化工设计过程中管道材料的选择策略.pdf

Vol.9 No.4Aug.2023生物化工Biological Chemical Engineering第 9 卷 第 4 期2023 年 8 月文章编号：2096-0387（2023）04-04化工设计过程中管道材料的选择策略刘俭（天津修船技术研究所，天津 300456）摘 要：化工行业对管道材料的要求较高，应根据使用需要选用合适的材料，这也要求加强化工设计过程中管道材料的选择工作。本文对常用于化工活动中管道材料类别进行简述，在此基础上分析化工设计过程中管道材料的选择误区、选择原则，最后结合不同管道特点，分析其选择的具体方法，包括抗氧化管材的选用、耐低温材料的选用、耐高温管材的选用、浓硫酸和盐酸输送管材的选用及氧气输送管材的选用等，为未来的化工管理工作提供参考，改善工作质量和安全性。关键词：化工设计；管道材料；抗氧化管材；耐高温管材中图分类号：U174 文献标识码：CTheSelectionStrategyofPipelineMaterialsinChemicalDesignProcessLIU Jian(Tianjin Ship Repair Technology Research Institute,Tianjin 300456,China)Abstract:The chemical industry has high requirements for pipeline materials,and appropriate materials should be selected according to usage needs.This also requires strengthening the selection of pipeline materials in the chemical design process.This article provides a brief description of the types of pipeline materials commonly used in chemical activities.Based on this,it analyzes the selection errors and principles of pipeline materials in the chemical design process.Finally,combined with the characteristics of different pipelines,it analyzes the specific methods of selection,including the selection of antioxidant pipes,low-temperature resistant materials,high-temperature resistant pipes,and concentrated sulfuric acid and hydrochloric acid transportation pipes and oxygen delivery pipes.This provides reference for future chemical management work,and improves work quality and safety.Keywords:chemical design;pipeline materials;antioxidant tubing;high temperature resistant pipes化工设计是把一项化工工程从设想变成现实的关键环节，一般需要考虑经济因素、技术因素、资源因素、产品因素以及环境因素等，重点强调提升设计的可行性，在现有技术条件下能够以较低成本实现设计目标。管道材料的选择是化工设计中管道设计的一个环节，主要强调保证管道的工作能力，包括其使用能力、安全性等。由于化工设计带有一定的特殊性，需要运输腐蚀性物质、氧气等特殊产品，加强管道材料选择也因此显得必要1。我国各地以 化工装置管道布置设计规定（HG/T 205491998）、化工装置管道机械设计规定（HG/T 206452022）等指导具体工作，收效尚好。但进一步分析可发现，化工设计过程中管道材料的选择依据和流程仍不完善，以提升安全性、保证管材使用性能为目标，有必要就其选择思路、方法等进行研究。1 常用管道材料1.1 金属管材金属管材是较早用于化工行业的管道材料，可细分为镀锌钢管、铜管、铝塑复合管等，不同金属材料的理化性质存在区别，也各有特点。