EVA装置超高压管道系统典型选材分析

2022-06-14姚雪鸣

化工与医药工程 2022年2期

姚雪鸣

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

关键字：EVA 装置；超高压；管道系统；选材

EVA 是乙烯- 醋酸乙烯共聚物，分子式为（C2H4）x（C4H6O2）y。与常规聚乙烯相比，EVA 由于在分子链中引入了醋酸乙烯单体，降低了结晶度，提高了材料柔韧性、抗冲击性能、填料混入性和热密封性[1]，被广泛应用于发泡塑料、功能性棚膜、包装膜、热熔胶、电线电缆以及玩具等领域。近年来国内外新建了很多不同规模的EVA 装置，而EVA 装置的特点就是超高压。以某新建EVA 装置为例，基本工艺如下：

1 超高压管道系统常用材料

超高压管道系统不像高中低压管道系统，材料的选择性相对较少，公称压力在PN 420 以上的管道系统目前国内外尚没有成熟且发布的相应公称压力等级的管子、管件、法兰、螺栓、垫片、阀门等管道组成件的材料、制造及检验和验收标准，因此，目前的超高压管道系统均采用专利商及相应制造商的标准规范进行设计、制造及检验和验收。

可用于超高压管道系统的材料包括美标材料、欧标材料、日标材料和国标材料等等。上述EVA 装置超高压管道系统主要采用欧标材料，用到了少量美标材料，本文仅讨论欧标材料管配件的配套选用。

1.1 超高压管道系统常用欧标材料

EVA 装置超高压管道系统常用欧标材料见表1。

表1 超高压管道系统常用欧标材料Tab.1 Common materials of EHP pipeline system

1.2 超高压管道系统常用欧标材料化学成分

EVA 装置超高压管道系统常用欧标材料化学成分见表2。

表2 超高压管道系统常用欧标材料化学成分Tab.2 Chemical composition of common DIN standard materials for EHP pipeline system %

在EVA 装置中，超高压管道系统所用材料，其化学成分基于实际应用经验，对某些元素含量进行了调整，以获得需要的耐腐蚀性能及机械性能，从而使材料能长期适用于超高压工况。例如，应用于PN 1 600 和PN 3 600 的超高压材料30CrNiMo8，对有害杂质硫、磷含量的控制必须非常严格，磷含量控制在≤0.025%，硫含量控制在≤0.005%；同时，为了获得良好的冲击韧性，需要将锰的含量控制在适当的范围；铜的含量必须控制在≤0.4%，这在新标准DIN EN ISO 683-2—2018 中已规定。

2 影响选材的要素

超高压管道系统材料的选用，在满足相应工况的介质属性、温度、压力以及振动、疲劳等前提下，其强度是首要考虑的因素，但不是唯一因素。管道系统选材需要考虑材料的耐腐蚀性能、材料的机械性能以及材料的可加工性能等各种因素。

对于材料的机械性能，需要考虑在制造、加工过程中材料性能的改变，要避免由于焊接、热处理、加工成形、弯曲以及低温或高挥发性流体突然减压而产生的急冷造成材料韧性变化。PN 1 600 及以上的超高压管道系统用的材料通常不允许焊接，以避免焊接导致材料原有的机械性能发生变化。

此外，材料选用还要考虑材料的加工工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。

简述如下：

2.1 材料的基本性能

金属材料的机械性能主要包括：

（1）强度极限（抗拉强度），以Rm表示，是指在拉伸应力—应变曲线上的最大应力点，单位MPa；

（2）屈服极限（屈服强度），以ReL表示，是指材料的拉伸应力超过弹性范围，开始发生塑性变形时的应力。而有些材料的拉伸应力—应变曲线并不出现明显的屈服点，此时取试样产生0.2%残余变形的应力值作为条件屈服极限，以Rp0.2表示，单位MPa；

（3）延伸率，是衡量钢材塑性的一个指标，以δ表示，是指试样在拉伸试验中发生破坏时，产生了百分之几的塑性伸长量。试样的原始长度，一般为试样直径的5 倍（δ5）或10 倍（δ10），单位为百分率（%）；

