化工項目管道材料等級設計與選材原則探析

左秋月

摘 要：化工管道作為化工項目運行過程中的組成部分，其材料設計是化工工程中的必要環節，合理有效的材料設計對于項目的正常開展和推進有著重要的意義?；诖?，本文根據化工項目工程設計的相關規范標準以及實際經驗，對化工項目管道的材料等級設計和選材原則展開了詳細地分析。以期能夠為相關從業人員提供有效參考。

關鍵詞：化工項目;管道材料;等級設計;選材原則

隨著我國市場經濟以及科學技術的不斷發展，化工行業也取得了重大突破。由于化工項目溫度以及壓力方面有著較大的變化，而且介質的種類十分多樣，不僅有易燃爆物質，而且還包括了各種酸類、堿類等腐蝕性物質和毒性物質，因此為了盡可能保障管道系統的運輸安全，需要加強對于管道材料的研究和設計，確保整個化工項目的安全性和穩定性。

1 化工項目中管道材料等級設計

1.1 流體類別和壓力管道級別

在進行管道材料等級設計的過程中，需要根據客戶的實際需求選擇相應的管道設計標準。例如，當按照ASME標準進行管道設計的過程中，需要先與客戶明確流體的種類，確定是正常流體、D類流體、M類流體還是高壓、潔凈或者劇烈循環流體，根據不同流體的類別確定壓力管道的級別。

1.2 介質特性及操作設計條件

在化工項目中進行管道選材和等級確定的時候，需要將介質的特性作為主要判斷因素，并且還需要結合實際操作、設計條件進行綜合考慮。管道介質的特性包括物理性質、可燃性、毒性以及腐蝕性，物理性質指的是介質的壓力、溫度等，可燃性指的是爆炸極限、爆炸壓力等，工業毒物有固體類的粉塵煙塵，液體類的薄霧蒸汽，還包括氣態物質，介質的腐蝕性指的是材料與環境發生反應導致其被破壞或者編制的情況。不同條件下，不同特性的介質需要選擇的材料有所不同，因此，在進行管道設計之前，需要對以上三種因素進行逐一確定。

1.3 管道系統公稱壓力等級確定

通常情況下，如果業主沒有特殊要求，在進行管道壓力設計的時候，可以將法蘭額定壓力作為管道系統的額定壓力，以此確保管道承壓能夠大于公稱壓力。值得注意的是，在進行大口徑管道即超過DN600的管道設計時，在綜合考慮經濟成本的情況下，需要盡量減少由于厚度影響而進行的焊后熱處理。

1.4 管道壁厚設計

由于化工項目的特殊性，為保障管道系統的運行安全，除了要設計管道壓力之外，還需要對管道的壁厚進行計算和設計。在計算管道壁厚時，需要根據先前選擇的設計標準SH/T3059中規定的公式進行，其中的內壓就是指管道系統的額定壓力。管道壁厚計算公式如下所示。

Tsd=Ts+C

Ts=PD0/2（[δ]t*Ej+PY）

C=C1+C2

公式中Ts表示支管計算厚度，單位是mm;P為設計壓

力，單位MPa;D0為管子外徑，單位是mm;[δ]t代表在設計溫度下材料的許用應力，單位MPa;Ej為厚度附加量只和;C1為厚度減薄附加量，包括加工開槽、螺紋深度以及材料厚度負偏差，單位是mm;C2為腐蝕或磨蝕附加量，通常取1.5mm;Y為修正系數。

管道壁厚的設計要在符合基本設計原則的基礎上，以極限狀態作為設計理念，在確保管道系統運行安全的同時，盡量降低管道的壁厚。另外，在進行管道壁厚的計算時，為保障管道設計質量，還需要考慮腐蝕裕量，腐蝕裕量是根據壓力容器的預期使用壽命以及介質對于管道材料的腐蝕速率進行確定的，不僅要考慮到介質流動過程中對于管道及相關元件的沖蝕量和磨損量，以確保管道壁厚設計能夠滿足實際需求。值得注意的是，對于工藝真空下的外壓工況管道，進行壁厚設計時，還需要對管道外壓壁厚進行核驗，以此保障管道壁厚設計的科學性和合理性，確保管道系統的運行安全[1]。

1.5 管道等級索引

進行管道等級設計之前，還需要編制相應的工藝介質表，在化工項目中進行管道設計，就需要先了解不同管道中運輸的介質，明確介質的各方面參數以及對管道的作用效果，以此才能夠進行合理的管道設計。在編制工藝介質表時，需要將不同管道中運輸的介質逐一列舉出來，并分別標注好相應的等級代號，然后以此確定管道系統的實際操作壓力和溫度，應該設計的工況溫度、壓力，法蘭壓力等級標準以及腐蝕裕度等，并以此確定管道設計應選擇的材料、管件、閥門等相關配件的形式和材料質量要求。與此同時，為進一步保障化工項目管道設計的整體性和統一性，還需要對公用工程等相關管道中的介質條件進行分析。完成化工項目中工藝介質表的編寫之后，在此基礎之上，在進行管道等級索引表的編制，根據不同介質的要求，匹配不同材料、腐蝕裕度、溫度、壓力等的管道，并確定公稱壓力，以此為依據進行管道等級的劃分。

