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壓力管道常用非金屬材料

眾所周知，在工業管道上，非金屬材料常用作管子的防腐和隔熱，而用作管子及其元件的并不多，僅僅是在特定的情況下（如抗腐蝕）才使用。另外，作為法蘭墊片和閥門填料，也用到一些非金屬材料，但這些非金屬材料用量很少，種類也有限。管子的防腐蝕和隔熱沒有列入本書的研究范圍，故該部分所用的非金屬材料在此不再作進一步的討論，而只介紹直接用作管子及其元件的常用非金屬材料。

壓力管道中常用的非金屬材料大致有工程塑料、橡膠、搪瓷、石墨等，它們與金屬材料相比，具有以下一些特點：

a、化學穩定性好，耐腐蝕。這是它能夠代替金屬而用在一些強腐蝕介質環境中的最主要原因。對于某些操作介質，用金屬材料是不耐腐蝕的，或者用高合金金屬材料是不經濟的，此時就需要用非金屬材料；

b、易加工成型。無論是機械加工還是熱加工，它都要比金屬材料容易的得多；

c、比重小，比強度高。以工程塑料為例，其比重一般只有金屬材料的1/8~1/4，但其強度有的可以與普通金屬媲美；

d、良好的電絕緣性和極小的介電損耗；

e、良好的彈性、耐磨性和耐寒性等。

但是，多數非金屬材料的強度和剛度都比金屬材料低，且其耐熱性較差，熱脹系數較大，工程塑料還有冷流、老化等問題。正因為有這樣一些不足之處，非金屬材料常常僅用于金屬材料無法抗腐蝕或選用高級金屬材料抗腐蝕投資太高的場合。

一、常用工程塑料及其襯里管

工程上常用的塑料管有聚四氟乙烯（PTFE）管、聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管、聚丙烯（PP）管和苯乙烯—丁二烯—丙烯腈共聚體（ABS）管等管材。這些塑料各有其特點，性能、用途、價格、加工方法等各不相同。

1、聚四氟乙烯（PTFE）及其襯里管

聚四氟乙烯的物理、機械性能見表3-9所示。

表3-9 聚四氟乙烯的物理、機械性能

性能	指標	性能	指標
密度，g/cm³	2.1~2.3	線脹系數，(1/k)x10⁴，0℃~54℃	1.23
晶體熔點，℃	327	50℃~100℃	1.34
吸水率，%	<0.005	100℃~150℃	1.37
導熱系數，w/(m.k)	0.14	抗拉強度，MPa	≥16
滑動摩擦系數（PTFE對PTFE）	0.04	沖擊韌性，J\cm²	2.4
（PTFE對鋼）	0.1	布氏硬度	44.5
抗拉彈性模量，x10³MPa	0.4	燃燒性	自熄

聚四氟乙烯是一種結晶型的高分子化合物。與其它塑料相比，它具有以下特點：

a、極好的耐腐蝕性能。除了熔融堿金屬、單體氟和三氟化氯化學品以外，幾乎能抗一切強酸、強堿、強氯化劑、有機溶劑、王水等腐蝕介質的腐蝕；

b、良好的耐熱性和耐低溫性能。它在260℃時仍具有穩定的性能，長期最高使用溫度可達180℃；低溫下-270℃時仍保持有一定的韌性，能長期在-196℃溫度下使用；

c、良好的潤滑性和表面不粘性。它的摩擦系數極小，與鋼發生相對滑動摩擦時，摩擦系數為0.1。幾乎所有物質都不能粘附在其表面上；

d、良好的耐大氣老化性能。

正因為這些特點，它已成為石油化工管道中應用最廣泛的一種非金屬材料。除了用作管子、管件外，它還常用作管子和管件襯里、閥門襯里、設備支座和支架支座的滑動墊板等。但它的價格比其它工程塑料高，故用其它塑料能滿足要求時，應盡量采用其它塑料。

由于它是一種結晶性塑料，故不能用注射法成型，只能用冷壓法或燒結法成型。

它在外力的作用下，冷流(即冷態蠕變)傾向性較大。

它單獨作為管材時，由于受強度和

剛度的限制，管子直徑和長度不宜太大，

詳見《石油化工裝置管道安裝設計手冊》

（以下簡稱《設計手冊》）第二篇介紹。

一般情況下，它作為管子、管件襯里的

情況比較多。聚四氟乙烯的襯里管道規

格可從DN25~DN500，甚至更大。襯里

管子和管件一般采用法蘭連接，聚四氟

乙烯在法蘭處翻邊，兩片法蘭之間配有

非金屬墊片。如圖3-5所示。一般情況

下，襯里管子及管件的連接不允許采用

螺紋和承插焊連接（這些規定對其它非

金屬襯里管道也適用），不能用于承插焊圖3－5 襯里管法蘭連接結構

管件，不能用于帶襯墊焊縫。

2、聚氯乙烯（PVC）及其襯里管

聚氯乙烯是由單體的氯乙烯聚合而成。根據加與不加穩定劑和增塑劑，它可分為硬聚氯乙烯和軟聚氯乙烯兩種。聚氯乙烯的物理、機械性能見表3-10所示。工程上應用較多的是硬聚氯乙烯。

