腐蚀和损伤。针对浓硫酸的这种性质，在设计管道时，一方面，要做好介质温度和压力控制，25 ℃为最佳环境温度，工作压力稳定在0.25 MPa较好;另一方面，还可以使用不锈钢材料，提升管道的稳定性和可靠性，比如不锈钢316L三通，常见规格有 DN150、DN250等，增厚的肩部和内壁可以有效提升耐酸碱性能。稀硫酸的输送则应在管道内部设置塑料里衬，如果选用20号碳钢，则要关注硫酸亚铁的生成情况，合理控制浓硫酸的流动速度，为管道提供强有力的保护作用。

2.6 氧气输送管材的选用

氧气是化工生产中常见的助燃材料，由于性质特殊，其输送管道一般选用抗压性较强的不锈钢、碳钢等材质， GC2类型就是较为常见的管道种类。同时，由于氧气易燃，在输送过程中一旦与其他气体接触，就会提升爆炸事故发生的概率，延误化工生产进程。因此，除管道材料外，还应结合流速、压强等参数进行科学的布局设计。在压强较低的生产场景中，可以直接使用不锈钢进行运送，但要注意规划好管道的直径和长度，在拐弯处要做好密闭措施，防止管道断开产生裂缝、引发氧气泄漏问题。此外，与氧气相比，氢气的易燃特征更加明显，在设计管道时，不仅要关注管道材质、连接、安装问题，还应做好防腐、防雷措施，严格遵守《工业金属管道设计规范》，可以应用天然气管线钢系材质进行布局设计[2]，提升化工管道的可靠性和稳定性。

2.7 盐酸输送管材的选用

盐酸同硫酸一样具有较强的腐蚀性能，当盐酸质量分数达到15%～30%时，很容易对化工管道造成损伤，因此，选用管材时要慎重考虑。聚丙烯是较好的盐酸输送管道材料，对盐酸具有较为明显的抗腐蚀性能，外界压强与温度的变化对聚丙烯也不会产生严重的负面影响，可以将其作为首要选项。此外，聚丙烯导入率也相对较低，保温性能良好，熔口强度高，可以有效规避管道断裂事故，延长化工管道的使用寿命，降低化工企业在维护检修和管理方面的成本投入。聚丙烯材料本身质量较小，价格较低，可以同时满足经济与实用需求。

3 结语

科学的管道选用能够为化工生产提供良好的安全保障，提升化工生产效率。因此，在化工设计中，应正视管材的关键地位，结合介质特性、工作参数、国家标准等合理选用管道，对耐高温、耐低温、非金属管材适用场景做好差异化分析，最大限度地提升管道的匹配性，延长管道的使用寿命，为化工企业的稳定运转奠定良好基础。

[参考文献]

[1]刘军.化工设计过程中管道材料的选用[J].化工设计通讯，2020（9）：22-23.

[2]买涛.化工设计过程中管道材料的选用研究[J].化工管理，2020（4）：145-146.