侯利燕

摘要：化工產(chǎn)業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位，從農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)到石油、建筑，都離不開化工制造。值得注意的是，化工生產(chǎn)在給人們帶來高效、便利的同時(shí)，蘊(yùn)藏的危險(xiǎn)因素也在不斷增加?；ぴ现胁环τ卸?、有害、有腐蝕性的物質(zhì)，一旦暴露于周圍環(huán)境，將造成嚴(yán)重的后果。從化工管道材料的角度出發(fā)，對化工管材選用依據(jù)及策略進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：化工設(shè)計(jì);管道;材料選用

化工設(shè)計(jì)內(nèi)容繁雜，涉及的專業(yè)領(lǐng)域較多，既包含設(shè)備選型、工藝計(jì)算，又包含車間布置、流程規(guī)范等。管道的布置和設(shè)計(jì)是其中較為關(guān)鍵的項(xiàng)目，化工管材選型不當(dāng)、管徑不匹配等狀況，均有可能導(dǎo)致化工原料逸出、泄漏等，進(jìn)而污染廠房環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒事故。因此，對化工管材進(jìn)行科學(xué)探討和選用事關(guān)生產(chǎn)安全，應(yīng)當(dāng)給予充分重視和考量。

1 化工設(shè)計(jì)過程中管材選用依據(jù)

1.1 輸送介質(zhì)特性

化工生產(chǎn)具有一定的特殊性，管道輸送介質(zhì)通常具有較強(qiáng)的腐蝕性，部分物料還具有易燃易爆的特性，這些介質(zhì)長期封閉于管材內(nèi)部，很容易侵蝕管材，縮短管道使用壽命的同時(shí)，也容易產(chǎn)生泄漏等生產(chǎn)問題，延誤化工企業(yè)正常運(yùn)營，甚至引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此，在選用管材時(shí)，應(yīng)將輸送介質(zhì)作為重要的考量依據(jù)，比如針對易燃易爆介質(zhì)，可以選用碳素鋼、低合金鋼等;輸送可燃性介質(zhì)時(shí)，要杜絕沸騰鋼的應(yīng)用;對用于苛性鈉堿液等腐蝕性物料運(yùn)送的化工管材，要重點(diǎn)關(guān)注裂口損傷等問題，選擇抗腐蝕材料的同時(shí)，合理控制氫氧化鈉的溫度、濃度等數(shù)值，提升管道運(yùn)行的可靠性。

1.2 工作參數(shù)狀況

化工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，不同流水線或生產(chǎn)工藝中所用到的管道存在較大差異，因此，選材時(shí)還要考慮管道所在位置的工作參數(shù)狀況，比如溫濕度、壓力等都是常見的變化參數(shù)，用于﹣20℃物料運(yùn)送的管道，要提前做好低溫沖擊試驗(yàn);對于操作溫度超過200℃且介質(zhì)中存在氫氣等易燃?xì)怏w的化工管道，應(yīng)選擇抗氫鋼材，并以高出實(shí)際溫度20～40℃的標(biāo)準(zhǔn)選擇管材。此外，化工管道種類繁多，規(guī)格型號、管道直徑、管壁厚度等參數(shù)不盡相同，與工作場景的適配程度也有很大區(qū)別，在選擇時(shí)，應(yīng)將兩者的參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)匹配，提升輸送效率，規(guī)避事故風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

化工生產(chǎn)環(huán)境較為惡劣，危險(xiǎn)性相對較高，因此，化工行業(yè)針對生產(chǎn)工藝中容錯(cuò)率較低的環(huán)節(jié)也制定了一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，用于約束設(shè)計(jì)和生產(chǎn)行為。管材選用就是重要的研究和規(guī)范對象，在進(jìn)行化工設(shè)計(jì)時(shí)，可以將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)依據(jù)，在不違背標(biāo)準(zhǔn)的前提下考慮經(jīng)濟(jì)成本因素。比如， GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中就對石油輸送鋼管進(jìn)行了詳細(xì)闡述，從鋼管等級到制造工藝、檢測技術(shù)都有明確規(guī)定，為管材選用提供了理論支持。

1.4 材料經(jīng)濟(jì)成本

化工設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全局性工作，不僅要滿足技術(shù)和安全要求，也要兼顧經(jīng)濟(jì)成本問題，若一味地選擇性能優(yōu)良的管道，可能會產(chǎn)生超預(yù)算問題，使化工設(shè)計(jì)無法執(zhí)行下去?；诖?，在選用管材時(shí)，應(yīng)將經(jīng)濟(jì)因素納入考量范圍，在滿足介質(zhì)、參數(shù)要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇性價(jià)比較高的材質(zhì)，對管道輸送要求也要做好合理分析，避免管徑過大造成經(jīng)濟(jì)損失。對于抗腐蝕性要求較低的部位，可以適當(dāng)降低管道性能標(biāo)準(zhǔn)，緩解前期投入和維護(hù)壓力，但要注意，千萬不能因?yàn)槠骊P(guān)注成本問題而以劣充好。

