管道材料选用浅谈

浅谈管道材料的选用

合理选择管道材料是材控专业的主要任务。本文共分两大部分：材料和管道元件。在第一部分中，重点介绍了黑色金属；在第二部分中，主要针对国内现状，讨论了管子、管件、法兰、垫片、紧固件、阀门等管道元件的选用问题。

一概述

管道是装置重要组成部分，它犹如人体内的血管，起着非常重要的作用。装置能否正常生产与管道是否正常工作关系密切。有资料表明，石化行业中发生的事故造成停车、人身伤亡、财产损失等，有近一半是由于管道出现问题造成的。另外，管道费用约占装置投资的10~30%，对总投资起着举足轻重的影响。而管道是由管道元件组成的，由此可见，合理选择管道元件，就显得尤为重要。但由于涉及的因素较多，比较复杂，所以一直是材料设计人员的重要研究问题。本文就这一问题谈一点个人的体会和看法。由于本人的理论水平和实际经验等方面的原因，文中的错误和不妥之处一定不少，敬请领导批评指正。

二材料

鉴于篇幅有限，一下主要讨论黑色金属，对非金属及补里也作一简单介绍，不讨论有色金属。（一）

黑色金属

1 铸铁

铸铁由于铸造性能与切削性能好，而且成本低，虽然它的机械强度比钢差，但在低压管道上一直广泛应用。例如，在渭河化肥厂合成氨装置中，日本宇部公司在冷却水、饮用水、低压（≤0.34Mpa）蒸汽、仪表空气等介质的管系中，全部闸阀、截止阀、止回阀、碟阀、球阀等采用铸铁。国内公用工程管道所用阀门与弯头、三通等管件也一直采用铸铁。但由于国内铸铁阀门大多数是由中小企业生产，质量低劣，目前，除少数介质（如浓硫酸、浓硝酸、仪表空气等）外，大多数工艺介质管道元件都不采用铸铁。本人认为，如果我们与阀门厂加强合作，在设计上提出详细的合理的技术要求，对D类流体[非易燃和无毒流体，设计压力

≤10.5Kgf/cm2，设计温度：-29~186℃。（注1）]管道元件可以采用铸铁，以降低工程投资，增加经济效益。

2 碳钢

碳钢是现代工业中使用最广泛的金属材料之一，在石化工业上也不例外。之所以如此，主要是由于碳钢具有优良的机械性能和工艺性能。作为管道材料，常用的有10号钢，20号钢，Q235-A等。

需要说明的是，由于碳钢在800℉（427℃）以上会引起石墨化现象，致使机械性能降低，所以，在ANSI/ASME B31.3中规定A53-A，A53-B，A106-A，A106-B等碳钢材料的使用上限为800℉。在国内，各行业规定不统一。本人认为，10号钢与20号钢的上限温度应规定为425℃，Q235-A的上限温度应规定为300℃（但作为紧固件时，上限温度应为200℃）。

3 合金钢

合金钢分为低合金钢（合金元素含量≤5%）、中合金钢（合金元素含量为5～10%）、高合金钢三大类。在这类钢中，按其特性又可分为低温钢、高温钢、不锈钢等。

（1）低温钢

按照中国标准，温度在-20～-196℃之间为低温。用于低温的合金钢有16Mn、09MnV、09Mn2V、奥氏体不锈钢等。

16Mn的使用下限温度为-40℃。09MnV和09Mn2V的使用下限温度为-70℃。奥氏体不锈钢的使用下限温度为-196℃。

（2）高温钢

一般将温度>350℃称为高温。这里主要讨论含Cr元素与Mo元素的珠光体-马氏体型高温钢。同奥氏体不锈钢相比，这类钢有如下特点：膨胀系数较小，导热系数大，抗高温氧化性能和抗氢腐蚀性能较好，高温强度较高，工艺性能好，价格低等。

