化工設計過程中管道材料的選擇策略

劉儉

（天津修船技術研究所，天津 300456）

化工設計是把一項化工工程從設想變成現實的關鍵環節，一般需要考慮經濟因素、技術因素、資源因素、產品因素以及環境因素等，重點強調提升設計的可行性，在現有技術條件下能夠以較低成本實現設計目標。管道材料的選擇是化工設計中管道設計的一個環節，主要強調保證管道的工作能力，包括其使用能力、安全性等。由于化工設計帶有一定的特殊性，需要運輸腐蝕性物質、氧氣等特殊產品，加強管道材料選擇也因此顯得必要[1]。我國各地以《化工裝置管道布置設計規定》（HG/T 20549—1998）、《化工裝置管道機械設計規定》（HG/T 20645—2022）等指導具體工作，收效尚好。但進一步分析可發現，化工設計過程中管道材料的選擇依據和流程仍不完善，以提升安全性、保證管材使用性能為目標，有必要就其選擇思路、方法等進行研究。

1 常用管道材料

1.1 金屬管材

金屬管材是較早用于化工行業的管道材料，可細分為鍍鋅鋼管、銅管、鋁塑復合管等，不同金屬材料的理化性質存在區別，也各有特點。（1）冷鍍鋅鋼管目前已經不再使用，熱鍍鋅鋼管仍在部分化工領域運用，該材料主要強調通過熱鍍工藝改善金屬材料的理化性質，使以鐵（鋼）為核心材料的鋼管表面產生一層較薄的合金，進而提升鍍鋅鋼管的使用壽命和安全性。（2）銅管的優勢在于便于加工和鑄造，抗氧化能力較強，與一般的液體、化學物質不會產生反應，能夠用于化工產品的運輸，且散熱性也較強[2]。（3）鋁塑復合管是一種復合管材，一般由塑料、熱熔膠、鋁合金、熱熔膠、塑料五個層次組成，其中最外層為塑料，塑料的強度不高，但耐腐蝕的能力比較突出；以鋁材為核心制備的合金則提升了管材的整體強度；熱熔膠用以提升管材應對形變的能力，使化工原料、液體和氣體沖擊導致的管材形變可以自行恢復，不會導致管材的永久形變和損壞。

1.2 非金屬管材

非金屬管材在化工領域的運用更普遍，常見非金屬管材包括ABS 塑料管、聚乙烯管、聚丙烯管等。（1）ABS 塑料管是一種出現、運用時間較短的新型材料，該材料的特點在于結構重量不大、流體阻力小，且化學性能和物理性能均比較理想，幾乎不與化工運輸物發生化學反應，密閉性也較好。該材料的公稱壓力在0.6 ～1.6 MPa，線膨脹系數則為0.9 mm/（m·℃），滿足大部分化工設計和管道設計的要求，成本也較低[3]。但ABS 塑料管應對氣體滲透的能力不強。（2）聚乙烯（Polyethylene，PE）管屬于塑料類管材，以單體乙烯聚合加工而成，一般在化工領域使用高密度聚乙烯，以保證其對壓力和溫度的應對能力。從特點上看，聚乙烯管的優勢在于易加工、成本較低，耐腐蝕能力和使用壽命比較理想。此外其施工方式成熟，也有助于削減建設成本。（3）聚丙烯管也屬于一種塑料類管材，其熱變形溫度較低，剛性也較低，優點在于能夠應對較強的沖擊破壞，可通過形變自我恢復，不會因環境變化出現應力開裂問題，目前該材料的運用已經比較普遍。

2 化工設計過程中管道材料的選擇誤區

2.1 片面關注強度

化工設計過程中，管道材料的選擇存在片面關注強度的問題，該問題是指工作人員偏重了解管道材料的整體強度，不關注材料是否能夠有效應對形變，因此塑料類管材不能得到充分重視，尤其是聚乙烯管、聚丙烯管等新材。剛性較大的材料的優勢在于能夠應對一般性的沖擊破壞，適宜長距離運輸化工材料，但其往往存在耐腐蝕性上的不足，且容易在環境變化后出現應力開裂問題，不能滿足一些復雜環境下的工作任務[4]。