表3-10 聚氯乙烯的物理、機械性能

性能	指標		性能	指標
	硬質	軟質		硬質	軟質
密度，g/cm³	1.35~1.6	1.16~1.35	常溫線脹系數，(1/k)x10^-5	5~6	7~25
耐熱溫度，℃	65	40~70	抗拉強度，MPa	45~50	10~18
吸水率，%	0.07~0.4	0.5~1.0	沖擊韌性，J/cm²	3~4
導熱系數，W/(m.k)	0.15	0.13	布氏硬度，MPa	14~17
抗拉彈性模量，x10³MPa	2.41~4.14		燃燒性	自熄	自熄

聚氯乙烯與聚四氟乙烯相比有如下特點：

a、價格便宜。在它能滿足介質條件的情況下，用它代替聚四氟乙烯可節省投資；

b、耐腐蝕性雖比不上聚四氟乙烯，但仍能抗大多數酸、堿、鹽的腐蝕，詳見《設計手冊》第二篇；

c、硬聚氯乙烯的強度較高，約是聚四氟乙烯的3倍，故它的純塑管道可適用于DN10~DN400；

d、聚氯乙烯純塑管的連接方法較多，既可采用粘結劑粘接，也可采用熔化連接、螺紋連接和特殊機械接頭連接等連接方式，施工較方便。但采用螺紋連接時不能用于壓力較高或有溫度循環的場合，且管子厚度較厚時才可以；

e、用作管道襯里時要求同聚四氟乙烯。

但聚氯乙烯使用溫度范圍較小，一般僅能在-15℃~60℃范圍內使用。其線脹系數也比較大。

管材常用硬聚氯乙烯，標準為GB4219《化工用硬聚氯乙烯管材》。

3、聚乙烯（PE）及其襯里管

聚乙烯是由單體乙烯聚合而成。根據聚合方法不同分為高壓、中壓和低壓聚乙烯三種。如果按其密度來分可分為低密度、中密度和高密度聚乙烯三種。其中高壓聚乙烯即為低密度聚乙烯，其分子中有較多的分支，密度較低，性能柔軟，宜用于制作塑料薄膜；低壓聚乙烯又稱高密度聚乙烯，其分子中的短鏈分支較小，分子量大，密度高，性能硬，是常用的管道或管道襯里材料。低壓高密度聚乙烯的物理機械性能見表3-11所示。

表3-11 低壓高密度聚乙烯的物理、機械性能

性能	指標	性能	指標
密度，g/cm³	0.94~0.95	抗拉強度，MPa	21~24
軟化點，℃	120	沖擊韌性，J/cm²	≥0.9
脆性溫度，℃	-70	硬度（肖氏）	60~70
吸水率，%	<0.01	常溫線脹系數，(1/k)x10^-5	12.6~16
抗拉彈性模量，x10³MPa	0.12~0.93	燃燒性	緩慢

聚乙烯與聚四氟乙烯相比，具有以下特點：

a、價格低；

b、耐蝕性不如聚四氟乙烯。其耐蝕范圍見《設計手冊》第二篇；

c、強度比聚四氟乙烯略高，適用的管子規格范圍為DN10~DN125；

d、純聚乙烯連接方法可采用熔融、螺紋和特殊機械接頭連接。由于目前尚沒有合適的溶劑，故它一般不采用溶劑粘接；

e、用作襯里管時，要求同聚四氟乙烯。

f、耐溫性不如聚四氟乙烯，其使用范圍一般為-70℃~100℃；

聚乙烯與聚氯乙烯相比，具有下列一些特點：

a、耐腐蝕范圍有所不同，詳見《設計手冊》第二篇；

b、強度不如硬聚氯乙烯高，故適用尺寸范圍較小些；

c、使用溫度范圍比聚氯乙烯大。

4、聚丙烯（PP）及其襯里管

聚丙烯是由單體丙烯聚合而成，其物理機械性能表3-12所示。

表3-12 聚丙烯的物理、機械性能

性能	指標	性能	指標
密度，g/cm³	0.9~0.91	常溫線脹系數，(1/k)x10^－⁴	1.08~1.12
耐熱溫度，℃	120	抗拉強度，MPa	35~40
吸水率，%	0.03~0.04	沖擊韌性，J/cm²	0.22~0.5
導熱系數，W/(m.k)	0.24~0.38	硬度（肖氏）	60-70
抗拉彈性模量，x10³MPa	1.08~1.57	燃燒性	自熄

