王亞軍 肖晶 馬杰

摘 要：管道是化工工程中非常重要的組成單元，其正確的選材對于整個工程的安全穩(wěn)定運行及工程造價都有著非常重要的意義，文章對設(shè)計過程中的管道材料選用進行了研究，并通過化工設(shè)計中管道材質(zhì)的選用實例，具體論述管道材料的選用原則。

關(guān)鍵詞：管道選材;NaCl溶液;鈦管;PVC/FRP復(fù)合管

1 管道材質(zhì)的分類

化工管道是由管道組成件、管道支承件組成，用于輸送分配、混合、分離、排放、計量、控制或截止流體流動。管道組成件是用于連接或裝配管道的元件，包括管子、管件、法蘭、墊片、螺栓、閥門以及管道特殊件等設(shè)施。本文只論述管子材質(zhì)的選用。管道常用的材料種類很多，主要分為金屬材料、非金屬材料兩類。管道材質(zhì)分類見表1：

2 材料選用的基本原則

工程上實際應(yīng)用環(huán)境是十分復(fù)雜的，不同的介質(zhì)、介質(zhì)溫度、介質(zhì)壓力等操作條件的組合，構(gòu)成了無數(shù)個選材條件。因此，設(shè)計師在管道材料的選用時，應(yīng)遵循以下幾個原則：

2.1 滿足操作條件的要求

2.1.1 介質(zhì)特性

不同材質(zhì)對同一腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕性能是不同的，應(yīng)避免選用的管道材質(zhì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂等災(zāi)難性的腐蝕出現(xiàn)，而對于均勻腐蝕，也應(yīng)該控制腐蝕速率小于0.5mm/a。

2.1.2 介質(zhì)溫度

溫度的變化會引起材料的性能發(fā)生變化，如金屬材料在低溫下會出現(xiàn)脆性，而在高溫下，會出現(xiàn)蠕變、球化、石墨化等問題。非金屬材料有良好的耐腐蝕性能，但是卻不耐高溫。另外很多腐蝕的發(fā)生都與介質(zhì)溫度密切相關(guān)，甚至是腐蝕發(fā)生的基本條件，比如氨合成的氫氮氣管道，由于氫分壓的存在，當溫度高于200℃時，必須考慮氫腐蝕的影響，根據(jù)納爾遜曲線，在溫度低于200℃時，選用20號鋼是安全的，而溫度超過200℃，20號鋼會發(fā)生氫腐蝕，這時就必須選用抗氫鋼。

2.1.3 介質(zhì)壓力

壓力較高的管道，發(fā)生事故帶來的危害性也較高，因此對材料的選擇也更嚴格和謹慎。

2.2 選用的材料應(yīng)適合相應(yīng)的制造和安裝，包括焊接、冷熱加工即熱處理等要求

選用的材料應(yīng)該容易獲得，其制造工藝成熟、可靠，并且是標準化、系列化便于大規(guī)模生產(chǎn)，工程上使用它才能保證安全穩(wěn)定，同時節(jié)約設(shè)計、制造、安裝使用等各環(huán)節(jié)的投入，大大降低工程造價。

2.3 滿足既適用又經(jīng)濟的要求

該原則操作起來很復(fù)雜，要求設(shè)計師必須運用工程學(xué)、材料學(xué)、腐蝕學(xué)等方面的知識來綜合判斷。比如，許多材料標準和制造標準中，有一些附加檢驗項目，追加檢驗可以更好控制材料質(zhì)量，但相應(yīng)提高了成本，用戶可以根據(jù)自己的使用條件合理選用，做到適用和經(jīng)濟的平衡。

3 管道材質(zhì)選用工程實例

VCM裝置廢水蒸發(fā)項目主物料管道材質(zhì)的選用實例：

工藝流程為燒堿VCM裝置的廢水三效蒸發(fā)，主物料為VCM裝置含鹽廢水，其中NaCl濃度為60～90g/L廢水，操作溫度：50～138℃，操作壓力：0.35～-0.03MPa（G），管道公稱直徑：DN32～DN350。

Cl-對金屬腐蝕主要表現(xiàn)在降低材質(zhì)表面鈍化膜形成的可能或加速鈍化膜的破壞，從而促進局部腐蝕。原因是氯離子半徑小，穿透能力強，能優(yōu)先吸附在鈍化膜上，把鈍化膜上的氧原子擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結(jié)合形成可溶性氯化物，在露出來的基底金屬上形成小蝕孔（孔徑多在20～30μm）。這些小蝕孔被稱為孔蝕核。這些氯化物容易水解，使孔內(nèi)溶液酸化，進一步加速孔內(nèi)陽極的溶解。如此循環(huán)，腐蝕越來越快，并且向孔的深處發(fā)展，直至穿孔，如圖1所示：

而奧氏體不銹鋼在氯離子溶液中的腐蝕，除了因為Cl-會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，還因為Cl-能與不銹鋼中的Cr發(fā)生反應(yīng)，在晶間上形成貧鉻區(qū)，使不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕。同時，奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的臨界氯離子濃度隨溫度上升而減小，有資料顯示，發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的臨界溫度為70℃。很明顯本工藝中高溫物料管不能選用奧氏體不銹鋼材質(zhì)。Cl-對碳素鋼的腐蝕要比奧氏體不銹鋼輕，但是腐蝕依然存在，而且碳鋼材質(zhì)會生銹，影響物料純度，因此碳鋼也不是理想選擇。

對于氯離子的耐腐蝕性能，非金屬管道是一個很好的選擇，由于物料最高溫度為138℃，常用非金屬管道如橡膠管、PVC/FRP復(fù)合管、硬聚氯乙烯管等使用溫度一般小于80℃，而鋼襯四氟管道可以耐熱到180℃，但是本工藝涉及微負壓操作，對鋼襯四氟管的加工提出了比較高的要求，根據(jù)建設(shè)方以往使用經(jīng)驗，鋼襯四氟管道容易出現(xiàn)貼合不完整，局部腐蝕穿孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致使用效果較差。

有色金屬管鈦管在氯化鈉溶液中有良好的耐腐蝕性能，但是鈦材價格昂貴，除了特殊工況，工程上使用不多。本工程溫度高于60℃工藝管道公稱直徑小，為DN32～DN80，總長度為60m，并且由于鈦的強度高，鈦管的壁厚很薄，且密度為4.51×103kg/cm3，僅為碳鋼的57.8%。估算材料及安裝費用不超過3萬元。溫度低于60℃的工藝管道，非金屬管可以使用，且介質(zhì)本身無毒，對環(huán)境也沒有危害，介質(zhì)溫度、壓力很低，即使發(fā)生泄漏，也不會對人身和環(huán)境生態(tài)造成傷害，故而選用價格便宜的PVC/FRP復(fù)合材質(zhì)。

綜合以上原因分析，對于低于60℃的工藝物料管道，選用PVC/FRP復(fù)合材質(zhì)，高于60℃的工藝物料管道，選用鈦管。既滿足了工藝生產(chǎn)的要求，又降低了整個工程的造價。

參考文獻：

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[2]宋岢岢.壓力管道設(shè)計及工程實例（第2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]徐寶東.化工管路設(shè)計手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

作者簡介：

王亞軍，女，漢族，北京藍圖工程設(shè)計有限公司。

肖晶，女，漢族，北京藍圖工程設(shè)計有限公司。

馬杰，男，漢族，匯智工程科技股份有限公司武漢分公司。