2.2 未能做好統一管理

管道材料的標準化，是化工設計的基本要求和趨勢，以便于集中進行管理和更換。目前部分地區的化工設計未能做好統一管理，以致管道材料各有不同，管理難度也較大。如規模較大、建設時間較長的化工企業工作系統，不需要集中進行管材的全部更換，只周期更換工作負荷較大、老化速度較快的部分管材，工作區域內各部門獨立進行管理，選用的管材即便符合國家標準，依然存在規格和材質上的區別，影響后續化工設計、管道統一管理等工作[5]。

2.3 選擇高價格管道材料

無論金屬管材還是非金屬管材，均存在價格上的不同，一般而言，高價格材料的綜合性能略優于普通材料，但因不同材料的適用性存在區別，在化工設計、管道設計活動中，高價格材料的使用價值與其價格并非完全成正比。部分地區在化工設計過程中，認為高價格材料性能較好，片面以價格衡量管材的質量和使用價值。此模式的弊端在于，高價格材料可能不符合管道設計所有環節的需要，如金屬材料應對腐蝕的能力不足，腐蝕性較強的原料更適宜以非金屬管材組織運輸。僅以價格作為選取管材的依據并不客觀。

2.4 管道材料污染較大

部分材料能夠用于化工設計、管道系統建設，但其污染性較大，并不提倡持續、長期使用。如PVC 管、熱鍍鋼管等，這一類材料用于化工系統中，雖然能夠完成運輸氣體、液體的任務，但污染較大。如PVC 管的核心材料為聚氯乙烯，該材料已經列入致癌物清單，在生產過程中危害人員健康，應用于化工生產活動中的PVC 管危害較小，但在進行淘汰、燃燒處理時，會產生二噁英，對環境和人體均有不良影響；熱鍍鋼管產生的電鍍廢水，可能污染水體，導致重金屬污染等問題。選取上述材料進行化工管道設計和建設，不利于實現污染控制。

3 管道材料選擇原則

3.1 針對性原則

化工設計過程中，管道材料選擇的基本原則為針對性，即針對工作需要選用合適的管材。以運輸腐蝕性較強的材料為目的，建議選用非金屬類材料或復合類金屬管材，如ABS 塑料管、聚乙烯管、聚丙烯管、鋁塑復合管等。運輸物為氣體時，應關注密閉性，此時不宜使用聚乙烯管。其他各類管道材料的選用也在此原則下具體開展，注意匹配化工設計、管道設計的實際需要。

3.2 標準化原則

標準化，是指在化工設計、管道設計的過程中，選用相同規格、相同材質的管道材料，以便集中組織管理。規格方面，可按照相關行業標準具體酌定，當地及企業組織內的標準也可作為參考。材料方面，如果組織規模較大，需要多個地區分別組織管理，可建立規范的管理機制，將管道管理納入到統一的管理系統內，包括管道的設計、管道材料選擇、更換等，確保所有工作可以統一開展，選用材料和規格統一的管材，以保證管理工作的效率。

3.3 環保原則

不同管道材料的使用價值不同，制造工藝、處理方式也存在差別，在化工設計過程中，原則上要求選用環保的管道材料。上文所述的熱鍍鋼管及PVC 管等，不能作為化工管道設計的首選。在條件允許的情況下，應以使用壽命較長、處理和制造工藝成熟無污染（或少污染）的材料為主，包括樹脂材料、復合材料等。在可用材料均存在污染的情況下，應選取污染較小、易處理的一類，以控制化工產業的負面影響。

3.4 經濟原則

經濟原則是指在化工設計過程中，選取總體價格較低、施工簡便、有助于保證工程總體效益的管道材料。如聚乙烯管、聚丙烯管，制備工藝比較簡單，現場施工也比較簡便、技術成熟，適宜大規模應用，在非氣體類原料的運輸中，可作為管道設計的優選材料。非腐蝕性氣體的運輸，對密閉性要求高，但一般不需要考慮對運輸管道的腐蝕破壞，可選用復合管材，包括ABS 塑料管等。單純的金屬管材價格一般較高，如銅管，因此使用時應慎重對待，避免施工成本、建設成本過高的問題。