聚丙烯與聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯相比，具有下列一些特點：

a、它的價格比聚四氟乙烯低很多，而比聚氯乙烯、聚乙烯略低；

b、其強度比聚四氟乙烯、聚乙烯高，但比硬聚氯乙烯略低，故它可用于較大尺寸的管子。一般情況下，它適用的管子規格為DN200~DN400；

c、耐腐蝕范圍與前三者各有不同，詳見《設計手冊》第二篇；

d、使用溫度低于聚四氟乙烯，但高于聚氯乙烯和聚乙烯，它可長期應用在120℃溫度下。但它低溫下易發脆、易老化、不耐磨，故一般不用于低溫環境；

e、純聚丙烯用作管材時可采用熔融、螺紋和特殊機械接頭連接方法；

f、用作襯里管時，要求同聚四氟乙烯。

5、苯乙烯一丁二烯一丙烯腈共聚體（ABS）及其襯里管

它是由苯乙烯、丁二烯和丙烯腈三種單體混煉共聚而成。根據三者混合的比例不同，尚有AAS、ASC、MBS三種姊妹系列，它們的性能各有不同。ABS的物理機械性能見表3-13所示。

表3-13 ABS物理、機械性能

性能	指標	性能	指標
密度，g/cm³	1.05~1.08	缺口沖擊韌性，J/cm²	0.16~0.31
吸水率，%	0.2~0.45	熔點，℃	217~237
肖氏硬度	105~116	連續使用溫度，℃	87~110
對鋼的滑動摩擦系數	0.35~0.46	導熱系數，W/(M.K)	0.19~0.34
抗拉強度，MPa	45~57	線脹系數，(1/k)x10^－⁵	6~9.0
抗拉彈性模量，x10³MPa	2.06~2.94	燃燒性	緩慢

ABS的耐腐蝕性能是：對弱酸、弱堿均有較好的耐蝕性，但強酸對它有一定的浸蝕作用。它能溶于酮脂及一些鹵代烴中。

ABS與前幾種塑料相比，具有以下一些特點：

a、價格比聚四氟乙烯低很多，比聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯均略低；

b、強度最高，可適用的管子規格較大，具體取決于生產廠的情況；

c、純ABS用作管材時，可用螺紋、熔接方法連接；

d、耐磨性優于聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯。

但ABS耐候性差，長期使用易起層。

二、常用橡膠襯里管子

橡膠是一種高分子化合物，由于其抗彎強度和抗彎彈性模量較低（有的等于零），故它在壓力管道中不能單獨作為管子及管件使用，而只能作為管子、管件或閥門襯里用。它與塑料相比，同樣具有較好的耐蝕性和耐磨性等特點。除此之外，它尚具有比塑料有更好的彈性、耐寒性和良好的加工性能。

常用的橡膠有天然橡膠和合成橡膠兩大類。天然橡膠一般是不能直接使用的，當它們用作管道襯里時，常加入一些硫磺進行硫化處理。根據加入硫磺量的多少不同，天然橡膠可分為軟橡膠（硫磺含量約1%~3％）、半硬橡膠（硫磺含量約為30%）和硬橡膠（硫磺含量大于40%）三種。有關天然橡膠三種類型的性能及使用方法已在《設計手冊》第二篇中作了詳細介紹，在此不再重復。

合成橡膠的種類很多，根據加入的成分不同，其性能和用途也不相同。用作管子和管件襯里的合成橡膠有氯丁橡膠（CR）、丁基橡膠（IIR）、丁腈橡膠（NBR）和氟橡膠（FPM）四種。它們和天然軟橡膠的物理化學性能列于表3-14中。