1.6 管子、管件選擇

在管道系統設計的過程中，除閥門以外，還需要對其中的管子、管件等各種組件進行材料、連接等方面的選擇。例如，在選擇管子時，化工項目中常用的管子有焊接和無縫兩種鋼管。對于不同的鋼管我國有相應的標準。需要根據實際項目需求和相關標準選擇相關組件。常用的焊接鋼管標準有GB/T3091《流體輸送用焊接鋼管》、GB12771《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》等。目前我國常用的焊接鋼管包括連續爐焊（鍛焊）鋼管、電阻焊鋼管、電弧焊鋼管等。無縫鋼管有碳素鋼無縫鋼管、不銹鋼無縫鋼管等。

1.7 閥門選擇

根據閥門的功能進行劃分，可以將其劃分為止回閥、節流閥以及截止閥、球閥、蝶閥等多種形式。在選用閥門時，需要根據實際情況進行合理的取舍，此外，還需要對閥門斷面的形式、尺寸、壁厚以及材料等各種因素進行合理考量。例如，截止閥是當前應用較為廣泛的閥門，對于一些需要對介質的流量進行調節的部分常使用截止閥，如泵的出口。止回閥常用于單一介質的管道中，其主要作用是防止介質反向流動造成污染或者溫度壓力等的變化。

1.8 支管連接等級表

由于管道系統中需要設置相應的支管表。因為支管開孔會將管道削弱，在管道壁厚不足以確保運行安全穩定的情況下，需要采取適當的補強措施。在進行支管連接表選用時，需要根據規范標準選擇合適的管件，此外在進行補強計算的時候，需要按照等面積算法進行[2]。補強材料的選擇也需要與主管道相同，此外無論何時，補強板的厚度都需要在主管厚度的1.5倍以下，在實際操作過程中，可通過增加開口處局部管道厚度的方式控制補強板厚度。

2 不同化工項目中管道選材的原則

2.1 常用工藝物料管道

在化工項目管道設計和選材過程中，常見的就是普通工藝物料管道，其中管道運輸的主要物料為有機酸、溶劑以及烴類等，對待此種管道，在各方面條件允許的情況下，應該首先選擇不銹鋼304L和316L等型號的鋼材，例如，如果化工管道中的流體是醋酸時，可根據情況選擇316型的不銹鋼作為管道材料;如果化工管道中的介質有晶間腐蝕作用，則為減少其對于管道的腐蝕傷害，應該選擇超低碳管材，通過固溶處理的方式，在其中添加鈮和鈦等化學元素，根據實際情況選擇碳鋼材料。

2.2 公用工程管道

公用工程管道主要用于空氣、氮氣、水以及蒸汽的運輸，在各方面綜合考慮之下，建議選擇碳鋼材料的管道。如果管道系統設計中，要求管道保持潔凈的情況下，可選擇304不銹鋼材料，或者在合適的部位使用碳鋼熱鍍鋅管道。對于冷卻水埋地管道而言，為防止管道系統在運行過程中出現腐蝕問題，需要在管道上涂刷防腐層，或者使用玻璃鋼材料。

2.3 消防給排水管道

對于消防和給排水管道材料的選擇，通常情況下消防室內的地面上管道，常選擇碳鋼熱鍍鋅管道，通過螺紋或者溝槽的方式進行連接，當DN<50的時候，可選用螺紋連接方式，當DN≥65的時候，需要使用溝槽連接方式。對于有埋地需求的消防管道，為有效預防地下腐蝕帶來的隱患，需要在碳鋼表面涂刷防腐層。對于給排水管道材料的選擇，也需要針對不同情況進行分類討論，如，埋地給水管道選擇HDPE等材料，而室內給水管道則使用PP-R材料或者紫銅。埋地排水管道可選擇PE管或者玻璃鋼管等，室內排水則可選擇PVC-U管道，對于有腐蝕性的壓力排水管道需要選擇HDPE等，如果排水中不含腐蝕性物質則可以選擇碳鋼[3]。

2.4 高、低溫管道

不同的高低溫工況其管道材料選擇也存在一定差異，在選擇管道材料時需要根據相關設計規范要求，結合不同材料的溫度適用范圍進行合理選擇。對于高溫工況，在選擇材料時應重視溫度對于材料形變的影響，如碳鋼的最大適用溫度在475℃以下，低合金鋼的適用溫度在475℃以下，對于高溫工況化工項目而言，管道材料應選擇鉻--鉬系的低合金鋼，也可以選用碳含量在0.04%的不銹鋼。低溫工況下的管道選擇，一般低溫可以選擇碳--錳鋼，對于深冷管道則需要使用3.5鎳合金鋼，也可根據實際情況選擇奧氏體不銹。除此之外，在高低溫工況下，還需要對管道系統中的非金屬部分進行耐溫檢測，以此確保管道系統的安全性和可靠性。常用金屬材料使用溫度如表1所示。

