压力管道常用非金属材料_沧州五森管道有限公司

压力管道常用非金属材料

众所周知，在工业管道上，非金属材料常用作管子的防腐和隔热，而用作管子及其元件的并不多，仅仅是在特定的情况下（如抗腐蚀）才使用。另外，作为法兰垫片和阀门填料，也用到一些非金属材料，但这些非金属材料用量很少，种类也有限。管子的防腐蚀和隔热没有列入本书的研究范围，故该部分所用的非金属材料在此不再作进一步的讨论，而只介绍直接用作管子及其元件的常用非金属材料。

压力管道中常用的非金属材料大致有工程塑料、橡胶、搪瓷、石墨等，它们与金属材料相比，具有以下一些特点：

a、化学稳定性好，耐腐蚀。这是它能够代替金属而用在一些强腐蚀介质环境中的最主要原因。对于某些操作介质，用金属材料是不耐腐蚀的，或者用高合金金属材料是不经济的，此时就需要用非金属材料；

b、易加工成型。无论是机械加工还是热加工，它都要比金属材料容易的得多；

c、比重小，比强度高。以工程塑料为例，其比重一般只有金属材料的1/8~1/4，但其强度有的可以与普通金属媲美；

d、良好的电绝缘性和极小的介电损耗；

e、良好的弹性、耐磨性和耐寒性等。

但是，多数非金属材料的强度和刚度都比金属材料低，且其耐热性较差，热胀系数较大，工程塑料还有冷流、老化等问题。正因为有这样一些不足之处，非金属材料常常仅用于金属材料无法抗腐蚀或选用高级金属材料抗腐蚀投资太高的场合。

一、常用工程塑料及其衬里管

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—丙烯腈共聚体（ABS）管等管材。这些塑料各有其特点，性能、用途、价格、加工方法等各不相同。

1、聚四氟乙烯（PTFE）及其衬里管

聚四氟乙烯的物理、机械性能见表3-9所示。

表3-9 聚四氟乙烯的物理、机械性能

性能	指标	性能	指标
密度，g/cm³	2.1~2.3	线胀系数，(1/k)x10⁴，0℃~54℃	1.23
晶体熔点，℃	327	50℃~100℃	1.34
吸水率，%	<0.005	100℃~150℃	1.37
导热系数，w/(m.k)	0.14	抗拉强度，MPa	≥16
滑动摩擦系数（PTFE对PTFE）	0.04	冲击韧性，J\cm²	2.4
（PTFE对钢）	0.1	布氏硬度	44.5
抗拉弹性模量，x10³MPa	0.4	燃烧性	自熄

聚四氟乙烯是一种结晶型的高分子化合物。与其它塑料相比，它具有以下特点：

a、极好的耐腐蚀性能。除了熔融碱金属、单体氟和三氟化氯化学品以外，几乎能抗一切强酸、强碱、强氯化剂、有机溶剂、王水等腐蚀介质的腐蚀；

b、良好的耐热性和耐低温性能。它在260℃时仍具有稳定的性能，长期最高使用温度可达180℃；低温下-270℃时仍保持有一定的韧性，能长期在-196℃温度下使用；

c、良好的润滑性和表面不粘性。它的摩擦系数极小，与钢发生相对滑动摩擦时，摩擦系数为0.1。几乎所有物质都不能粘附在其表面上；

d、良好的耐大气老化性能。

正因为这些特点，它已成为石油化工管道中应用最广泛的一种非金属材料。除了用作管子、管件外，它还常用作管子和管件衬里、阀门衬里、设备支座和支架支座的滑动垫板等。但它的价格比其它工程塑料高，故用其它塑料能满足要求时，应尽量采用其它塑料。