1.5 節(jié)能環(huán)保特性

化工產(chǎn)業(yè)本身屬于污染重點(diǎn)治理產(chǎn)業(yè)，化工物料中不乏腐蝕性、有毒有害氣體、液體和固體，排放到環(huán)境中，將對區(qū)域環(huán)境造成毀滅性打擊，同時(shí)也容易危害人體健康。因此，在管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)將節(jié)能環(huán)保特性作為考慮重點(diǎn)，一方面，關(guān)注管材的密閉性，合理設(shè)置接口、管徑等參數(shù)，防止出現(xiàn)滲漏問題;另一方面，考察管材生產(chǎn)制造以及使用環(huán)節(jié)的環(huán)保性能，以節(jié)能環(huán)保為比選標(biāo)準(zhǔn)，比如聚丙烯性能穩(wěn)定、質(zhì)量小，生產(chǎn)環(huán)節(jié)也不會產(chǎn)生過多的污染物，完全可以將其應(yīng)用于腐蝕性介質(zhì)運(yùn)送管道中。

2 化工設(shè)計(jì)過程中管材選用策略

2.1 抗氧化管材的選用

在化工生產(chǎn)中，氧化反應(yīng)對管道的侵蝕往往與高溫存在很大關(guān)聯(lián)，這就要求材料在具備耐熱性能的同時(shí)，還應(yīng)具備一定的抗氧化能力。綜合考慮材質(zhì)性能和生產(chǎn)需求后，很多化工企業(yè)會選擇碳素鋼管進(jìn)行管道搭建，這種材料在高溫環(huán)境下的氧化速度相對較快，會在管材表面生成致密的保護(hù)膜，具有阻隔高溫氧化的作用，可提升化工管道的抗氧化性能，防止腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。這種原理與鋁的氧化膜生成原理類似，作為一種金屬，鋁本身的化學(xué)性質(zhì)相對活躍，但在接觸空氣后，表面會迅速氧化生成三氧化二鋁薄膜，可隔絕外界空氣，避免氧化作用的進(jìn)一步發(fā)展。需要注意的是，這種反應(yīng)機(jī)制雖然防護(hù)效率極高，但在溫度達(dá)到一定限值后會失去作用。碳素鋼的極限穩(wěn)定溫度為425℃，可以滿足350 ℃高溫環(huán)境的運(yùn)送需求，但如果超過425 ℃的極限穩(wěn)定值，就不能再單純依靠這種方式，可以選用沸騰鋼或碳元素鎮(zhèn)定鋼[1]。

2.2 耐低溫材料的選用

受生產(chǎn)工藝的影響，化工管道有時(shí)需要輸送超低溫介質(zhì)，即溫度處于﹣196～﹣ 20℃的介質(zhì)，當(dāng)溫度低至一定程度時(shí)，很容易使管道發(fā)生凍裂情況，埋下安全隱患，所以在低溫輸送場景中，可以結(jié)合實(shí)際情況，適當(dāng)設(shè)計(jì)耐低溫管材，防止管道損壞。需要注意的是，不同低溫等級對化工管道的威脅程度是不一樣的，應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)況，選擇適用性最高的材料。以化工常用管材為例，鐵塑鋼在低于0℃的環(huán)境下會出現(xiàn)脆性上升的情況，在低溫環(huán)境下要盡量避免使用這種管材，以防管道破裂;碳素鋼的耐低溫性能較高，但同樣不能在﹣20℃的環(huán)境中使用;若介質(zhì)溫度小于等于﹣40℃，則可以通過提升合金含量來保障鋼管的耐低溫性能;當(dāng)溫度低于70℃ 時(shí)，合金鋼管材的脆性同樣會上升，適用性下降。另外，在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，并不是只有達(dá)到低溫區(qū)間才會采取預(yù)防措施，實(shí)際上，介質(zhì)溫度低于0℃就會引發(fā)管道損傷風(fēng)險(xiǎn)，對于﹣20～0℃的介質(zhì)，企業(yè)通常采用20號鋼進(jìn)行管道搭建。

2.3 耐高溫管材的選用

高溫是化工管道經(jīng)常面臨的生產(chǎn)場景之一，當(dāng)溫度超過350℃時(shí)，會對管道產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕和沖擊，降低管道運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此，必須進(jìn)行耐熱設(shè)計(jì)。高溫鋼管在耐熱性方面表現(xiàn)極為出色，不僅可以實(shí)現(xiàn)高溫物料的輸送，還能滿足有毒有害氣體、液體的穩(wěn)定傳送，對化工安全生產(chǎn)有重要的保障意義，在高溫鋼管中添加鉻元素與鉬元素還能進(jìn)一步提升其抗熱性能和抗氧化性能。具體來講，耐高溫管材的選擇通常應(yīng)關(guān)注材料屈服強(qiáng)度與塑性特征，當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí)，選定管材的屈服強(qiáng)度應(yīng)呈下降趨勢，塑性應(yīng)呈上升趨勢，進(jìn)而保障管道具有充足的抵抗微量塑性變形的能力，保障化工管道質(zhì)量。

