新材料在化工設備及壓力管道設計中的應用

新材料在化工設備及壓力管道設計中的應用

化工設備以及壓力管道設計中，積極利用待料代用，節省化工設計及壓力管道材料的同時，保證化工設備及壓力管道設計質量。材料代用的具體應用，必須嚴格遵循以高代低、以厚代薄以及以優代劣等方式，增加化工設備耐腐性性。但是在實際應用中，材料代用還需要不斷探索完善，其影響因素眾多，為了保證化工設備及壓力管道運行，必須進行針對性的材料代用研究。

1 材料代用在化工設備及壓力管道設計中的應用選擇

化工設備的設計以及壓力管道的設計環境特殊，影響因素眾多，不僅周圍溫度較高，并且還會伴有各種有毒介質。化工設備以及壓力管道設計中，必須選擇科學、安全以及實用的經濟材料，充分滿足化工設備、壓力管道設計的環保與經濟性發展要求。化工設備與壓力管道設計中涉及到的材料主要包括兩種，金屬與非金屬。

1.1 金屬材料

金屬材料中主要包括不銹鋼材料與碳鋼材料。不銹鋼材料在壓力管道設計中，主要幫助管道設計避免受到酸堿的腐蝕。壓力管道設計多處于酸堿較強的環境中，如果管道材料不具備抗腐蝕性，管道遭受侵蝕，質量下降，使用壽命縮短，材料成本增加，化工設備正常運行受到影響。利用抗腐蝕性材料是壓力管道及化工設備設計的重要選擇[1]。不銹鋼金屬材料具有非常好的抗腐蝕性，不僅能夠有效預防化工設備被腐蝕，還能夠阻隔鐵離子的污染。與此同時不銹鋼材料焊接更方便，常用的不銹鋼材料主要包括304、316L、321。碳鋼材料的選擇，其主要優勢體現在力學性能方面，低濃度H2SO4或者NaOH 情況下的化工設備或者壓力管道，碳鋼金屬材料是理想的選擇。但是碳鋼材料在應用中如果遇到濃度高的腐蝕環境，其抗腐蝕性稍差于不銹鋼材料。對于壓力高腐蝕性強的較苛刻工況，可選擇碳鋼低合金鋼本體，不銹鋼襯層或是復合層既可滿足強度的要求，又可滿足耐腐蝕性要求，同時還可以降低成本。

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1.2 非金屬材料

非金屬材料主要包括玻璃鋼、石墨。玻璃鋼屬于纖維強化塑料，在玻璃纖維中加入環氧樹脂、酚醛樹脂以及不飽和聚酯，形成玻璃鋼。玻璃鋼密度1.8g/cm3。玻璃鋼在化工設備中的應用優勢體現在抗腐蝕性好，面對任何強度的酸堿液體都具有抵抗能力。當然也存在一些弱點，對高溫的抵抗力弱。玻璃鋼材料的應用溫度不能超過60℃。壓力管道中通風管道以及塔器、鈦設備等外殼都可以選擇玻璃鋼材料。石墨材料的應用主要體現在化工設備外殼方面。石墨材料的形成經過高溫淬煉而成，其自身有無數微小細孔。將石墨浸泡在酚醛樹脂中加以處理，石墨的高孔隙率得到彌補，不透性增加。石墨的應用優點在于耐高溫，具有較強的熱傳導性，但是石墨抗拉強度不夠理想，所以在實際應用中還需要根據化工設備與壓力管道具體情況而選擇。

2 材料代用在化工設備及壓力管道設計中的運用

由于我國壓力容器材料供應方面的問題以及部分制造廠解決庫存材料的需要，制造過程中的“材料代用”是目前我國壓力容器建造中常見的現象，面對這種普遍現象，《固定式壓力容器安全技術監察規程》放寬了對材料代用的管理規定。材料選擇是設計過程中的重要技術內容，應作為設計質量保證始終貫穿于壓力容器建造過程。盡管材料代用解決了一些壓力容器制造過程中的實際問題，但也引發了諸如職責不清、不當代用等現象的發生。因此，在壓力容器的建造中，有必要詳細論證材料代用的可行性，慎重決定。在“以優代劣”原則的情況下，還應考慮如下因素：①代用材料的強度級別是否影響到容器類別的劃分。②材料對工作介質的相容性。如應力腐蝕、晶間腐蝕等。③代用材料的設計溫度下的許用應力是否達到原設計的要求。④代用材料是否會產生如改變焊接材料、焊接工藝等。⑤代用材料是否會產生諸如改變熱處理狀態、無損檢測及焊接試板等要求。

