工业装置用塑料管材的选材设计

2023-07-06王兴龙中海油石化工程有限公司济南250101

化工设计 2023年3期

王兴龙中海油石化工程有限公司济南 250101

塑料管材以重量轻、耐腐蚀、流体阻力小、安装方便、使用年限长等显著的优势，在建筑、给排水、市政、工业装置等行业得到了广泛应用。而且塑料管材相比金属管道，价格低廉、原料易得、生产周期短，这都极大促进了塑料管材的推广应用。

本文介绍工业装置常用的热塑性塑料管材的选材设计，材质有：氯化聚氯乙烯管PVC-C、硬聚氯乙烯管PVC-U、高密度聚乙烯管PE、钢骨架聚乙烯塑料管Steel framed polyethylene、玻璃钢衬聚丙烯FRP/PP、玻璃钢衬聚氯乙烯FRP/PVC 等。塑料管材的选材设计从管材的适用温度、耐蚀性、工业标准、压力温度额定值、阀门材料选择和其他要点分别介绍。

1 塑料管材适用温度

塑料管材受限于分子结构和组成，使其不能像金属管道一样承受高温；且不同的塑料，分子式不同、结构也不同，耐受温度也不一样。热塑性塑料在一定的温度以下，保持高弹性状态，才能有效地承压[1]，而随着温度的升高，塑料的弹性状态也会逐渐变成黏流态，而维卡温度则是指示材料变软、力学性能下降的一个温度。塑料管材的长期连续使用温度则关系选材设计，管线最高设计温度则应低于塑料允许的最高长期连续使用温度，也应远低于维卡软化温度。温度过低，塑料会呈现玻璃态，脆性转变，力学性能下降。管线最低设计温度还应高于塑料管材允许的最低长期连续使用温度。塑料管材长期连续使用推荐温度见表1。

表1 塑料管材长期连续使用推荐温度

塑料管材设计还应考虑气候环境对于管材的影响，环境温度、温差、日照时间等，均会影响管材的选择和使用年限，特别需注意北方地区室外的塑料管材，应考虑防止结冰和环境温度下的脆性转变。

2 塑料管材耐蚀性

塑料的基本组成是高分子化合物，除了分子键合力，还存在分子间作用力等相互作用。塑料管材的耐腐蚀前提是，分子与介质不能发生化学反应、物理相溶，而且分子间隙应能防止介质渗透。化学反应就是塑料分子结构发生了变化，常见的有官能团变化、分子链断裂降解等。物理相溶则由于塑料分子与介质可能有相似的官能团、分子结构等。

塑料管材耐腐蚀性首先考虑的就是化学耐蚀性。本文以常见的卤水、盐酸、次氯酸钠、硫酸等常见的腐蚀性介质为例，介绍不同温度、不同浓度的介质作用下，相应塑料管材下的耐蚀性，见表2。

表2 不同塑料管材的耐化学侵蚀表[2]

工程上一般推荐化学侵蚀性S 级以上的塑料用于输送相应介质的管材，并且应经过液压试验、系统适用性试验等一系列的测试，验证系统安全性。化学侵蚀性L 级塑料不建议在相应介质环境下用于承压管材。PE 塑料是长链的脂肪族化合物，分子结构决定了其对于许多化学物料的化学惰性，但对于氧化性强的次氯酸钠、高浓度硫酸不具有化学惰性。PVC-U 聚氯乙烯强度比聚乙烯更高，PVC-C是在PVC-U 树脂基础上改性得到，聚氯乙烯氯化之后，分子排列不规则度增加，化学稳定性增加，其对于大多数酸、碱、盐类具有化学惰性。

常用塑料管材对于流体介质的化学耐侵蚀性可以查询ISO10358 标准。以常温下31%质量分数的盐酸为例，可以参考30%的耐化学侵蚀数据。详见表2。PE 管材、钢骨架聚乙烯管材、PVC-U 和PVC-U 管材在常温下耐蚀等级为S，可以用于盐酸环境，工程上较为常用的是PVC-U 管材和PVC-C 管材。

玻璃钢衬PVC 和PP 复合管道是利用内层的耐腐蚀性，又利用玻璃钢强度高、抗疲劳、抗老化性能优良，在PVC 或者PP 管外通过缠绕工艺复合玻璃钢树脂外护层，玻璃钢层主要起到机械支撑作用。

3 工业塑料管材标准

国内塑料管材的发展较晚，最早只是应用于建筑和市政行业，相关工业塑料管材标准从上世纪80 年代才开始实行。塑料管用于工业流体时，应注意使用的场所和项目类型，建筑用塑料管与工业用塑料管的树脂原料并不一致，化学侵蚀性不一致，结构渗透性不一致，因此，工业塑料管应注意选择相应的管材标准。目前PVC-C、PVC-U、PE、Steel framed polyethylene、FRP/PP、FRP/PVC 等工业塑料管材常用的相关标准详见表3。

表3 工业塑料管材常用标准

4 压力温度额定值

塑料管材的承压能力除了与材料本身性能有关系，主要决定于管壁厚，而管壁厚系列则是根据管材公称压力、预期使用年限等因素确定。塑料管材耐候性差、老化速度较快，这也导致塑料管材壁厚选择时，要充分考虑预期使用年限，年限越长，建议选择越大的壁厚系列。塑料管材膨胀系数大，管材性能受温度等因素的影响大，不同温度下管材的公称压力应注意考虑温度对压力的折减系数。