（1）冷镀锌钢管目前已经不再使用，热镀锌钢管仍在部分化工领域运用，该材料主要强调通过热镀工艺改善金属材料的理化性质，使以铁（钢）为核心材料的钢管表面产生一层较薄的合金，进而提升镀锌钢管的使用寿命和安全性。作者简介：刘俭（1980），男，辽宁铁岭人，本科，高级工程师，研究方向为海洋石油工程设计项目管理、工艺和管线设计。132生物化工2023 年（2）铜管的优势在于便于加工和铸造，抗氧化能力较强，与一般的液体、化学物质不会产生反应，能够用于化工产品的运输，且散热性也较强2。（3）铝塑复合管是一种复合管材，一般由塑料、热熔胶、铝合金、热熔胶、塑料五个层次组成，其中最外层为塑料，塑料的强度不高，但耐腐蚀的能力比较突出；以铝材为核心制备的合金则提升了管材的整体强度；热熔胶用以提升管材应对形变的能力，使化工原料、液体和气体冲击导致的管材形变可以自行恢复，不会导致管材的永久形变和损坏。1.2 非金属管材非金属管材在化工领域的运用更普遍，常见非金属管材包括 ABS 塑料管、聚乙烯管、聚丙烯管等。（1）ABS 塑料管是一种出现、运用时间较短的新型材料，该材料的特点在于结构重量不大、流体阻力小，且化学性能和物理性能均比较理想，几乎不与化工运输物发生化学反应，密闭性也较好。该材料的公称压力在 0.6 1.6 MPa，线膨胀系数则为 0.9 mm/（m），满足大部分化工设计和管道设计的要求，成本也较低3。但 ABS 塑料管应对气体渗透的能力不强。（2）聚 乙烯（Polyethylene，PE）管属于塑料类管材，以单体乙烯聚合加工而成，一般在化工领域使用高密度聚乙烯，以保证其对压力和温度的应对能力。从特点上看，聚乙烯管的优势在于易加工、成本较低，耐腐蚀能力和使用寿命比较理想。此外其施工方式成熟，也有助于削减建设成本。（3）聚丙烯管也属于一种塑料类管材，其热变形温度较低，刚性也较低，优点在于能够应对较强的冲击破坏，可通过形变自我恢复，不会因环境变化出现应力开裂问题，目前该材料的运用已经比较普遍。2 化工设计过程中管道材料的选择误区2.1 片面关注强度化工设计过程中，管道材料的选择存在片面关注强度的问题，该问题是指工作人员偏重了解管道材料的整体强度，不关注材料是否能够有效应对形变，因此塑料类管材不能得到充分重视，尤其是聚乙烯管、聚丙烯管等新材。刚性较大的材料的优势在于能够应对一般性的冲击破坏，适宜长距离运输化工材料，但其往往存在耐腐蚀性上的不足，且容易在环境变化后出现应力开裂问题，不能满足一些复杂环境下的工作任务4。2.2 未能做好统一管理管道材料的标准化，是化工设计的基本要求和趋势，以便于集中进行管理和更换。目前部分地区的化工设计未能做好统一管理，以致管道材料各有不同，管理难度也较大。如规模较大、建设时间较长的化工企业工作系统，不需要集中进行管材的全部更换，只周期更换工作负荷较大、老化速度较快的部分管材，工作区域内各部门独立进行管理，选用的管材即便符合国家标准，依然存在规格和材质上的区别，影响后续化工设计、管道统一管理等工作5。2.3 选择高价格管道材料无论金属管材还是非金属管材，均存在价格上的不同，一般而言，高价格材料的综合性能略优于普通材料，但因不同材料的适用性存在区别，在化工设计、管道设计活动中，高价格材料的使用价值与其价格并非完全成正比。部分地区在化工设计过程中，认为高价格材料性能较好，片面以价格衡量管材的质量和使用价值。此模式的弊端在于，高价格材料可能不符合管道设计所有环节的需要，如金属材料应对腐蚀的能力不足，腐蚀性较强的原料更适宜以非金属管材组织运输。仅以价格作为选取管材的依据并不客观。2.4 管道材料污染较大部分材料能够用于化工设计、管道系统建设，但其污染性较大，并不提倡持续、长期使用。如 PVC 管、热镀钢管等，这一类材料用于化工系统中，虽然能够完成运输气体、液体的任务，但污染较大。如 PVC 管的核心材料为聚氯乙烯，该材料已经列入致癌物清单，在生产过程中危害人员健康，应用于化工生产活动中的PVC管危害较小，但在进行淘汰、燃烧处理时，会产生二噁英，对环境和人体均有不良影响；热镀钢管产生的电镀废水，可能污染水体，导致重金属污染等问题。选取上述材料进行化工管道设计和建设，不利于实现污染控制。3 管道材料选择原则3.1 针对性原则化工设计过程中，管道材料选择的基本原则为针刘俭：化工设计过程中管道材料的选择策略第 4 期133对性，即针对工作需要选用合适的管材。以运输腐蚀性较强的材料为目的，建议选用非金属类材料或复合类金属管材，如 ABS 塑料管、聚乙烯管、聚丙烯管、铝塑复合管等。