化工生产中管道材料的选择

　　【摘要】在化工厂管道设计中，管道的选材是一个至关重要的问题。它关系到是否满足装置生产全过程配管的各种操作工况，并确保安全生产，无事故，以及是否经济、合理。本文主要从不同操作温度等工况对材料性能产生的影响出发，概述了几种温度情况下管道材料的选择，并指出了针对某些特殊介质和工艺要求如何合理选择相应管材及注意事项。

　　【关键词】化工生产,管材高温管道,低温管道,耐热用钢管

　　1 引言

　　在石化、化工生产中，压力管道发生的事故所占比例较高，而事故之中，管道材料的设计选择错误往往又占到了一定的比例。如何去正确选择管材，使其能很好满足装置生产中的各种操作工况，并确保安全生产，在此基础上更加经济，是至关重要的。

　　要在石化、化工生产中正确选到合适的管材，就应该先对管材有所了解，对各种管材的性能有所掌握。

　　管道材料应根据所输送的介质特性和外部环境来的选择。所输送的介质特性包括介质在操作条件下的物理性质、化学性质、操作温度、操作压力等。外部环境指管道所处地方的各种条件，包括气候状况、环境温度、环境湿度、环境压力、腐蚀程度等。

　　本文主要从不同操作温度等工况对材料性能产生的影响出发，概述了几种温度情况下管道材料的选择，并指出了针对某些特殊介质和工艺要求如何合理选择相应管材及注意事项，希望对今后的管道设计选材工作提供有益的帮助。

　　2 常温、中低压管道的材料选择

　　常温、中低压的操作环境对管材的力学性能要求并不高，所以管材比较好选。

　　如果介质没有腐蚀，无毒等其他特殊要求，就可以选用以下管材：

　　1> 低碳有缝钢管：使用条件为0~200℃的低压管道。管道材料可为Q235A、Q215A、Q235AF、Q215AF 等。可选用的国家标准《低压流体输送用焊接钢管》 GB3091 、《低压流体输送用焊接钢管》 GB3092等。

　　2> 低碳无缝钢管：使用条件为-20~200℃中低压管道。管道材料可为20#、10#、16Mn、09MnD 等。可选用的国家标准《低压流体输送用无缝钢管》 GB8163 、《中低压锅炉用无缝钢管》 GB3087等。

　　3 高温管道的材料选择

　　3.1 金属材料的高温力学性能

　　在化工生产中，高温管道经常遇到。高温情况下，材料的性能比较复杂，而且容易多变。一般来说，与常温承载相比，高温承载的金属力学性能有如下特点：

　　1> 屈服强度σs会随温度T升高而降低，塑性则会随温度T升高而升高;

　　2> 与荷载持续时间密切相关：随着时间的推移，会产生蠕变现象;

　　3> 抗拉强度σb随着温度T的升高反而下降;

　　4> 同时，在高温下环境介质对材料腐蚀会加强。

　　3.2 高温管道材质的选择：

　　温度超过350℃就称之为高温。

　　在化工生产装置里，高温并伴有腐蚀的管道必须使用耐腐蚀材料;高温、不伴有腐蚀的管道则应使用高温、高压钢管。

　　碳素钢的上限使用温度为425℃左右，超过该温度时，用沸腾钢和A1镇静钢比Si镇静钢更为优越。但是，碳素钢在425℃左右会引起石墨化现象，致使强度下降，所以必须添加合金元素以改善碳素钢的高温强度。Mo在Fe中固溶成为稳定的碳化物，可提高蠕变强度。常用到的低合金无缝钢管(16Mn、12GrMo、15CrMo等)可在350~550℃的高温工况下使用。

　　不锈钢(18Cr-8Ni~25Cr-20Ni)的高温强度高，特别是18-12MoL、18-8-Ti18-8-Nb等合金元素的影响更为优越，可在-196℃(低温)及≥600℃(高温)工况下使用。

　　在Fe内单独添Ni至28%以上时，在常温下也不会形成奥氏体。可是，同时添加Ni、Cr至Cr18%、Ni8%时，便可形成奥氏体组织。而且Cr远比Ni价廉，所以18-8钢是最经济的奥氏体钢。