表3-14 常用襯里橡膠的物理機械性能

品種性能	天然橡膠（NR）	氯丁橡膠（CR）	丁基橡膠（IIR）	丁腈橡膠（NBR）	氟橡膠（FPM）
密度，g/cm³	0.9~0.95	1.15~1.3	0.91~0.93	0.96~1.2	1.8~1.82
抗拉強度，MPa	17~29	15~20	14~21	2~4	10~20
伸長度，%	650~900	800~1000	650~850	300~800	500~700
耐磨性	優	良~優	可~良	優	優
耐沖擊性能	優	良	良	可	劣~可
導熱系數，W/(M.K)X10^-5	4.65	5.81	7.5	6.98	/
最高使用溫度，℃	100	150	170	170	315
長期工作溫度，℃	-55~70	-40~120	-40~130	-10~120	-10~280
耐礦物油性	劣	良	劣	可~優	優
耐堿性	可~良	良	優	可~良	優
耐強酸性	次	可~良	良	可~良	優
耐弱酸性	可~良	優	優	良	優
耐老化	劣	良	良	可	優
耐燃性	劣	良~優	劣	劣~可	優

注：性能等級的排序為優®良®可®劣。

由表3-14中可以看出，天然橡膠彈性大，強度高，耐寒性好，但耐油、耐酸、耐堿差，易老化；氯丁橡膠耐酸、耐堿、耐油、耐老化均較好，但其比重大，成本高；丁基橡膠耐酸、耐堿、耐熱、耐老化比較好，吸振及阻尼特性好。但其彈性差，加工性能差，耐油性也不好，不宜作為隔膜閥的隔膜；丁腈橡膠耐油、耐熱、耐磨性均較好，但耐寒、耐酸堿、耐老化較差；氟橡膠耐油、耐酸堿、耐老化等均比較好，是綜合性能比較好的橡膠。但其耐寒性和加工性能較差，價格較貴。

使用時應根據使用條件來選用合適的橡膠襯里。

三、其它非金屬及其襯里管子

除了前面介紹的工程塑料及其襯里管子、橡膠襯里管子外，工程上使用的其它非金屬管或其襯里管種類還有很多，諸如玻璃鋼管、搪瓷襯里管，鉛及鉛襯里管、石墨管、環氧樹脂襯里管、酚醛樹脂襯里管等。這些非金屬或其襯里管各具特點，可視具體介質條件擇其而用。這里不準備給出其特性數據，僅僅定性地介紹其特點和用途。詳細的數據可查有關專著或資料。

1、玻璃鋼管

它是以各種樹脂（如環氧樹脂、不飽和聚脂樹脂等等）為基體材料，以中堿玻璃纖維織物為骨架材料，由特殊的工藝固化而成的非金屬材料。其機械強度較高，軸向抗拉強度可達140MPa以上，因此可以做大直徑管子，適用管子規格尺寸為DN25~DN900；其耐蝕性（尤其是耐酸、堿性）不如塑料和橡膠，但其價格便宜，常用于循環水、海水、風和一些弱腐蝕介質的輸送。

最常用的玻璃鋼材料為不飽和聚脂玻璃鋼，使用溫度一般小于150℃。

2、搪瓷襯里管

它是將化工用的玻璃狀無機材料，通過高溫（75℃）熔結在碳鋼管表面上而生成的一種非金屬襯里管。它適用的管子規格一般為DN25~DN250，管子直徑太小和太大都不便于襯搪瓷。它除了對氫氟酸和工業磷酸的耐腐蝕性較弱外，幾乎能抗其它一切酸腐蝕，但它不能抗堿腐蝕。它的耐磨性好，且耐老化，但性脆而不能受沖擊載荷。它的使用溫度一般為-20℃~250℃，連接方式為法蘭連接。

3、鉛及鉛襯里管

通過向純鉛中加入一些其它合金元素，如銅、銻等而得到的鉛合金，可用于稀硫酸、稀磷酸的抗腐蝕。但它不能耐硝酸、鹽酸、氫氟酸、有機酸和堿的腐蝕。它的抗拉強度較低，一般僅為2.5MPa，且韌性較差，易碎裂，不能承受沖擊載荷和交變載荷。因此，鉛管在工程中用的較少，主要是其支撐比較麻煩。

襯鉛管相對用的較多，其連接方法為法蘭連接。襯鉛管的加工方法有擴脹貼合法和熔化貼合法兩種。

4、（不透性）石墨管

石墨管是通過向石墨中加入一些粘結劑或浸漬劑，于高壓下成型的非金屬管子。它的耐蝕性較好，能耐多數酸堿介質的腐蝕。它的抗拉強度一般為18MPa，但韌性較差，常用于設計壓力小于0.3MPa的介質條件下。使用溫度根據型號不同而不同，最高可達300℃。