运输物为气体时，应关注密闭性，此时不宜使用聚乙烯管。其他各类管道材料的选用也在此原则下具体开展，注意匹配化工设计、管道设计的实际需要。3.2 标准化原则标准化，是指在化工设计、管道设计的过程中，选用相同规格、相同材质的管道材料，以便集中组织管理。规格方面，可按照相关行业标准具体酌定，当地及企业组织内的标准也可作为参考。材料方面，如果组织规模较大，需要多个地区分别组织管理，可建立规范的管理机制，将管道管理纳入到统一的管理系统内，包括管道的设计、管道材料选择、更换等，确保所有工作可以统一开展，选用材料和规格统一的管材，以保证管理工作的效率。3.3 环保原则不同管道材料的使用价值不同，制造工艺、处理方式也存在差别，在化工设计过程中，原则上要求选用环保的管道材料。上文所述的热镀钢管及 PVC 管等，不能作为化工管道设计的首选。在条件允许的情况下，应以使用寿命较长、处理和制造工艺成熟无污染（或少污染）的材料为主，包括树脂材料、复合材料等。在可用材料均存在污染的情况下，应选取污染较小、易处理的一类，以控制化工产业的负面影响。3.4 经济原则经济原则是指在化工设计过程中，选取总体价格较低、施工简便、有助于保证工程总体效益的管道材料。如聚乙烯管、聚丙烯管，制备工艺比较简单，现场施工也比较简便、技术成熟，适宜大规模应用，在非气体类原料的运输中，可作为管道设计的优选材料。非腐蚀性气体的运输，对密闭性要求高，但一般不需要考虑对运输管道的腐蚀破坏，可选用复合管材，包括ABS 塑料管等。单纯的金属管材价格一般较高，如铜管，因此使用时应慎重对待，避免施工成本、建设成本过高的问题。4 管道材料选择方法4.1 抗氧化管材的选用化工系统中，运输物可能与管道发生化学反应，如氧化反应，导致管道被破坏、腐蚀。在抗氧化管材的选择过程中，首先应关注其化学性质的稳定性，复合材料的应用一般更为妥当。如运输物为气态，复合材料可能存在密闭性的缺陷，也可以应用热镀钢管或铝塑复合管；如运输物的温度较高（超过 425），还应考虑管道材料在高温下的稳定性，以沸腾钢或碳元素镇定钢为核心材料替代普通钢管为宜。4.2 耐低温材料的选用低温运输在化工生产活动中并不少见，这要求化工管道能够应对低温破坏，不会因低温出现冻裂、阻力增加等问题。原则上当运输物的温度低于 0 时，普通金属材料均不宜作为中心材料，可调整其合金成分，提升应对低温破坏的能力。如运输物温度在-20 0，可采用 20 号钢作为管道主材组织运输；部分介质的温度在-20 以下，甚至达到-196 的水平，可以奥氏体不锈钢为材料进行管道系统建设。4.3 耐高温管材的选用高温运输在化工产业中比较常见，在超过 425 的情况下可以沸腾钢或碳元素镇定钢建设管道。除此之外，如果运输物的温度较高但未达到 425，可对常规金属材料进行成分调整，添加一定量的铬以提升其化学稳定性，添加钼元素则有助于改善金属管材的抗热性能。从塑性角度出发，可适当降低管道的刚性，以优先满足高温运输为目标。4.4 塑料里衬的选取化工设计过程中，选择管材材料需要考虑其抗破坏、耐腐蚀能力，这要求做好塑料里衬的分析和选用。通常可在管道内部放置一定厚度的复合材料，如聚丙烯和聚四氟乙烯，均可应对一般强度的腐蚀破坏，包括酸碱性物质等。如果运输物具有腐蚀性且温度较高（120 以上），聚丙烯和聚四氟乙烯不能作为塑料里衬，应选取能够应对高温影响的其他物质，如交联聚乙烯等。（下转第148页）148生物化工2023 年实践,2021,29(5):667-671.2 黄福晟.高等院校金融实验室低成本建设探索:兼论数字语言实验室的应用扩展及多功能化改造 J.中国教育技术装备,2010(27):100-102.3 周艳明,王秀丽.高校金融专业实验室筹建初探 J.实验科学与技术,2008(1):135-137.4 荆亚璟,伍扬.高校学生实验室安全意识现状的调查与实践 J.实验技术与管理,2019,36(5):251-254.5 贾贤龙.高等学校实验室安全现状分析与对策 J.实验室研究与探索,2011,30(12):193-195.6 叶元兴,马静,赵玉泽,等.基于 150 起实验室事故的统计分析及安全管理对策研究 J.实验技术与管理,2020,37(12):317-322.7 杨添博,陈禹.基于学生安全意识培养的高校生物实验室安全管理对策 J.吉林医药学院学报,2021,42(5):383-385.8 裴明,胡晓玥.医学院校加强生物实验室安全教育的思考 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