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：0cr18Ni
9、00Cr18Ni
10、0Cr17Ni12Mo
2、00Cr17Ni14Mo
2、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1Cr
17、00Cr30Mo
2、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00Cr18Ni5Mo3Si
2、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0Cr
13、1Cr
13、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、管件等，又可以作为密封材料，还可用作管架材料（由于它的摩擦系数极低以及电绝缘性优异等，一般作垫板用）。
由于国内水平的限制，聚四氟乙烯的使用上限温度为200℃。
聚四氟乙烯的缺点是强度低、刚性差、价格高、所以本人认为一般应选它的金属衬里管道材料。 2 玻璃钢
除具有优异的耐腐蚀性能外，玻璃钢的力学性能和保温性能也很好。自八十年代以来，该材料在国内得到突飞猛进的发展，建立了一批像中意玻璃钢有限公司、连云港市玻纤玻钢总厂等高水平的大型玻璃钢生产企业。
需要注意的是：同其它产品一样，玻璃钢也分为不同的品种，常用的有环氧、聚脂、酚醛、呋喃等，应根据不同的介质条件，参照各种玻璃钢的特性，合理选用。 3 衬里
衬里是指金属管道元件内衬非金属材料。衬里既有非金属材料优异的耐腐蚀性能，又具有金属材料的强度和刚度，在管道中应用也非常广泛。在天津化工厂环氧氯丙烷装置中，日本昭和电工公司采用了衬PVC、PTFE、PFA（氟塑料合金）、FEP（聚全氟乙丙烯）、玻璃、搪瓷等六种衬里管道材料。
由于金属与非金属的热膨胀系数相差很大，加之国内加工制造工艺落后，产品质量差，因此，本人认为在选用衬里产品时要认真了解设计条件，详细考察制造厂的生产水平、质保体系、产品性能等，作到心里有数。 衬里设计压力应≦1.6MPa。
常用的衬里有衬橡胶、衬塑料、衬玻璃、衬搪瓷等。
三 管道元件
在讨论该问题以前，需要先解释两个概念：公制管与英制管。
公制管：严格地讲，公制管是指尺寸以国际单位制（SI）而计算的管子。例如，在日本公制管以A表示，公称直径100mm的管子，表示为100A。国内现在所讲的公制管，已经是广义的概念，它是对国内沿用的（而且目前还在广泛使用）老系列的通称。
英制管：同样，严格的讲，英制管是指尺寸以英寸（in）为单位而计算的管子。例如，在日本英制管以B表示，公称直径4in的管子，表示为4B。国内现在所讲的英制管，也是广义的概念，它是相对上述公制管而言的，是对尺寸与美国标准相同（或相近）的管子的通称。新国标管法兰的颁布实施，使英制管在国内的应用愈来愈广泛。
（一） 管子
1 无缝碳钢管（包括低合金钢管）
国内大多数钢厂至今仍未按英制管组织无缝管生产。在HG20553《化工配管用无缝及很节钢管尺寸选用系列》中讲到：上海宝钢、成都无缝钢管厂、天津钢管公司等三家钢管加工企业可以生产供应英制管，经与后两个单位联系知道情况并非如此。他们仍按GB8163或GB3087组织生产。有幸的是，由于这两个国标的管子外径尺寸和壁厚是一个密集尺寸系列（GB8163中管子外径范围为φ6～426mm），其中的一些管子尺寸与英制管相同或相近，加上制造公差因素（外径公差为±1%，min0.5mm；壁厚公差为±15%，-12.5%），所以钢厂基本上可以满足设计要求的英制管。根据这一情况，本人认为，在设计中不论是采用HG20553中的Ia系列，还是采用Ib系列都是可行的。但是一方面为了方便，另一方面为了与国际接轨，一般应采用Ia系列。
2 焊接碳钢管（包括低合金钢管）