4 管道材料選擇方法

4.1 抗氧化管材的選用

化工系統中，運輸物可能與管道發生化學反應，如氧化反應，導致管道被破壞、腐蝕。在抗氧化管材的選擇過程中，首先應關注其化學性質的穩定性，復合材料的應用一般更為妥當。如運輸物為氣態，復合材料可能存在密閉性的缺陷，也可以應用熱鍍鋼管或鋁塑復合管；如運輸物的溫度較高（超過425 ℃），還應考慮管道材料在高溫下的穩定性，以沸騰鋼或碳元素鎮定鋼為核心材料替代普通鋼管為宜。

4.2 耐低溫材料的選用

低溫運輸在化工生產活動中并不少見，這要求化工管道能夠應對低溫破壞，不會因低溫出現凍裂、阻力增加等問題。原則上當運輸物的溫度低于0 ℃時，普通金屬材料均不宜作為中心材料，可調整其合金成分，提升應對低溫破壞的能力。如運輸物溫度在-20 ～0 ℃，可采用20 號鋼作為管道主材組織運輸；部分介質的溫度在-20 ℃以下，甚至達到-196 ℃的水平，可以奧氏體不銹鋼為材料進行管道系統建設。

4.3 耐高溫管材的選用

高溫運輸在化工產業中比較常見，在超過425 ℃的情況下可以沸騰鋼或碳元素鎮定鋼建設管道。除此之外，如果運輸物的溫度較高但未達到425 ℃，可對常規金屬材料進行成分調整，添加一定量的鉻以提升其化學穩定性，添加鉬元素則有助于改善金屬管材的抗熱性能。從塑性角度出發，可適當降低管道的剛性，以優先滿足高溫運輸為目標。

4.4 塑料里襯的選取

化工設計過程中，選擇管材材料需要考慮其抗破壞、耐腐蝕能力，這要求做好塑料里襯的分析和選用。通常可在管道內部放置一定厚度的復合材料，如聚丙烯和聚四氟乙烯，均可應對一般強度的腐蝕破壞，包括酸堿性物質等。如果運輸物具有腐蝕性且溫度較高（120 ℃以上），聚丙烯和聚四氟乙烯不能作為塑料里襯，應選取能夠應對高溫影響的其他物質，如交聯聚乙烯等。

4.5 濃硫酸、鹽酸輸送管材的選用

（1）濃硫酸是一種常用化工材料，該材料的腐蝕性很強，常規材料不能滿足其運輸需要，在化工設計過程中，應選用能夠應對其腐蝕破壞的優質材料。僅以運輸和存放為要求，鐵單質材料可用于建設管道系統，以其與硫酸反應后生成的氧化薄膜保證管道性質的穩定。如果濃硫酸的溫度較高，應設法控制環境溫度，使其穩定在30 ℃或25 ℃以下，工作壓力也不宜過高，一般在0.25 MPa 為宜。長時間使用的管道應適當增加厚度，以鋼材進行外層加固。（2）針對鹽酸運輸，通常應以能夠應對腐蝕破壞的復合材料為首選，包括聚丙烯材料等，如果運輸的總量較大，也可以在聚丙烯管的外圍組織加固。

4.6 氧氣輸送管材的選用

化工生產活動中，需要使用各類催化材料，包括氧氣等。氧氣的運輸需要考慮密閉性，以及環境的穩定性，以避免氧氣外逸或出現燃燒、爆炸等問題。在進行氧氣運輸時，應遵行《工業金屬管道設計規范》（2008 年版）（GB 50316—2000）等規范文件，以GC2 類型管道為基本要求。具體工作中，還應分析運輸過程中氧氣的總輸送量、單位時間輸送量，如果氧氣總輸送量、單位時間輸送量較大，應考慮使用加固、密閉措施，以理化性質穩定的金屬材料做管道加固，并妥善進行焊接。管道的抗形變能力、剛性以及密閉性是核心關注指標。

5 結語

綜上所述，化工設計過程中管道材料的選擇十分重要，需要做好管理，確保所選管材得當。當前常用于化工活動的管道材料可分為金屬類和非金屬類，在管材選擇過程中常見工作誤區包括片面關注材料強度、未能做好統一管理、選擇高價格管道材料和污染較大的管道材料等。原則上，化工設計過程中管道材料的選擇應保證針對性、標準化、環保化和經濟性。具體方法上，抗氧化管材、耐低溫材料、耐高溫管材的用途和選擇方式各有不同，應根據管材用途加以甄選，保證所選管道材料符合使用需要、可服務化工設計活動。