发布日期：2025-11-4 9:37:48
化工管道设计是石油化工装置建设过程中的一项复杂系统性工作，涉及到的专业知识较多，如：流体力学、材料学、机械工程、力学等，并且与化工生产过程中很多因素有关系。因此，要确保化工管道的安全性，需要对化工管道设计工作进行科学合理的规划，明确设计的重点和难点，还要重视管道等级和材质的选用，保证不同材质的管道可以发挥出相应的功能和作用，保障化工生产活动的安全运行。
1、化工管道设计工作要点分析
1.1 设计前期准备
在化工管道设计前期，需要充分进行准备工作：1) 收集相关资料。在开展管道设计前，应充分搜集、整理有关工艺包文件、设计规范和相关国内外标准及行业标准，这些资料是后期开展设计工作的基础和必要条件。2) 明确设计要求和范围。在开展化工管道设计前，需要明确工程设计相关要求和范围，避免发生设计范围不清和界面混乱等问题，重点关注专有工艺包的特殊要求及用户的定制要求，避免出现方案层面的错误。3) 确定相关标准。确定适用于本项目的具体标准，以指导后续工程设计工作；同时明确装置设备、管道布置要求，并选用符合相关标准要求的材料。
1.2 管道布置研究
化工管道布置是管道设计的关键环节，合理的管道布置可以提高流体输送效率、降低维护成本、延长设备寿命，对整个管道系统的安全具有重要意义。因此，化工管道布置设计时需遵循以下原则 [1]:1) 管道布置应符合工艺及仪表流程图 (P&ID) 要求，并按照相关规范和标准进行设计；遵循管道最短距离原则、最小阻力原则、最优柔性设计原则、合理分布原则及安全可靠原则。2) 管道布置应统筹规划，符合全厂总体规划，应与相关工艺装置的布局相协调，考虑经济合理和整齐美观，便于施工、操作和维修。3) 管道布置要严格遵循安全第一的原则，应对可能出现的危险源进行评估和分析，并采取相应的安全防范措施，确保管道布置符合安全标准。4) 管道布置应与总体院、分包院、供应商、其它专业配合工作，理顺上下游条件传递工作，理清界区和界面关系，明确各自的职责范围，防止设计中出现漏项，确保管道设计工作高效准确顺利完成。
1.3 管道材料等级选用的策略分析
化工管道材料等级选用，重点如下:
1) 安全性与经济性。应当坚持 "安全第一，经济合理" 的原则 [2]; 在保证装置设备和管道正常安全运行的情况下，管道材质、规格、种类宜尽可能的归类并减少；兼顾材料长期使用成本和初始投资。在满足使用要求的前提下，选材的顺序一般为：碳素钢 - 低合金钢 - 奥氏体不锈钢 - 镍基、钛合金等。
2) 材料性能包含：机械性能、化学稳定性、工艺性能、物理性能、耐用性和耐腐蚀性能。管道材料应具有良好的上述性能，有足够的强度、塑性、韧性和抗疲劳性；良好的对介质和环境的抗腐蚀性能；良好的加工工艺适应性；良好的热处理和热加工、焊接性能。
3) 安装和维护便利性。管道材料的安装过程应简单快捷，后期维护方便。在满足工艺流程及相关规范要求的前提下，合理的采用承插、螺纹、对焊、栓接等连接方式。
4) 环保性。选择无毒、无害、环保的管道材料，保护环境、降低能源消耗、保障人们的身体健康和生命安全。
2、化工管道选材的研究
化工管道材料的选用关系到管道的使用安全，也关系到装置的建设质量。在化工管道设计中，管道起着重要的作用，它不仅承担着输送介质、承受压力、承受温度等功能，同时也起到连接、支撑和固定管道等作用。在管道设计中，选用何种材料，如：非金属钢管、碳素钢管、不锈钢管、合金钢及特种管材都会影响到整体的设计。首先，在选用管道材料时，应关注各类管材的适用范围，考虑温度使用上限和下限、耐腐蚀性能等；其次，应关注焊接材料的选用。焊接材料一般包括焊条、焊丝以及焊剂。焊接材料的选用应考虑如下因素：焊接场地、焊接方法、焊接材料的强度和材质、经济性。选用合适的焊接材料可有效保证焊接质量和接头性能，提高焊接效率，降低生产成本。
下文介绍了石油化工工程项目中常见管道材料的设计和选用原则，从国标和美标、材料牌号、制造工艺、适用范围及压力管道监管限制等方面进行了详细说明，便于管道设计从业者在实际工作当中参考运用。
2.1 碳素钢管
碳钢钢管因其高强度、良好的加工性、可焊性、制造成本低、全周期维护成本低等卓越的综合性能，已成为现代工业体系中不可或缺的基础材料。在石化产业中广泛应用于各类工艺及公用工程系统，在项目中用量占比可达 70%~80%。碳钢钢管管材的正确选则及使用对保障工程质量具有决定性作用。碳素钢管选用见表 1。
表 1 碳素钢管选用
| 类别 | 标准 | 材料牌号 | 制造工艺 | 适用范围 | 使用限制 |