常用的有12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2Mo、1Cr5Mo等。

在上述几种材料中，需特别讨论12Cr1MoV材料。该材料具有比上述其它几种材料更优异的综合机械性能。另外同1Cr5Mo相比，它的含铬量较低，所以价格也低，有资料表明：它的价格为1Cr5Mo价格的一半。正因为如此，在渭河化肥厂合成氨装置中，日本宇部公司大量采用了与之相近似的材料（注2），应用的场合有：高压（4.0MPa）蒸汽，高温高压（设计温度范围为290～480℃，设计压力范围为6.6～14.9MPa）工艺气体。在吉化芳烃装置中，日本东洋公司在高压蒸汽和含氢的高温（最高温度551℃）工艺介质管线上采取了与宇部公司相同的作法。本人认为，在设计条件允许的前提下，优选12Cr1MoV的作法在我们今后的设计工作值得考虑。

（3）不锈钢

不锈钢属于高合金钢。不锈钢主要分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双桐不锈钢（即奥氏体-铁素体不锈钢）、马氏体不锈钢。其中，最常用的为奥氏体不锈钢。

A 奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢有良好的韧性、塑性、焊接性、耐腐蚀性以及优异的低温和高温特性，因此，应用非常广泛。它的主要缺点是：含贵重的合金元素Ni较多，不耐含Cl-介质的腐蚀，切削加工性能较差等，从而使其应用又受到一定的限制。

常用的奥氏体不锈钢有：0cr18Ni9、00Cr18Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2、1Cr18Ni9Ti 等。其中1Cr18Ni9Ti在过去应用较多，但由于该材料含碳元素较多，焊缝附近材料的晶间容易产生贫铬区，从而造成晶间腐蚀破坏，所以，一般可不选用它。

B 铁素体不锈钢

铁素体不锈钢的主要成分是Fe与Cr。它与奥氏体不锈钢同属比较古老的不锈钢材料，但由于其脆性倾向大（特别是475℃脆性问题），焊后耐晶间腐蚀性能较差等原因，使它的应用受到很大的限制。但是，18-8型铬镍不锈钢对应力腐蚀断裂有高度敏感性，促使耐应力腐蚀性能较好的铁素体不锈钢得到一定发展。特别是冶金水平的提高，使高钝（含碳、氮极低）铁素体不锈钢的工业化生产成为现实，基本上克服了铁素体不锈钢的上述缺点，它又变成了一种耐腐蚀性能好、价格低廉的不锈钢。在天津化工厂环氧氯丙烷装置中，日本昭和电工公司就采用了该类不锈钢。

常用的铁素体不锈钢有1Cr17、00Cr30Mo2、00Cr27Mo等。

C 双相不锈钢

双相不锈钢系指金相组织中既有奥氏体相、又有铁素体相的不锈钢。它兼有铁素体和奥氏体的性能特征。同奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢具有如下主要特点：强度高。它的屈服强度约为奥氏体不锈钢的两倍。膨胀系数小，导热系数大。对晶间腐蚀不敏感。具有优良的耐应力腐蚀和腐蚀疲劳性能以及良好的耐点蚀性能。Ni元素含量低。

常用的双相不锈钢有00Cr18Ni5Mo3Si2、Cr26Ni5Mo2等。

D 马氏体不锈钢

马氏体不锈钢主要是含铬量≥12%（一般为12～18%）的高铬钢。该不锈钢硬度、强度、都较高，耐磨性能好，切削性能优良；所以在管道中常作为阀座、阀盘和阀杆材料使用。

常用的有0Cr13、1Cr13、2Cr13和3Cr13等。

（二）

非金属及衬里

1 塑料

（1）聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯具有优异的耐腐蚀性能。在≤60℃条件下，能耐多种酸、碱、盐、碳氢化合物、有机溶剂等介质的腐蚀。另外，它还有优良的机加工和力学性能，价格低廉。正因为如此，使聚氯乙烯在管道中广泛使用。

但是聚氯乙烯不耐浓硝酸、发烟硫酸、醋酐、酮类等。

在选用时，应注意使用温度，它的上限温度为60℃，下限温度为-15℃。

（2）聚丙烯（PP）

聚丙烯具有优良的耐腐蚀性能，较好的耐温性能。聚丙烯的使用温度范围为-20～120℃。（3）聚四氟乙烯（PTFE）

聚四氟乙烯又称“塑料王”。具有极优异的耐腐蚀性能，良好的低温（-250℃）力学性能，优异的抗老化性能和自润滑性，极低的摩擦系数。这些特点，使它在管道中即可用作管子、