从已有标准来看，当公称直径≤6in时，只有仅适用于水、空气、煤气等低压（≤1.6MPa）介质的英制管。公称直径≥8in时，既有英制管、又有公制管。 3 无缝不锈钢管
国内钢厂按GB/T14976（原标准为GB2270）生产无缝不锈钢管。同GB8163一样，GB/T14976中的管子外径和壁厚，也是一个密集尺寸系列：从φ10～426mm。但是存在的问题是，从外径来讲，当公称直径≤10in时，既能满足公制管要求，又能符合英制管要求；当公称直径>10in时，只有公制管。从壁厚来讲，也存在问题。由于制造工艺限制，公称直径≥2in的管子，最小壁厚都较大，例如6in的管子，最小壁厚为7mm，12in的管子，最小壁厚为12mm。
上述问题的存在，直接影响到设计中材料的选用。本人认为，还需进一步进行市场调查，解决这些问题。 4 焊接不锈钢管
GB12771《流体输送用不锈钢焊接钢管》不论是从尺寸，还是从技术要求，都难以满足石化管道的需要。本人认为一般不考虑选用，可选用HG20537.3～4中的不锈钢焊接钢管，该标准有英制管与公制管，技术要求也符合石化管道的需要。
由于无缝管的壁厚较大，价格较高，国外焊接不锈钢管使用非常广泛。例如在天津化工厂环氧氯丙烷工程的合同附件谈判时，所谈的三家外商在其装置中所使用的不锈钢管几乎全是焊接管。国内由于制造工艺落后，产品质量难以保证要求，所以除大直径管子外，一般都采用无缝管。经对市场进行调查了解到，国内近几年来建立了几个设备水平一流、质保体系完善的不锈钢焊接管厂，其产品质量高。本人认为，可在今后的设计中采用，以降低工程投资。
（二） 管件
管件涉及的内容较多，它们包括弯头、三通、异径管（大小头）、管接头、管帽、过滤器、疏水器、视镜等，其中多数已有国标或行业标准，一般都能满足设计需要。
从连接形式来讲，有对焊、承插焊、螺纹、法兰等。在选用连接形式时，应特别注意下列问题。
对焊与承插焊：为了满足国内现状以及与国际接轨，在对焊与承插焊管件的国标中包括A系列（配英制管）与B系列（配公制管）。另外，在GB/T14383中最大承插焊管径为3in，本人认为：承插焊一般应选≤3/2in的管径。经本人查阅许多引进装置，一般也是这种规定。 螺纹：在GB/T14626中，螺纹形式有两种，一种是60°圆锥管螺纹，简称NPT；另一种是55°圆锥管螺纹，简称Rc。前者是美国标准锥管螺纹，在引进装置中大量采用，后者是国内通用的。在GB9114.1～3（螺纹法兰）中，法兰的螺纹是Rc，而ANSIB16.5中的螺纹为NPT。
关于法兰连接，在下面一节专门讨论。
（三）法兰
法兰是管道中非常重要的元件，正确选用法兰，应注意如下问题。 （1）分析不同体系，防止混用 在国际上法兰主要存在两大体系。美国ANSI管法兰体系与德国DIN管法兰体系。这两个体系的管法兰连接尺寸完全不同，无法互配。新国家管法兰标准中包括了上述两个体系的管法兰，所配管子要求按英制管执行。新的化工部管法兰标准是属于德国管法兰体系，所配管子要求按公制管执行。为了满足需要，化工部正拟定修改该标准，使其既可配公制管，又可配英制管。 根据上述情况，本人认为，选用法兰时首先要分清属于那个体系（按公称压力等级区别如下：PN2.0，5.0，10.0，15.0，25.0，42.0属于ANSI管法兰体系；PN0.25，0.6，1.0，1.6，2.5，4.0属于DIN管法兰体系），其次，在一个装置中尽量避免两种体系混用。 （2）合理选用法兰的密封面形式
法兰密封面形式很多，其中使用最广泛的是（凸）面（RF），这主要是由于它加工简单，容易安装。另外，金属缠绕垫的出现，又大大弥衬了它的不是，使其应用范围又扩大了许多。例如，由于氨有很强的渗透性，所以在过去的合成氨装置中，大量采用凹凸面形式，但是在渭化与816合成氨装置中，除少数高压场合采用环面形式外，其余全部采用RF形式。本人认为，在我院的设计中也应采用这种作法。 （3）综合考虑压力与温度条件
