工艺设计之管道的选择原则

一、前言

化工工艺设计的主要目标是设计一套由设备、仪表组成的一套系统满足工艺要求，设备中间连接作用的就是管道。对于化工系统来说，管道是系统的动脉，是输送原料、辅料、公用设施、中间品、产品的关键。

二、问题背景

各种各样的化学物料有着各种各样的物理化学特性，各式各样的工艺条件有着不同的要求。为了适应生产中的各种条件，需要选择一种适合物料的管道。

三、选型因素

1、流速

流速是选择管径的主要因素之一，对于不同介质选用不同的管径，从笔者的从业经历来讲，通常流速有如下经验：a.对于常规液体一般采用2-3m/s的流速；b.对于高粘度液体、高密度液体及危害性较大的液体，通常流速采用1m/s；c.对于气体，通常设计流速为10-20m/s；d.对于压力较高的气体，如蒸汽流速可以按照20-30m/s设计。e.对于压力较高或较低的液体，流速相应的适当增减。相对详细的流速设计如下表：

2、腐蚀性

腐蚀性主要影响到管道的材质选择，腐蚀来源主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、摩擦腐蚀、气蚀等。a.化学腐蚀化学腐蚀最常见，如碱对搪瓷腐蚀、酸对金属腐蚀；管道选择时应当首先考虑输送介质的化学腐蚀，这也是最容易发现和控制的腐蚀。应对不同化学腐蚀选择何种材料是一门较大的学问，有许多的注意事项，此处不做详细描述（主要是本人知识量不足，强讲难免有所遗漏）。b.电化学腐蚀电化学腐蚀是不常见，一般意义下的电化学腐蚀为管道外壁的腐蚀，但是当内部物料也有电势差的时候，也会发生电化学腐蚀。因此内部电化学腐蚀通常输送混合物的情况下会发生，通常混合物中物质不相容，至少一种为固相。电化学腐蚀的解决方法依旧是阴极保护法，用活泼金属保护或者通直流电保护。c.摩擦腐蚀摩擦腐蚀通常发生在输送高密度液体、含有颗粒的液体时。较大的密度及颗粒的存在，会因为摩擦导致管道的腐蚀，因此在输送此类物料时需要考虑这一部分的损耗。需要额外注意，摩擦腐蚀在弯头位置尤为明显，因此在输送此类介质时，需要考虑选择厚度更高的弯头。

3、温度

每一种材料都有适应的温度范围，选择管道材质的时候需要考虑温度的影响。这里所说的温度为物料介质的温度而不是环境温度，在北方环境温度较低，有时候超过了材料的使用温度下限，但是设计时仍然可以采用物料温度，而不采用环境温度。碳钢类管道运行温度下限为-20℃，上限425℃，不同牌号的碳钢温度范围不同。为了保险设计，通常情况下碳钢类管道运行上限温度为350℃。不锈钢管道使用下限可以达到-196℃（液氮等的温度），上限可以达到650℃，不同排号不锈钢使用温度范围不同，通常情况下，为了保险，不锈钢类管道运行上限温度为500℃。具体的使用温度可参考GB 50316-2000 (2008年版) 工业金属管道设计规范，需要注意的是，选择管道材质时，不仅要考虑温度影响，还要考虑物料腐蚀的影响。

4、压力

运行压力是管道设计和选型的一个重要参数，管道压力不要采用正常情况的最高压力作为设计依据，应当根据异常情况下最高压力作为设计压力依据。需要确定最高压力，然后再根据压力选择合适压力等级的管道。管道的压力等级通常以公称压力分类。公称压力也是一系列标准压力，与公称直径有类似的作用，表示这一类设备的压力是属于同一级别的。管道的公称压力通常有：PN6、PN10、PN16、PN20、PN25、PN40、PN50、PN64、PN100、PN150、PN250、PN420。注意：极度危害的物质所用的管道及管件压力等级不得低于2.0MPa。参考标准：GB 50316-2000 (2008年版) 工业金属管道设计规范，

5、静电

当物料具有易燃易爆特性时，在输送的过程中积攒的静电存在着火爆炸的可能，为消除这种隐患，需要分析考虑静电消除方法，可以从材质或复配方案上解决。方法有：a.采用金属管道，避免静电积聚；b.采取静电导出措施，及时导出积攒的静电；c.对于衬里材质管道，采用导静电材料复配方式，提高管道的静电导出能力；d.增加管径，降低管道流速，减缓静电积聚速度；e.采取工程措施，确保静电积聚后依然不会发生事故。

6、长度

管道或多或少的会对流体产生阻碍作用，长度影响着管道的压力降和流速，因此对于较长的管道需要对设计压力和管径进行适当的放大。管道跨支撑的长度影响着管道材质的选型，对于PE等材质管道，无法跨越较长的无支撑段；

7、伴热

对于北方寒冷地区，对于间歇工艺过程，存在受环境温度影响而凝固的可能，导致管道堵塞影响生产甚至造成安全事故。通常情况采用伴热的方式来防止介质凝固，伴热需对管道的材质有一定的影响。如采用PE材质则不能使用伴热带伴热，或者需要采用自限温的伴热带。导热系数较差的材质伴热温度控制性能变差；考虑管道材质与传热介质的相容性，避免溶胀甚至溶解、反应的发生。

8、紫外线

在高海拔地区，紫外线是不可忽视的因素，因此在选用运行时暴露在太阳下的管道材质时，需要考虑紫外线对材质的影响。主要影响的是塑料等有机材质，无机及金属材质通常不受影响。

9、湿度

空气湿度对管道有一定的影响。尤其空气湿度大时，对材质腐蚀性增大，容易造成金属材质的管道腐蚀，选型时需要考虑这一部分的影响，做好防腐措施。

10、盐分

空气中的盐分对管道腐蚀影响较大，对于沿海地区，空气湿度大、盐分高，因此需要对管道的防腐格外关注。

11、温差

温差会导致管道长度的变化，当输送的物料温差较大时，需要在管道布置时考虑温差的影响，避免发生管道因热胀冷缩造成变形挤压等情况。由于管道安装是在常温下进行的，而工艺运行时温度与环境温度不一致，因此管道设计及选型时要考虑安装温度与运行温度的差异，避免发生上述问题。环境温差也是一个重要因素，对于高温差的区域，温差导致的管道长度变化不可忽视。

后记管道选型是一个系统性的工程，虽然设计单位对其负责，最终使用单位仍然是我们化工企业，我们要对自己负责。化工工艺工程师作为最了解工艺特性及化学特性的人员，对管道选型起到关键的作用，如果提供的资料信息不全，考虑不周，可能导致管道的选型出现失误，轻则影响管道使用寿命，重则形成安全隐患最终造成安全事故。