| 国标材料 | GB/T 1384 | 球墨铸铁 (QT400) | 铸造 | 低压排水、消防、污水处理系统等 | 1. 灰铸铁和可锻铸铁不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级压力管道；球墨铸铁不建议用于剧烈循环工况和 GC1 级管道系统；2. 灰铸铁温度使用控制在 -10 ~ 230 ℃ , 球墨铸铁温度使用控制在 -20 ~350 ℃ , 可锻铸铁温度使用控制在 -20 ~300 ℃ |
| GB/T 94392, GB/T 9439, GB/T 9440 | 灰铸铁和可锻铸铁 (HT200 ~HT350 , KTH300 ~KTH350) | - | 低压排水、煤气等系统 | 同上 | |
| GB/T 3091 | 碳素结构钢 | 电阻焊或电熔焊 | 低压流体输送，包括水、污水、空气、煤气等 | 1. 选用 A 级镇静钢时，设计压力 ≤ 1.6 MPa , 设计温度 ≤ 350 ℃ 且不低于标准中免除冲击试验的最低使用温度 (与壁厚有关) 。介质限于非可燃和非有毒流体；2. 不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级管道 | |
| SY/T 5037 | 碳素结构钢，螺旋缝钢管 | 电熔焊 | 石油化工长输管道、排水系统等 | - | |
| GB/T 9711 ( PSL1 ) 1 ) | L210、L245 | 电阻焊 | 石油化工长输管道 | 1. 设计压力不高于 4.0 MPa ; 2. 不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级管道 | |
| GB/T 9711 ( PSL2 ) 2 ) | L290 /X42 ~L450 /X45 、L245 3 ) | 电阻焊 | - | 不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级 (毒性) 或气体管道 | |
| GB/T 3087 | 碳钢 (20 号) | - | 公用工程及普通工艺物料系统 | 不得用于 GC1 级管道 | |
| GB/T 8163 | 碳钢 (20 号) | - | - | - | |
| GB/T 9711 ( PSL1 ) 1 ) | L245 3 ) | - | - | - | |
| GB/T 5310 | 碳钢 (20G) | 无缝 | 蒸汽系统 | 不适用 | |
| GB/T 6479 | 碳钢 (20 号) | - | 工艺物料系统 | - | |
| GB/T 9948 | 碳钢 (20 号) | - | - | - | |
| 美标材料 | ASTM A -53 | A53 Gr.B | 无缝 | 公用工程及普通工艺物料系统 | 不适用 |
| ASTM A -106 | A106 Gr.B | 无缝 | - | - | |
| ASTM A -333 | A333 GR.6 | - | 工艺物料系统 | - | |
| ASTM A -671 | A671 CC60 CL32 | 电熔焊 | 低温工艺物料 | - | |
| ASTM A -672 | A672 C60 CL22 | - | 工艺物料系统 | - | |
| API 5L ( PSL1 /PSL2 ) | L245 ( Gr.B ) | 无缝 / 埋弧焊，高频焊 | 石油化工长输管道 | - |
注: 1) PSL1 碳钢的最低使用温度 - 20 ℃, 免除冲击试验的最低使用温度按标准中相应曲线值执行 (与壁厚有关) ; 2) PSL2 碳钢和管道钢的最低使用温度 - 30 ℃, 免除冲击试验的最低使用温度按标准中相应曲线值执行 ( 与壁厚有关) , 管道钢 L290 /X42 ~L450 /X45 最高使用温度 200 ℃; 3) GB /T 9711 ( PSL2) L245 制造工艺为无缝或电熔焊时，不受 “不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级管道” 限制；4) 用于 GC3 级的碳钢管道可免除低温冲击试验｡对于未说明最低使用温度及冲击试验免除的碳钢材料，应执行 GB /T 20801.2-2020 [3] 第 8 章节或 ASME B31.3-2020 Chapter III 的规定 [4]｡
2.2 奥氏体不锈钢管