由于各种材料在不同的温度下许用应力不同，所以，选用法兰公称压力等级时要同时考虑设计压力与设计温度条件，公称压力等级中，同种材料，由于设计温度不同，其最高允许压力也不同。
（四）垫片
法兰密封失效即产生泄露，尽管产生泄露的因素很多，但是垫片对密封起着非常重要的作用，应引起高度重视。
垫片的品种很多，应根据操作条件合理选用。在选用金属缠绕垫时，需要注意下列问题。 根据ANSIB16.5的规定，公称压力等级150Lb（PN2.0MPa）的法兰，如果采用金属缠绕垫，建议选用高颈对焊或活套式的法兰。 金属缠绕垫的填料如果是聚四氟乙烯材料，根据ASMEB16.20的规定，垫片都应带内环。凡带内环的垫片，如管道所配法兰是ANSIB16.5时，管子壁厚也有要求：公称直径≤1in的管子，最小的壁厚应为sch80，公称直径5/4～6in的管子，最小壁厚应为sch40.根据这一规定，本人认为当介质允许用其它材料（如石棉）作填料时，就不要选聚四氟乙烯，以免产生最小壁厚要求，从而增加投资。
（五）紧固件
关于紧固件的选用，新国家管法兰标准中谈的很少，不便选用。本人认为HGJ75《钢制管法兰用紧固件》和HGJ76《钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定》对该问题进行了比较详细地说明，设计中应参考这两个标准合理选用紧固件。
（六）阀门
阀门是管道中最重要的元件，阀门的费用约占管道材料费用的一半。所以，如何正确选用阀门，对装置能否正常运转，对建设费用都关系重大，历来受到重视。
关于阀门，需要讨论的问题很多，限于篇幅，本文讨论的问题是：在管道等级中是直接给出阀门型号，还是给阀门数据表？这一问题对选择阀门是比较重要的。 在许多引进装置的管道等级中尽管列出了阀门型号，但由于该型号大多数是工程承包公司自己确定的，不能通用。为此，一般都针对每一型号，具体给出详细的阀门数据表。数据表一般包括下列主要内容：公称直径范围；设计压力和温度；连接面形式；结构形式；阀体、阀芯、阀盖材料；密封结构及材料；阀门结构长度；试验条件；制造标准；检验标准等。本人认为，这种作法是不难理解的。原因是：国际上大的工程公司采购一般都是在国际范围内进行，对于同一种形式的阀门，每个国家或每个阀门制造企业都有他们自己的阀门型号，往往各不相同。在这种情况下，列阀门数据表是最好的而且是最可行的方法。但是这种作法给我们造成一种错觉，似乎我们在制定管道等级中也必须建立阀门数据表。
目前，我院设计的项目，几乎都是在国内建设的，阀门采购也都立足于国内。根据这一基本情况，应按照国内阀门产品现状来确定数据表的必要性。那么国内阀门产品现状是什么呢？经过本人调查分析，情况如下： 现在，国内阀门产品主要由中国通用机械阀门行业协会所属企业制造。该协会的会员几乎包括了国内各重要阀门生产企业，如我们熟知的苏阀、沈阀、上阀、良工、自贡、开封等。该协会把阀门分为标准系列与特殊系列。对于标准系列，阀门型号的编制方法统一执行JB308-75标准。可以这样讲，该型号已成为国内阀门行业的统一语言。该型号所包括的内容比较全面。对于特殊阀门，没有统一规定，每个阀门企业都有自己的型号，往往也是各不相同。标准阀门所包括类型、品种、规格一般情况下可以满足设计需要。
根据上述情况，本人认为，如果所选阀门的条件标准阀门完全满足，在管道等级表中可直接写出上述阀门协会的阀门型号，阀门数据表也就没有必要了。如果所选阀门的个别条件标准阀门不能满足，同样可以采用前面的方法，只是在管道等级表中加一注释。如果不能满足上述条件，办法有两种，其一，在管道等级表中直接写出能满足要求的企业阀门型号，也不再另建立阀门数据表。其二，采用前述国际工程公司的作法。需要再次说明的是，上述作法的前提条件是设计的项目在国内建设，采购在国内进行。否则，阀门数据表就不能取消。