2.5 強酸管道

在化工項目管道設計中，難免會遇到一些需要運輸強酸的管道設計，此類介質有著極強的腐蝕性，因此管道應選擇具備一定耐腐性的材料，或者通過增加管道腐蝕裕度達成目的。對于鹽酸以及稀硫酸而言，通常會選擇鋼襯四氟PTFE/CS或者搪玻璃的管道，此類管道有著優良的耐溫性能和耐真空能力，此外，還可以根據實際情況酌情選擇塑料HDPE、PVDF等相關材料，對于溫度壓力超標的情況，則應選擇哈氏等高合金。如果輸送介質為濃硫酸，則需要使用SS316L，或者碳鋼。與濃硫酸不同的是硝酸可以使用304不銹鋼。此外，為防止強酸腐蝕性介質的危害，需要加強對于接頭、閥門等部位的處理，合理設置防噴濺、防泄漏的保護罩。

2.6 堿液和液氨應力腐蝕管道

對于此類化工項目管道材料的選擇需要按照SH/T3059標準進行。例如，在選擇氫氧化鈉溶液管道材料的時候，就需要根據介質的實際濃度以及溫度等相關參數的整體組合值進行選擇，由低到高分別使用碳鋼、消除應力熱處理碳鋼以及鎳基合金。在進行管道材料選擇時，可選擇20#或者Q345，同時還需要對其進行適當的處理，如消應力熱處理，或者控制好材料的含水量、焊縫硬度等，或者直接使用不銹鋼材料。不發堿脆的濃度與溫度對應最大值如表2所示。

2.7 氯氣管道

氯氣在不同狀態下其對于管道的需求是不一樣的，對于常溫干燥的氯氣而言，選擇無縫碳鋼管道即可，如果是高溫干燥的氯氣，則需要選擇不銹鋼等。需要根據GB11984

標準，對于濕氯氣而言，則需要考慮其腐蝕性，應選擇鈦和鈦合金或者PVC+FRP復合管等[4]。另外，由于氯氣的泄露會產生極大的危害，因此應做好管道系統的防泄漏措施，使用氯氣管道專用閥門。

2.8 氧氣管道

當管道介質為氧氣時，材料的選擇需要參照國家相關規范標準GB50030-2013，根據管道的實際使用場所，以及氧氣的流速以及壓力進行材料選擇。常用的材料為碳鋼、不銹鋼和鎳基合金等。除氣態氧之外，還有液態氧的輸送，對于液態氧而言，則需要選用無縫奧氏體不銹鋼管等作為管道材料。值得注意的是，氧氣管道的閥門需要選擇全通徑、PTEE填料的球閥，此外，還需要對氧氣管道系統進行脫脂處理。

2.9 氫氣管道

我國對于氫氣管道的設計和材料選擇也有相關規范GB50177，氫氣管道材料要先滿足GB50177標準，通常氫氣管道材料選擇碳鋼，并需要結合流速、閥門等相關部分進行綜合設計。另外，當氫氣管道的溫度在200℃以上時，應在其最高溫度的基礎上再合理增加20-40℃裕量進行材料選擇。

2.10 環氯乙烷管道

由于環氯乙烷的危害性較大，而且活性強，很容易與其他雜質之間發生反應，因此在選擇管道系統材料的時候，還需要考慮閥門的設計，通常管道材料可使用304L，閥門宜選擇密閉性好、低泄漏的閥門，此外，在投入使用之前，還需要對管道系統進行徹底清洗，可通過環氧乙烷生成乙烯胺，但是由于這兩種物質都會使得橡膠脆化，因此，需要使用石墨纏繞墊等預防橡膠圈失效。

3 結束語

綜上所述，在進行化工項目管道設計和材料選擇的過程中，對于不同類型的介質，需要選擇相應的管道材料，以此有效避免后續風險，并且材料的選擇要符合相關規范標準，還需要滿足設計要求，可通過專業的材料軟件進行建模和材料等級設計，極大程度上提高管道設計的合理性。相信通過對化工管道的不懈研究，我國化工項目質量將會得到進一步突破。

參考文獻：

[1]張正民.化工工程設備管道與材料優化設計研究[J].化工管理，2018（02）：231-231.

[2]許才盛，孫明剛，肖鳳祥.化工工程設備管道與材料優化設計[J].化工設計通訊，2019，45（03）：118-119.

[3]姚文月.化工工程中設備管道與材料設計優化[J].市場調查信息（綜合版），2019（03）：00128-00128.

[4]安紅衛.化工項目管道材料等級設計與選材要點[J].化工設計通訊，2018，44（07）：142+246.