奥氏体不锈钢作为特种管材的典型代表，在石油化工领域发挥着不可替代的作用。其独特的材料性能可广泛应用于强腐蚀环境、高温环境、低温及深冷系统、对洁净度有要求系统、粒料或粉料等工艺及公用工程介质系统。奥氏体不锈钢管选用见表 2。
表 2 奥氏体不锈钢管选用
| 类别 | 标准 | 材料牌号 | 制造工艺 | 适用范围 | 使用限制 |
| 国标材料 | GB/T 14976 | 奥氏体不锈钢 | 无缝 | 公用工程及工艺物料系统 | 不适用 |
| GB/T 12771 | - | 电熔焊焊管 (不添加填充金属) 及其对焊管件 | - | 不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级管道 | |
| HG/T20537.3 | - | - | - | - | |
| HG/T20537.4 | - | 纵缝未作射线检测的电熔焊焊管 (添加填充金属) 及其对焊管件 | - | 不得用于剧烈循环工况，不得用于 GC1 级管道 | |
| 美标材料 | ASTM A -312 | 304、304L、304H、316、316L、321、321H、347、347H、N08904 ( 904L ) 1 ) 2 ) | 无缝 | 公用工程及工艺物料系统 | 不适用 |
| 电熔焊焊管 (不添加填充金属) | - | 不得用于 GC1 级管道 | |||
| ASTM A -358 | 304、304L、304H、316、316L、321、347 1 ) 2 ) | 电熔焊焊管 (添加填充金属) | - | 不适用 | |
| ASTM A -790 | S31803、S32205 ( Type 2205 )、S32750 ( Type 2507 ) 3 ) | 无缝 / 电熔焊焊管 | 工艺物料系统 | - |
注: 1) 奥氏体不锈钢的使用温度高于 525 ℃时，钢中含碳量不应 <0.04% , 并且在固溶状态下使用；304L 和 316L 超低碳不锈钢不宜在> 425 ℃以上时长期使用，避免晶间腐蚀倾向。2) 低碳 (含碳量≤0.08%) 奥氏体不锈钢在高于 538°C 使用时，应满足含碳量不应≥0.04%、热处理状态 > 1040℃快冷 (304, 316), 热处理状态 > 1095℃快冷 ( 321,347)、平均晶粒度 7 级或更粗。3) 双向不锈钢 2205 和 2507 钢的使用温度 - 50 ℃~316 ℃。4) 不锈钢 ( 铁素体、奥氏体、双相) 最低使用温度应符合 GB /T 20801.2-2020 [3] 表 6 和表 A.1 的规定，奥氏体不锈钢冲击试验免除应符合第 8.1.4 节要求。
2.3 铬钼合金钢管
铬钼合金钢作为铁素体耐热钢代表，因其良好的机械性能、出色加工性能等在高温高压领域发挥着关键作用，广泛应用于电站锅炉、石油化工、核动力等领域。铬钼合金钢管选用见表 3。
表 3 铬钼合金钢管选用
| 类别 | 标准 | 材料牌号 | 制造工艺 | 适用范围 | 使用限制 |
| 国标材料 | GB/T 9948 | 1Cr5Mo,12Cr1Mo ( P11 ) ,15CrMo ( P12) ,12Cr1MoV,12Cr2Mo( P22) | 无缝 1) 2) 3) 4) | 高温油品、油气等工艺物料系统；高温、高压蒸汽系统 | 不适用 |
| GB/T 6479 | 15CrMo( P12) ,12Cr2Mo( P22) | 无缝 1) 2) 3) 4) | - | - | |
| GB/T 5310 | 15CrMoG( P12) ,12Cr1MoVG,12Cr2Mo ( P22) ,10Cr9Mo1VNbN( P91 Type1) | 无缝 1) 2) 3) 4) | - | - | |
| 美标材料 | ASTM A -335 | P11,P22,P91 | - | - | - |
| ASTM A -691 | A387 11 -2,A387 22 -2 | 电熔焊，埋弧焊 1) 2) 3) 4) | - | - |
注: 1) P11,P12 最高使用温度 510 ℃,P22 最高使用温度 555 ℃,P91 最高使用温度 600 ℃, 其最低使用温度均为 - 30 ℃; 2) 铬钼合金钢含碳量不应大于 0.30% , 当 P22 材料在高于 455 ℃使用时，焊缝金属的含碳量不应小于 0.05% ; 3) 钼合金钢应在焊后热处理之后进行焊缝 100% RT 或 UT 检测，符合 NB/T 47013.2 规定的 Ⅱ 级或 NB/T 47013.3 规定的 Ⅰ 级要求；4) 交货热处理状态壁厚≤30 mm 正火 + 回火，壁厚 > 30 mm 淬火 + 回火。