5、環氧樹脂襯里管

其特點是堅韌、光滑、耐磨蝕，能抵抗除強化性酸以外的其它一切酸堿介質的腐蝕。它可進行現場施工，故安裝要求較低，也便于設計，常用于大直徑的天然氣輸送管道。

6、酚醛樹脂襯里管

它的最大特點是無菌、無污染，可適用于食品加工業。其它特性同環氧樹脂襯里管。

四、非金屬材料及其襯里的設計與施工

前面已經談到非金屬及其襯里管有許多優點，常用于腐蝕介質環境。但它也有許多不足之處，設計中應充分了解這些不足之處，以便能及時采取適當措施加以克服。歸納起來，非金屬及其襯里管的不足及設計應注意的方面有以下幾點：

a、非金屬管的剛度較小，強度也較小，故應加強支撐。要做到這點有時是比較困難的，因為有時支架的生根位置比較難找。為此，設計中有時采用型鋼進行連續支撐，或采取埋地敷設。非金屬襯里管能克服這個問題，但價格比純非金屬管貴；

b、非金屬襯里管不適用于小口徑管道。對小直徑（DN≤25）的管道來說，加襯里比較困難，而且加襯里后其流通面積偏小，已無工程使用意義；

c、一般管道中，其組成件比較復雜，各組件要是都進行襯里從而達到同一抗腐蝕要求是比較困難的，有時甚至難以做到。例如，一般管道中要安裝壓力表、溫度計等儀表元件，也要進行高點排氣、低點放凝等。這些管道附件的直徑都比較小，而且有的元件必須用金屬元件，這樣就給整個管道達到完全抗腐蝕要求帶來困難；

d、非金屬襯里管不能進行焊連接，一般只能用法蘭連接。而一般的管道中，均要用到許多彎頭、三通、異徑管等管件，而且就直管來說，非金屬襯里管每節不可能做的太長（大多數為2米~4米一節），如此將造成管道中法蘭連接過多，既容易泄漏，又不便于施工；

e、非金屬襯里管不能采用螺紋連接，也不能采用承插焊連接，故采用的管件也就不能是承插焊管件或螺紋管件；

f、對施工要求高。如果施工誤差較大，會給管道的強度可靠性和密封性帶來不利影響；

g、非金屬襯里管不能采用較便宜、較方便的焊接式支架，以免因焊接時的高溫破壞非金屬襯里層。它只能采用較繁瑣的卡箍型支吊架；

h、襯里管對基材鋼管的表面質量要求較高，包括對表面的污物、油污乃至焊接接縫的凸起高度都有嚴格的要求，否則會導致襯里層的損壞而影響其耐腐蝕性。

正如上述原因，非金屬其襯里管在石油化工管道中應用的并不多，只有在不得不用或用高級金屬管價格太高時才考慮應用。

為此，作者提出如下幾條建議，供設計人員參考：

a、架空管道應盡可能采用非金屬襯里管而不用純非金屬管。當架空管道不得不采用純非金屬管時，應考慮連續支撐；

b、非金屬管應避免采用有放空、排液或儀表元件的結構。非金屬襯里管也應盡量避免采用該結構，當不可避免時，可考慮采用圖3-6所示

的結構進行過渡；

c、采用非金屬襯里管時，可以給出其管

段圖（單線圖），管段圖上僅給出工藝要求必

須的法蘭。然后與有關的制造商接觸，由制

造商根據管段圖進行預制，并給出結構和裝

配必須的法蘭位置和數量。如此處理的結果

可以大大減少管道中所用法蘭的數量，而不

必每個接口均用法蘭連接。同時，在管道預

制時，可先焊接支撐件，并留出支架螺栓連

接孔，現場進行支架施工時僅進行螺栓連接圖3－6 襯里管儀表元件連接結構

而不用焊接；

d、非金屬襯里管道中的閥門宜采用隔膜襯里閥、全襯里球閥或蝶閥等，并且最好是整個管道中的管子、管件、閥門均由同一制造商提供或總成。

思考題：

1、非金屬材料與金屬材料相比有哪些特點？

2、常用的工程塑料有哪些？

3、聚四氟乙烯有哪些特點？

4、聚氯乙烯與聚四氟乙烯相比有哪些特點？

5、聚乙烯與聚四氟乙烯、聚氯乙烯相比有哪些特點？

6、聚丙烯與聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯相比有哪些特點？

7、ABS與聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯相比有哪些特點？

8、常用橡膠有哪幾種？各有何特點？

9、對非金屬和非金屬襯里管，在設計時應注意哪些問題？

上一篇：壓力管道常用金屬材料的基本限制條件下一篇：常用純金屬的物理化學性質

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