1）壓力管道的材料代用中，同一材料厚代薄是基本原則。但是，對于高溫大口徑管道、設置有彈簧或者膨脹節管道、與敏感設備（壓縮機、泵、加熱爐）相連管道等，由于在其他設計條件不變的情況下，管道壁厚增加，會導致既有彈簧或膨脹節及敏感設備管口荷載超標，對上述部件造成損壞。由于厚壁管道自重大，剛度大，還可能造成管架及生根的土建荷載超標，管系柔性下降，不利于長期穩定安全運行。因此，在上述管道上進行以厚代薄材料代用時，務必復核既有應力計算，確保上述問題可控，否則不應代用。

2）在壓力容器材料代用中，以厚代薄的應用主要針對設備本體板，厚度與應力成反比例關系，厚度增加的同時應力隨之下降。結合這種現象，以厚代薄處理必須關注強度變化，確保厚度增加的同時，整體協調性不會出現變化。板厚的不同，會產生許用應力的差異。在一定厚度期間范圍內，許用應力會隨著厚度的增加而降低。根據應力下降差的對比，制定適當的材料代用方案。還要注意，以厚代薄中必須確保強度核算準確，否則材料代用會出現適得其反的現象。壓力容器中以厚代薄材料代用，剛性會明顯增加，這樣一來壓力容器的補償變形會受到影響，壓力容器出現焊縫開裂現象。以厚代薄的優劣必須劃分清楚，以便落實材料采用方案。

3）再如煤化工的變換裝置或者煉油的加氫裝置，常存在濕H2S 應力腐蝕環境。工程上目前常采用低碳鋼+抗氫處理（如20號鋼/Q235B）來解決此類問題，其主要抗腐蝕思路是降低鋼種硫、磷雜質的含量，減少氫離子聚集空間進而減輕應力腐蝕的發生，另外就是對焊縫進行消應力處理，降低拉應力，進而降低應力腐蝕。但是，此類場合若采用16Mn（Q345R）代用，往往會加大應力腐蝕傾向。因為Q235的屈服強度在235MPa，抗拉強度370～500MPa。而Q345的屈服強度在345MPa，抗拉強度490～675MPa。鋼材強度的升高，更容易導致加工過程中較大殘余應力的產生。

4）再比如焊材代用，以某延遲焦化裝置為例，運行時管線溫度在425℃以下，焊接材料為1Cr5Mo 同種鋼，管道焊材為熱507。由于現場環境對于焊后熱處理存在影響，因此在焊接時確定了焊接材料為奧氏焊接材料，并且焊接后不進行熱處理。焊接1Cr5Mo 時應用的奧氏焊接條，屬于低匹配焊接（母材強度高于焊縫）。

優勢：

其一，奧氏體可與焊縫中存在的氫實現充分的溶解，進而可有效降低近縫區氫的含量。

其二，焊縫金屬冷卻時具有極強的可塑性，同時強度也較小，這為焊縫拘束應力的降低提供了條件。

其三，焊縫金屬缺少AF+P 類變相，當焊接后冷卻至450℃左右時，拉應力將不斷提升，進而導致熱影響區域中的金屬出現奧氏體分解現象，同時氫散出強度將快速提升，這可有效避免冷裂縫的出現。

劣勢：

焊縫為完全混合位置中經常出現大量Ni 層與C 層，均具有極高淬硬性，為各種形式脆斷與冷裂問題的出現埋下了隱患。這就需要對其使用范圍進行極為嚴格的控制。高溫下長時間使用該種接頭，經常會出現碳從母材轉移至焊縫現象，進而引發斷裂問題。對于這種情況，需要從焊接流程方面進行完善，根據溫度變化情況，控制溫度壓力變化。

3 結束語

綜上所述，化工設備及壓力管道設計中，面對材料采購困難或者材料成本較高等情況，制定材料代用計劃，選擇更適當的材料代替原材料。這其中涉及到材料成分、屬性、抗腐蝕性以及耐熱性等多方因素。制定材料代用的主要目的是減少材料成本的同時，保證化工設備及壓力管道的質量。事實上，材料代用是壓力容器的一種設計變更，單純考慮“以優代劣”的原則，仍然是產生安全隱患和管理混亂的主要因素，壓力容器的設計、制造單位必須充分協商，在考慮到各種可能影響壓力容器安全使用因素的情況下，慎重決定材料代用方案。