2.4 镍 - 钛基合金管
镍 - 钛基合金钢管作为贵重金属材料主要应用于强氧化、强还原、强腐蚀型等极端苛刻环境系统。工程设计选材时需要综合考虑工艺安全、经济性和可加工性等因素，以实现成本效益的最佳平衡。镍 - 钛基合金管选用见表 4。
表 4 镍 - 钛基合金管选用
| 类别 | 标准 | 材料牌号 | 制造工艺 | 适用范围 | 使用限制 |
| 国标材料 | GB/T 2882 | NCr15 -8 ( 600 )、TA1、TA2、TA3、TA9、T10 | 无缝 | 化工、石油炼制、烟气脱硫系统和海水处理等强腐蚀恶劣环境系统 2 ) 3 ) | 不适用 |
| GB/T 3624 | - | - | - | - | |
| GB/T 26058 | - | - | - | - | |
| GB/T 26057 | - | 电熔焊 1 ) | - | - | |
| 美标材料 | ASTM B167 | Inconel600 ( UNS N06600 ) | 无缝 | - | - |
| ASTM B444 | Inconel625 ( UNS N06625 ) | - | - | - | |
| ASTM B622 | Alloy C276 (Hastelloy C -276 或 UNS N10276) | - | - | - | |
| ASTM B619 | - | 电熔焊 1 ) | - | - | |
| ASTM B861 | Gr ( 1 , 2H , 3 , 7H , 12 ) | 无缝 | - | - | |
| ASTM B862 | - | 电熔焊 1 ) | - | - |
注: 1) 哈氏及钛合金焊管，所有焊缝接头系数为 1.0, 焊缝应进行 100% RT 检测，焊缝区域进行 100% PT 检测，且满足相应验收要求；2) 镍及镍基合金最低使用温度 - 200 ℃, 最高使用温度应符合 GB/T 20801.2-2020 表 5 的规定，钛及钛合金的使用温度 - 60 ℃~316 ℃; 3) 镍及镍基合金，钛合金钢管供货状态为退火，美标哈氏合金管供货状态为固溶退火热处理；4) 对于钛合金焊管应使用维氏硬度试验机进行测量，焊缝及热影响区的任何硬度不应超过母材平均硬度 25% 。
3、结语
化工管道设计与材料选用的核心在于平衡经济性、安全性和环保。经济性方面，优化管道布置和材料选择可降低建设运维成本，需综合考虑初期投入与全生命周期费用。安全性方面，通过合理布置、风险识别和材料匹配，确保系统安全运行。环保方面，通过选用高分子复合材料和轻量化材料并推广结构化设计，可降低能耗与碳排放。采用智能化设计工具与全生命周期评估方法，可构建高效、安全、可持续的管道系统。未来，随着纳米材料、生物基材料等新材料技术和物联网、大数据分析等数字技术的快速发展，化工管道系统将朝着低碳化、智能化的方向迈进。智能化管道系统能够实现实时监测、故障预警和自适应调节，进一步提升生产运行效率和安全性。这些技术进步将为化工行业的绿色转型和可持续发展提供强有力的技术支撑，推动行业向更高效、更环保的方向发展 [5-6]。
参考文献
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[2] 刘俭。化工设计过程中管道材料的选择策略 [J]. 生物化工，2023,9 (4):131-133,148.
[3] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会。压力管道规范工业管道第 2 部分：材料：GB/T 20801.2-2020 [S]. 北京：中国标准出版社，2020.
[4] ASME B31.3-2020 Process Pipeing ASME Code for Pressure Piping,B31 [S].
[5] 张国信，熊建兴，龚洪，等。石油化工金属材料应用及发展 [M]. 北京：中国石化出版社，2019.
[6] 王基铭。石油石化工业发展与对材料装备业的需求 [J]. 当代石油石化，2012,20 (4):1-10.
（注，原文标题：化工管道设计及材料等级选用研究）
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