4.1 PVC-U 管材压力温度额定值

工业PVC-U 管材国内标准为GB/T4219.1，根据标准规定，公称压力PN 是输送20℃水的最大工作压力，随着温度的升高，允许压力随之降低，折减系数见表4。

表4 PVC-U 管材温度对压力的折减系数

参考厂商提供的数据，PVC-U 法兰常温下允许的压力为10bar 左右，随着温度的升高，允许的压力也会随着降低，法兰的温度对压力的折减系数见表5。工程上PVC-U 法兰最高允许压力建议参考表5 的折减系数进行修正。

表5 PVC-U 法兰温度对压力的折减系数

4.2 PVC-C 管材压力温度额定值

工业PVC-C 管材执行标准为GB/T18998，标准中没有规定管材温度对压力的折减系数。工程上PVC-C 管材最高允许的压力，可借鉴厂商提供的PVC-C 管材温度对压力的折减系数，见表6。管材允许的工作压力随着温度升高逐渐降低。

表6 PVC-C 管材温度对压力的折减系数

PVC-C 法兰常温下允许的压力也是10bar 左右，随着温度的升高，允许的压力也会随之降低，参考厂商提供的数据，法兰的温度对压力的折减系数见表7。工程上PVC-C 法兰最高允许压力建议参考表7 的折减系数进行修正。

表7 PVC-C 法兰温度对压力的折减系数

4.3 PE 管材压力温度额定值

按照GB/T13663 生产的PE 管材，最高温度不能超过40 ℃，最低工作温度不低于0 ℃，PE 管材的实际公称压力建议按照温度对压力的折减系数进行修正。PE 管材温度对压力的折减系数见表8

表8 PE 管材温度对压力的折减系数

PE 管线法兰是钢制法兰盘与PE 材质的翻边短节组成的松套法兰，法兰盘材质可以由用户确定，法兰的最高允许压力也随着法兰盘的材质变化。

4.4 钢骨架聚乙烯管材压力温度额定值

钢骨架聚乙烯管材相对于PE 管材的强度更高，承压能力更强。根据HG/T3690 的规定，其最高允许温度不超过70 ℃，最低工作温度也不能低于0 ℃。公称压力PN 是输送20 ℃以下水的最大工作压力，随着温度的升高，允许的工作压力随之降低，管材的公称压力按照折减系数进行修正和折减，详见表9。

表9 钢骨架聚乙烯管材温度对压力的折减系数

钢骨架聚乙烯法兰是钢制法兰盘与钢骨架翻边短节组成的松套法兰，法兰盘材质可以由用户确定，法兰的最高允许压力也随着法兰盘的材质变化。

4.5 玻璃钢衬PVC 和衬PP 复合管材压力温度额定值

玻璃钢衬PVC 复合管材在不同温度下允许的工作压力与管材的公称直径有关，详见表10。

表10 玻璃钢衬PVC 复合管材允许的工作压力

玻璃钢衬PP 复合管材在不同温度下允许的工作压力与管材的公称直径有关，详见表11。

表11 玻璃钢衬PP 复合管材允许的工作压力

HG/T21579 和HG/T21636 标准明确了玻璃衬PP 和衬PVC 管材的允许工作压力，除了与温度有关，还与管材公称直径有很大关系，这也是许多塑料管材的共性特点，不过其它各塑料管材在标准制定时，并没有区分不同规格管材的允许工作压力。

5 阀门材料选择

工业塑料管材用于腐蚀性介质时，阀门主体材质可选的主要有耐蚀金属、塑料、钢衬塑等。一般耐蚀金属价格较高，出于成本控制的考虑，较少采用耐蚀金属阀门。塑料阀门可选的材质主要是PVC-C、PVC-U、PVDF 等材质。塑料阀门相对于金属阀门的显著优点主要是：耐蚀性好、质量轻、造价低等。但塑料阀门行业产品良莠不齐，塑料阀门存在口径小、耐温差、阀门组件渗漏、阀门内漏严重、使用年限短等诸多缺点[3]。塑料阀门公称压力一般不超过PN10，随温度升高，允许压力降低，折减系数可以参考相应材质的法兰折减系数。钢衬塑阀门充分发挥了钢制阀体承压能力高、内衬塑料耐腐蚀性能好等优点，目前，最常用的阀门内衬塑料是F46 聚全氟乙丙烯，这种氟塑料耐蚀性能优异，阀门衬F46 在塑料管线上应用普遍。

6 其余设计注意事项

塑料管材一般电阻率高，是优异的静电非导体，流体介质积累的静电电荷难以导出，时间一长，静电积聚到一定程度，会击穿管壁。如果流体介质是易燃易爆类或者周围管道泄漏了易燃易爆介质，极有可能引燃介质，造成事故，因此，塑料管材一般不能用于输送易燃易爆介质，而且也不宜在易燃易爆环境中使用，除非塑料管材做好静电导出和屏蔽等工作。

塑料管材渗透率较高，不宜用于输送渗透性强的流体，以避免造成人身伤害事故。