　　一般在没有耐腐蚀性问题的场合，在规定的范围内，含碳量高的不锈钢，其高温强度也高。

　　一般面心立方晶体结构的奥氏体不锈钢即使在600℃以上也比体心立方晶体结构的铁素体钢的蠕变强度高。

　　目前，我国化工企业的高温管道主要分布在蒸汽管道和一些高温临氢管线。由于化工生产工艺的发展，许多化工生产装置的还原反应，大多采用氢气还原。选用材质主要依据是按Nelsom曲线。国内外常用于高温抗氢管道的钢种是1Cr5Mo(即Cr5Mo)。选用时需注意的是：此钢种在正火+回火状态时属珠光体钢;在淬火+回火状态下位马氏体组织，此时钢种可焊性下降。

　　通常作为管道应用时不在于提高强度，而需要提高可焊性。焊接时预热与焊后回火的要求较严。这在管道施工时很难实现，但采用奥氏体焊条焊接时，则简单不少，可以不用焊后热处理。

　　4 耐热管道材料的选择

　　4.1 耐热用钢应具有的性能

　　所谓耐热用材料，是指具有耐氧化性、耐气体腐蚀性、高温强度、不发生高温脆化、热冲击强度高等性能的材料。

　　4.2 耐氧化性材料的选择

　　高温用钢管多暴露于高温气体或特殊的气体、液体中，要求钢管必须具有良好的耐氧化性能。可是碳素钢钢管表面产生的氧化膜几乎不能保护其基体金属。为了使钢管有良好的耐氧化性能，必须加入适当的Cr、Al、Si 等金属元素，这些元素能使钢的表面产生难以剥离的氧化薄膜。

　　Cr比铁能优先氧化，在表面生成致密的氧化薄膜可阻止氧向内部扩散。为此，适当添加Cr、Mo元素形成Cr-Mo系合金，作为耐热钢使用。含Cr量5%、9%钢的耐氧化性能提高，故多用于石油化工工业。若Cr添加量至12%时，耐氧化性急激改善。在12%Cr钢中添加MO、V、Nb的H46及添加MO、V、Nb、B、N的TAF钢等铁素体系耐热钢，其高温强度最高。这些12%Cr刚具有比奥氏体系耐热钢价格便宜，热胀率小，导热率大、屈服点高，作为600~650℃以下高温材料是有力的。

　　更高的含Cr量17%、21%、25%的Cr钢，其蠕变强度虽低，但耐氧化性优越，可用于高温下不受应力的场所。

　　还有13CrSiAl的耐氧化使用温度界限为950~1000℃;20Cr15Ni、25CrNi为1050~1100℃;SUS42为1100~1200℃。

　　5 低温管道材料的选择

　　5.1 低温金属材料的脆性

　　一般低温系指-20~-196℃范围内。温度再低是深低温、超低温。

　　对于钢管材料的选择，在-20~-196℃范围内又可作如下划分：

 

　　一般碳素钢，低合金钢等铁素体钢，在冰点以下会表现出韧性急剧下降，脆性上升的现象，这种现象成为材料的冷脆现象。

　　为了保证材料的使用性能，不仅要求材料在常温时有足够的强度、韧性加工性能以及焊接性，而且要求材料在低温时也具有抗脆化的能力。

　　5.2低温管道材质的选择

　　工程上最常用的20#钢，韧-脆性转变温度在-40℃左右，一般建议用在-20℃以上温度，以确保安全。但如果用于低于-20℃时，应根据GB50235《工业金属管道工程施工及验收规范》的规定必须做同温度下的冲击韧性试验，确定其韧脆性转变温度。

　　若选用更低温度的管道用钢，一般可选用含Ni,Mn等可明显改善钢材低温脆性的材料。低温用钢采用2.25%的镍钢，可用于-60℃的工况;

　　采用3.25%的镍钢，可用于-100℃的工况，这两种钢均为铁素体钢。而采用9%的镍钢，可用于-120~-196℃的工况，这种钢为马氏体钢。而前面提到过18-8型奥氏体不锈钢则可用于-196℃以下的更低温度。

　　6 其它特殊介质管道的材料选择

　　6.1 非金属材料管道

　　当介质腐蚀性强，不适宜选用一般碳钢及合金钢，须选用贵重金属合金时，为了考虑经济实用，可用非金属材料，例如PVC,PP,PTEE FRP等。但在选用时必须考虑以下几点：