（4）断面收缩率，也是衡量材料塑性的一个指标，以ψ表示，是指试样在拉伸试验发生破坏时，缩颈处所产生的塑性变形率，单位为百分率（%）；

（5）冲击功，以AK 表示，是衡量钢材韧性、确定钢材是否产生脆性破坏的一个指标，单位焦耳（J）；

（6）硬度，分为布氏硬度HB、洛氏硬度HR 和维氏硬度HV，反映材料对局部塑性变形的抗力及材料的耐磨性能。

（7）蠕变极限，是指在给定的温度下和规定的持续时间内，使试样产生一定蠕变量的应力值。通常采用钢材在设计温度下，经过100 000 h、蠕变率为1%时的应力值，单位MPa；

（8）持久强度，以RD 表示，是指在给定温度下，使试样经过一定时间发生蠕变断裂时的平均应力。通常采用试样在设计温度下，经过10 万小时断裂时的应力平均值，单位MPa。

EVA 装置中超高压管道系统典型材料室温下主要的力学性能见表3。

表3 典型材料室温下的力学性能Tab.3 Mechanical properties of typical materials at room temperature

为了使材料能长期适用于超高压工况，基于实际应用经验，需要在标准规定的基础上，对材料机械性能有所调整。在EVA 装置中，材料的机械性能与标准是有所不同的。例如，X2CrNiMo17-12-2，表中所示的屈服极限较低，为了能在超高压下长期使用，实际材料提高了屈服极限要求；而常规的30CrNiMo8 材料，按表中所示的断裂延伸率和冲击韧性明显不足，因此采用了改性的30CrNiMo8（改），改性后的30CrNiMo8（改）材料不仅有足够的屈服强度，还有较好的断裂延伸率和冲击韧性。这表明，超高压工况所用材料需要根据具体应用工况要求，对材料的机械性能进行合理的调整。而不同的冶炼、加工及热处理方式，将得到不同的机械性能。

2.2 压力

超高压管道系统的设计压力，不应低于操作过程中，由内压或外压与温度构成的最苛刻工况下的压力。最苛刻工况是指导致管道组成件最大壁厚或最高压力等级的条件[9]。

2.3 温度

管道组成件的设计温度，不应低于操作过程中，由压力与温度构成的最苛刻工况时的温度[9]。

随着温度的升高，材料的机械性能发生变化，以X6CrNiMoTi17-12-2 为例，各温度梯度下的屈服极限变化如表4所示。

表4 各温度梯度下的屈服极限Tab.4 Yield limits at various temperature gradients

材料选用不仅要考虑材料高温蠕变和断裂，还要考虑低温冷脆的可能。当金属管道外壁受大气环境影响时，管道设计还应考虑最低环境温度的影响，避免金属材料发生冷脆。

2.4 材料耐腐蚀性能

腐蚀工况很复杂，包括应力腐蚀、硫和环烷酸腐蚀、氢气管道（氢脆、氢腐蚀）、湿硫化氢、碱应力腐蚀环境、液氨应力腐蚀、连多硫酸应力腐蚀、晶间腐蚀等，由于EVA 装置超高压管道系统中，工艺介质腐蚀性不强，这里不展开论述。

2.5 超高压管道系统其他工况因素

（1）动力荷载

①各种原因引起的水力冲击、液体或固体物料撞击等产生的冲击荷载。

②由机械振动、压力脉动等振动产生的荷载。

③介质泄压、排放产生的反作用力。

EVA 装置中，压缩机将气体升压过程中，造成脉动、振动，超高压管道系统选材时必须充分考虑，并进行脉动分析和振动分析[10]。而安全阀泄放或爆破片爆破产生的反作用力，也需要在设计时予以考虑。

（2）温差荷载

①管道热胀冷缩但被约束（限位、导向、固定等）产生的作用力和力矩。

②由于管壁温度变化或温度分布不均匀而产生的管壁应力及荷载。

在EVA 装置中，超高压管道系统管壁非常厚，内外壁温度不同导致管壁应力差异，因此超高压管道系统选材时应加以考虑，尽可能降低壁厚，并进行应力分析。

（3）疲劳工况

指由于压力循环、热循环和其他周期性荷载而产生的疲劳工况。

由于超高压通常需要多级压缩机周而复始进行加压，期间管道系统频繁地振动以及介质在管道系统内的脉动，会对管道系统造成极大的疲劳破坏。因此，超高压管道系统选材时应充分考虑疲劳工况，并对管系进行疲劳分析。

