化工工程设备管道与材料优化设计

化工工程设备管道与材料优化设计

左茂辉

黄河三角洲京博化工研究院

摘要：化工设计内容繁杂，涉及的专业领域较多，既包含设备选型、工艺计算，又包含车间布置、流程规范等。管道的布置和设计是其中较为关键的项目，化工管材选型不当、管径不匹配等状况，均有可能导致化工原料逸出、泄漏等，进而污染厂房环境，严重时甚至会引发火灾、爆炸、中毒事故。因此，对化工管材进行科学探讨和选用事关生产安全，应当给予充分重视和考量。基于此，对化工工程设备管道与材料优化设计进行研究，仅供参考。

关键词：化工工程管道；材料优化设计

引言

近些年来，化工涉及到管道设计技术受到了越来越多的关注。对于此类技术来说，其中涉及管道应力分析与计算是极为重要的部分，对于研究管道在各种荷载下的应力表现有着突出的作用，且有助于安全经济管道的设计。就当前的基本情况来看，管道应力分析对管道的安全生产以及优化设计等都有着显著的功效，且已成为石化和电力等工业管道设计中的重要基础。

1压力管道设计中安全的重要性

现如今中国化工企业在高速的发展，但化工行业及其快速增长也带来了许多负面问题，如安全问题、污染问题、生态环境问题、高能耗、产能过剩等。其中常见的问题就是，在一些特殊的化工厂中，内部由数百个甚至数千个彼此相邻的危险装置组成的化工厂通常具有高度复杂性和相互依赖性的特点。这些储存、运输或处理危险物质（例如，易燃、易爆、有毒）的装置通常处于高温高压条件下。因此，主要不希望出现的情况（例如，压力管道的泄漏、管道的爆炸）可能导致重大事故。此外，这些主要事故可能会传播到附近的设施，引发一系列事故，导致整体后果比主要事件更为严重，这种现象被称为连锁效应或多米诺骨牌效应。化工区一旦发生重大事故，可能造成巨大的财产损失、人员伤亡、严重的环境污染以及生态伦理问题。

2化工材料发展趋势

总体发展趋势化工材料行业不仅是关键的战略性新兴产业，而且还是新能源发电等战略性创新型产业发展，以及传统产业转型提升的关键基础材料。化工材料行业是中国传统化工系统中最具潜力的领域。十二五后，中国的化工新建筑材料产业逐步实现了突破，氟化硅材料、聚氨酯材料、建筑塑料制品、高功能橡胶材料等建筑行业设施产能稳步增长。光伏材料和有机硅产能全球首位，各项技术均实现了突破。从产业发展水平分析，中国在氟硅树脂与胶业、聚氨酯材料和储能材料等应用领域仍存在着较大的技术发展水平，且产品多样性也比较丰富，但下游应用则亟待进一步拓展。如新型高性能薄膜材料、新型高性能玻璃纤维、工程塑料和特殊工程塑料、新型高性能橡皮、新型特种油漆、新型特种胶粘剂、电化学材料等都取得了一定的进步，但技术上还有很多差距。

3化工工程设备管道与材料优化设计策略

3.1耐低温材料的选用

受生产工艺的影响，化工管道有时需要输送超低温介质，即温度处于﹣196~﹣20℃的介质，当温度低至一定程度时，很容易使管道发生冻裂情况，埋下安全隐患，所以在低温输送场景中，可以结合实际情况，适当设计耐低温管材，防止管道损坏。需要注意的是，不同低温等级对化工管道的威胁程度是不一样的，应结合生产实况，选择适用性最高的材料。以化工常用管材为例，铁塑钢在低于0℃的环境下会出现脆性上升的情况，在低温环境下要尽量避免使用这种管材，以防管道破裂；碳素钢的耐低温性能较高，但同样不能在﹣20℃的环境中使用；若介质温度小于等于﹣40℃，则可以通过提升合金含量来保障钢管的耐低温性能；当温度低于70℃时，合金钢管材的脆性同样会上升，适用性下降。另外，在化工企业生产过程中，并不是只有达到低温区间才会采取预防措施，实际上，介质温度低于0℃就会引发管道损伤风险，对于﹣20~0℃的介质，企业通常采用20号钢进行管道搭建。

3.2管道材料的选择

在化工管道的设计中，管道的选取是非常重要的，对于不同的企业，所要设计的压力管道也是不同的，要明确管道各种材料的性能参数以及适用性，并且要符合经济适用，这对于企业来说非常重要。要保障管道有一定的机械强度，一定要满足当前企业的运输要求，在企业选用压力管道材料时，先对本企业运输的物料进行分析，查找国家相应的标准，承受操作过程压力以及最苛刻温度压力的材料。这样做的目的主要是为了在管道投放使用中可以延长管道的使用寿命，在后续的管道设计中，也要注意不使用其他不合标准的材料，要结合实际的化工设计安全来进行完善。

3.3增强管道柔性

管道柔性是衡量管道能够承受的应力范围的主要依据，适当增强管道的柔性，能够让管道即使遇到应力增加的情况，也能保证质量和性能要求。现阶段，增强管道柔性已经成为管道设计中最主要的一个目标。改变管道走向、选用波纹管膨胀节以及弹簧支吊架，是有效增强管道柔性的主要方法。其中，改变管道走向以及弹簧支吊架的应用，能够满足大多数管道的设计要求，波纹管膨胀节的应用，主要是针对管道管径较大的情况。改变管道的走向，主要是在两固定点的位置确定时，通过适当增加管道的长度来增强管道的柔性。弹簧支吊架的应用，主要是通过支吊架的垂直位移来降低管道的刚度，帮助管道在约束放松的同时，增强自身的柔性。由于波纹管膨胀节的应用需要耗费较高的施工建设成本，再加上会增加管道应用的安全隐患，即使是管径较大的管道，也要尽量避免采用这种方法。

3.4氧气输送管材的选用

氧气是化工生产中常见的助燃材料，由于性质特殊，其输送管道一般选用抗压性较强的不锈钢、碳钢等材质，GC2类型就是较为常见的管道种类。同时，由于氧气易燃，在输送过程中一旦与其他气体接触，就会提升爆炸事故发生的概率，延误化工生产进程。因此，除管道材料外，还应结合流速、压强等参数进行科学的布局设计。在压强较低的生产场景中，可以直接使用不锈钢进行运送，但要注意规划好管道的直径和长度，在拐弯处要做好密闭措施，防止管道断开产生裂缝、引发氧气泄漏问题。此外，与氧气相比，氢气的易燃特征更加明显，在设计管道时，不仅要关注管道材质、连接、安装问题，还应做好防腐、防雷措施，严格遵守《工业金属管道设计规范》，可以应用天然气管线钢系材质进行布局设计，提升化工管道的可靠性和稳定性。

3.5施工时采用冷紧方法

具体操作的过程中应通过冷紧法进行，以降低初期管道对端点的推力和力矩。另外，这样的处理在防止法兰连接弯矩较大等产生的不良情况也极为有效。

结束语

从化工压力管道的设计的安全出发，对压力管道内外部管体设计中安全因素充分的分析，展示现如今对于压力管道应用方面的一些具体措施，并对其进行一定程度的优化。总而言之，化工压力管道的设计是化工企业开展化工生产的基础，应该按照国家规定落实完成基础化工设备的保障，在此基础上继续创新完善管道设计安全以及管道路线的设计工作。在优化设计的基础上，加强后续安全操作等规范，从而保障化工产品的质量，也保障化工生产工作者们的人身安全。

参考文献

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