　　1>需注意允许使用的温度及压力范围。

　　2>塑料光及附件受光和氧作用引起的老化现象，塑料管道在特定温度上对介质的腐蚀性能。

　　3>压力和温度突变的场合。

　　4>塑料在某些介质作用下失去弹性而发生的脆性现象。

　　6.2 工程塑料衬里管道

　　工程塑料衬里管道用于温度不高(一般不高于120℃)的腐蚀性介质，如盐酸等。

　　衬里材料有聚丙烯，聚四氟等。选用此类管道需注意的是：除了使用温度的限制外，还不能用于含有苯等溶解工程塑料的介质场合下，否则会发生溶胀现象，导致管道金属部分的腐蚀。在施工维修方面，衬塑管是无法现场维修的，不能动焊，虽施工方便，但在施工前，必须现场确定走向后再下料。

　　此外，管道的管托不能选用焊接型管托。

　　6.3 铬镍奥氏体不锈钢管道

　　此种奥氏体不锈钢在实际工作中广泛运用，但普通18-8型不锈钢在氯离子环境中会由于氯离子使不锈钢表面的钝化膜遭到破坏，暴露在氯离子溶液中新鲜表面不断被腐蚀，从而形成腐蚀裂纹，导致应力腐蚀。在实际工作中选用此类管道，应注意：

　　1> 改进设计结构，避免应力集中;

　　2> 设计中取低于临界应力腐蚀破裂强度值;

　　3> 通过热处理消除或减少应力;

　　4> 采用低碳与超低碳型奥氏体不锈钢或是选用其它材质，如双相不锈钢等。

　　5> 采用电化学保护、涂料或缓蚀剂等。

　　值得一提的是：铬镍奥氏体不锈钢对硫化氢有很好的抗应力腐蚀能力。虽然渗铝钢管

　　防硫化氢的效果也不错，并且价格也很便宜，但目前我国渗铝工艺技术不够稳定，产品质量时好时坏，国家也没有相应的验收标准，

　　因此选材时应慎重使用，建议设计中仍然选用铬镍奥氏体不锈钢。

　　6.4 苛性钠碱液管道选材

　　苛性钠碱液管道在一定条件下能引起碳钢材料的应力腐蚀开裂(即碱脆)，影响碳钢生产应力腐蚀的因素有碱液浓度、温度和材料中存在的残余应力等。

　　在设计中应注意，当NaOH的浓度和温度超出表2的规定时，应对焊缝进行消除应力热处理。

 

　　当NaOH的浓度和温度超出表3的规定时，则应考虑采用含镍合金。

 

　　6.5 卫生级管道选材

　　精细化工，医药化工，生物化工的管路大多数有洁净卫生要求，故选材应有特殊的要求。比如为了防止在制备、储运过程中微生物的孽生和污染，医药化工中的纯化水、注射用水等制药用水系选材的基本要求为无毒、耐腐蚀、耐高温(经受消毒)等。

　　如目前，在医药化工中，高温纯蒸汽灭菌是分配系统最常用的手段，能够满足上述要求的高温蒸汽管道的首选材料为316或是316L抛光管，其含碳量低，耐晶间腐蚀性能优越，常常用于焊后不做热处理的管道或管件。

　　而去离子水管路、洁净气体管路均采用304抛光管，并配相应的管件，如以聚四氟乙烯或食品硅胶为隔膜的隔膜阀等。

　　卫生级管道安装完毕以后需要进行酸洗、钝化处理。

　　7 结束语

　　通过以上分析比较化工厂各种常见管道选材，从总体上讲，对把握这部分管道材质的选择将会起到事半功倍的效果;但工艺管道具有复杂性和特殊性，在选材时还应注意具体问题具体分析，特别是对环境，采购、施工周期，安装维修难以程度以及经济性的充分考虑，从而使装置达到安全、稳定、可靠、长周期运行。

　　参考文献

　　唐文麒等，《化工厂典型压力管道的选材》，《化工设备与管道》2004年第2期。

　　张德姜，王怀义等，《石油化工装置工艺管道安装设计手册》，北京：中国石化出版社，2009。

　　宋岢岢，《压力管道设计及工程实例》，北京：化学工业出版社，2007。

　　戴伟中，《卫生级管道工程安装》，《江西化工》2006年第4期。

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