3 EVA 装置管道系统压力等级及基本材料

在EVA 装置中，超高压管道系统压力大致可分为四个等级：PN 500、PN 1 600、PN 3 600 和PN 4000。除了强度因素，EVA 装置中超高压管道系统的介质，对材料的腐蚀性不强，系统温度也不是很高，～300 ℃，而低温则按环境温度（-10 ℃）及事故工况（-50 ℃或-100 ℃）等，需要充分考虑材料的耐低温性能。

对于PN 500 管道系统，-10～300 ℃，基本材料可选价格相对较低的25CrMo4 或24CrMo5；- 50 ℃或-100～300 ℃，考虑低温，基本材料可选不锈钢X6CrNiMoTi17-12-2 或者机械性能相近的X2CrNiMo17-12-2。

对于PN 1 600、PN 3 600 管道系统，基本材料可选30CrNiMo8（改）；此外，也可考虑选用材料X4CrNiMo16-5。

而PN 4 000 超高压管道系统，由于口径很小，可归类至Tubing 管道系统。口径越小，能承受的压力就越大，因此PN 4 000 管道系统可选择屈服强度相对较低的材料，一般可采用316SS 不锈钢材料，欧标材料X2CrNiMo17-12-3。

4 EVA装置管道系统各压力等级管阀件配套选材

管道系统由管子、管件、阀门、法兰、螺栓、垫片等管道组成件组成。但是所有管道组成件都采用相同的材料不一定是最好的。超高压管道系统中，除了PN 500 系统的材料允许焊接，PN 1 600 和PN 3 600 系统材料是不允许焊接的，主要靠透镜垫进行密封连接。

为了获得良好的密封效果，通常我们应选择强度和硬度相对于密封面较低的材料做垫片，以便在同等压力下，首先由垫片受压轻微变形来保持密封而不是让法兰或管子变形来进行密封，同时也可减小更换或维修成本。当管子、法兰与垫片采用同种材料时，也应对垫片采用不同的加工方式来适当降低垫片的硬度。

螺栓不与介质接触，但需要考虑足够的强度。尤其当口径较大时，如果螺栓强度不够，就会导致螺栓直径很大，从而法兰也必需加大，造成材料浪费使成本增加；因此对于大口径的情况，可以选用更高强度的螺栓以减小螺栓直径从而减小法兰直径。

通过对各种材料的性能进行分析，根据材料适用的温度和压力以及材料基本性能，按PN 500、PN 1 600 和PN 3 600 分类，对管子、管件、阀门、法兰、螺栓、垫片材料选用及配套使用进行了分析及归纳。PN 500、PN 1 600 和PN 3 600 管配件典型材料配套选用见表5 和表6。

表5 PN 500 管道系统典型材料选用示例Tab.5 Typical material selection examples of PN500 pipeline system

表6 PN1600 和PN3600 管道系统典型材料选用示例Tab.6 Typical material selection examples of PN1600 &PN3600 pipeline systems

表5 中，基本材料为25CrMo4。垫片材料采用16MnCr5，采用退火处理，获得较低的硬度。螺栓材料强度最高，随着口径增大，为了不至于使螺栓直径过大，可选用强度更高的30CrNiMo8，而螺母选用40CrMoV4-6。

表6 中，基本材料为30CrNiMo8（改），PN 1 600和PN 3 600，法兰材料用了21CrMoV5-7，强度比管阀件材料改性30CrNiMo8（改）要低一些，是因为法兰并不直接与介质接触，虽是螺纹连接却并非螺纹密封，法兰并不直接承受介质的压力。需要注意的是，盲法兰与法兰不同，盲法兰是直接接触垫片进行密封的，因此盲法兰材料与管阀件一致。而螺栓则选用了强度相对最高的材料。

当垫片材料与管阀件相同时，需要采用合适的热处理方式来降低硬度值，使垫片硬度低于管阀件的硬度。