2.4 塑料里襯的選取

化工生產(chǎn)中通常涉及腐蝕性介質(zhì)的輸送，而金屬材質(zhì)的抗腐蝕性較差，因此，為滿足強(qiáng)度和抗腐蝕需求，在化工設(shè)計(jì)中，還會采用塑料里襯，聚丙烯以及聚四氟乙烯都是較為常見的塑料里襯材質(zhì)，穩(wěn)定性較好，室溫環(huán)境下可以滿足鹽酸、過氧化氫等介質(zhì)的輸送需求，且無毒無味、耐低溫，具有較強(qiáng)的適用性。但當(dāng)溫度超過120 ℃時(shí)，這兩種材料的穩(wěn)定性均有不同程度的下降，影響管道的正常使用。因此，在選取塑料里襯時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注介質(zhì)溫度變化區(qū)間，做好參數(shù)匹配。

2.5 濃硫酸輸送管材的選用

濃硫酸是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的重要原材料，其強(qiáng)腐蝕性對管材的可靠性提出了較大挑戰(zhàn)。在溫度較低的情況下，鐵質(zhì)管材可以滿足濃硫酸的輸送和存放要求，這是因?yàn)闈饬蛩崤c鐵離子反應(yīng)后，會生成致密氧化物薄膜，在鐵管與濃硫酸之間形成阻隔，規(guī)避腐蝕反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生。但當(dāng)化工鐵管內(nèi)部溫度不均衡時(shí)，濃硫酸表面的薄膜會在溫度作用下遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致濃硫酸與管道直接接觸，造成腐蝕和損傷。針對濃硫酸的這種性質(zhì)，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，一方面，要做好介質(zhì)溫度和壓力控制，25 ℃為最佳環(huán)境溫度，工作壓力穩(wěn)定在0.25 MPa較好;另一方面，還可以使用不銹鋼材料，提升管道的穩(wěn)定性和可靠性，比如不銹鋼316L三通，常見規(guī)格有 DN150、DN250等，增厚的肩部和內(nèi)壁可以有效提升耐酸堿性能。稀硫酸的輸送則應(yīng)在管道內(nèi)部設(shè)置塑料里襯，如果選用20號碳鋼，則要關(guān)注硫酸亞鐵的生成情況，合理控制濃硫酸的流動速度，為管道提供強(qiáng)有力的保護(hù)作用。

2.6 氧氣輸送管材的選用

氧氣是化工生產(chǎn)中常見的助燃材料，由于性質(zhì)特殊，其輸送管道一般選用抗壓性較強(qiáng)的不銹鋼、碳鋼等材質(zhì)， GC2類型就是較為常見的管道種類。同時(shí)，由于氧氣易燃，在輸送過程中一旦與其他氣體接觸，就會提升爆炸事故發(fā)生的概率，延誤化工生產(chǎn)進(jìn)程。因此，除管道材料外，還應(yīng)結(jié)合流速、壓強(qiáng)等參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的布局設(shè)計(jì)。在壓強(qiáng)較低的生產(chǎn)場景中，可以直接使用不銹鋼進(jìn)行運(yùn)送，但要注意規(guī)劃好管道的直徑和長度，在拐彎處要做好密閉措施，防止管道斷開產(chǎn)生裂縫、引發(fā)氧氣泄漏問題。此外，與氧氣相比，氫氣的易燃特征更加明顯，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，不僅要關(guān)注管道材質(zhì)、連接、安裝問題，還應(yīng)做好防腐、防雷措施，嚴(yán)格遵守《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》，可以應(yīng)用天然氣管線鋼系材質(zhì)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)[2]，提升化工管道的可靠性和穩(wěn)定性。

2.7 鹽酸輸送管材的選用

鹽酸同硫酸一樣具有較強(qiáng)的腐蝕性能，當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%～30%時(shí)，很容易對化工管道造成損傷，因此，選用管材時(shí)要慎重考慮。聚丙烯是較好的鹽酸輸送管道材料，對鹽酸具有較為明顯的抗腐蝕性能，外界壓強(qiáng)與溫度的變化對聚丙烯也不會產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，可以將其作為首要選項(xiàng)。此外，聚丙烯導(dǎo)入率也相對較低，保溫性能良好，熔口強(qiáng)度高，可以有效規(guī)避管道斷裂事故，延長化工管道的使用壽命，降低化工企業(yè)在維護(hù)檢修和管理方面的成本投入。聚丙烯材料本身質(zhì)量較小，價(jià)格較低，可以同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)與實(shí)用需求。

3 結(jié)語

科學(xué)的管道選用能夠?yàn)榛どa(chǎn)提供良好的安全保障，提升化工生產(chǎn)效率。因此，在化工設(shè)計(jì)中，應(yīng)正視管材的關(guān)鍵地位，結(jié)合介質(zhì)特性、工作參數(shù)、國家標(biāo)準(zhǔn)等合理選用管道，對耐高溫、耐低溫、非金屬管材適用場景做好差異化分析，最大限度地提升管道的匹配性，延長管道的使用壽命，為化工企業(yè)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)奠定良好基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉軍.化工設(shè)計(jì)過程中管道材料的選用[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2020（9）：22-23.

[2]買濤.化工設(shè)計(jì)過程中管道材料的選用研究[J].化工管理，2020（4）：145-146.