由于它是一种结晶性塑料，故不能用注射法成型，只能用冷压法或烧结法成型。

它在外力的作用下，冷流(即冷态蠕变)倾向性较大。

它单独作为管材时，由于受强度和

刚度的限制，管子直径和长度不宜太大，

详见《石油化工装置管道安装设计手册》

（以下简称《设计手册》）第二篇介绍。

一般情况下，它作为管子、管件衬里的

情况比较多。聚四氟乙烯的衬里管道规

格可从DN25~DN500，甚至更大。衬里

管子和管件一般采用法兰连接，聚四氟

乙烯在法兰处翻边，两片法兰之间配有

非金属垫片。如图3-5所示。一般情况

下，衬里管子及管件的连接不允许采用

螺纹和承插焊连接（这些规定对其它非

金属衬里管道也适用），不能用于承插焊图3－5 衬里管法兰连接结构

管件，不能用于带衬垫焊缝。

2、聚氯乙烯（PVC）及其衬里管

聚氯乙烯是由单体的氯乙烯聚合而成。根据加与不加稳定剂和增塑剂，它可分为硬聚氯乙烯和软聚氯乙烯两种。聚氯乙烯的物理、机械性能见表3-10所示。工程上应用较多的是硬聚氯乙烯。

表3-10 聚氯乙烯的物理、机械性能

性能	指标		性能	指标
	硬质	软质		硬质	软质
密度，g/cm³	1.35~1.6	1.16~1.35	常温线胀系数，(1/k)x10^-5	5~6	7~25
耐热温度，℃	65	40~70	抗拉强度，MPa	45~50	10~18
吸水率，%	0.07~0.4	0.5~1.0	冲击韧性，J/cm²	3~4
导热系数，W/(m.k)	0.15	0.13	布氏硬度，MPa	14~17
抗拉弹性模量，x10³MPa	2.41~4.14		燃烧性	自熄	自熄

聚氯乙烯与聚四氟乙烯相比有如下特点：

a、价格便宜。在它能满足介质条件的情况下，用它代替聚四氟乙烯可节省投资；

b、耐腐蚀性虽比不上聚四氟乙烯，但仍能抗大多数酸、碱、盐的腐蚀，详见《设计手册》第二篇；

c、硬聚氯乙烯的强度较高，约是聚四氟乙烯的3倍，故它的纯塑管道可适用于DN10~DN400；

d、聚氯乙烯纯塑管的连接方法较多，既可采用粘结剂粘接，也可采用熔化连接、螺纹连接和特殊机械接头连接等连接方式，施工较方便。但采用螺纹连接时不能用于压力较高或有温度循环的场合，且管子厚度较厚时才可以；

e、用作管道衬里时要求同聚四氟乙烯。

但聚氯乙烯使用温度范围较小，一般仅能在-15℃~60℃范围内使用。其线胀系数也比较大。

管材常用硬聚氯乙烯，标准为GB4219《化工用硬聚氯乙烯管材》。

3、聚乙烯（PE）及其衬里管

聚乙烯是由单体乙烯聚合而成。根据聚合方法不同分为高压、中压和低压聚乙烯三种。如果按其密度来分可分为低密度、中密度和高密度聚乙烯三种。其中高压聚乙烯即为低密度聚乙烯，其分子中有较多的分支，密度较低，性能柔软，宜用于制作塑料薄膜；低压聚乙烯又称高密度聚乙烯，其分子中的短链分支较小，分子量大，密度高，性能硬，是常用的管道或管道衬里材料。低压高密度聚乙烯的物理机械性能见表3-11所示。

表3-11 低压高密度聚乙烯的物理、机械性能

性能	指标	性能	指标
密度，g/cm³	0.94~0.95	抗拉强度，MPa	21~24
软化点，℃	120	冲击韧性，J/cm²	≥0.9
脆性温度，℃	-70	硬度（肖氏）	60~70
吸水率，%	<0.01	常温线胀系数，(1/k)x10^-5	12.6~16
抗拉弹性模量，x10³MPa	0.12~0.93	燃烧性	缓慢

聚乙烯与聚四氟乙烯相比，具有以下特点：

a、价格低；

b、耐蚀性不如聚四氟乙烯。其耐蚀范围见《设计手册》第二篇；

c、强度比聚四氟乙烯略高，适用的管子规格范围为DN10~DN125；

d、纯聚乙烯连接方法可采用熔融、螺纹和特殊机械接头连接。由于目前尚没有合适的溶剂，故它一般不采用溶剂粘接；

e、用作衬里管时，要求同聚四氟乙烯。

f、耐温性不如聚四氟乙烯，其使用范围一般为-70℃~100℃；

聚乙烯与聚氯乙烯相比，具有下列一些特点：

a、耐腐蚀范围有所不同，详见《设计手册》第二篇；

b、强度不如硬聚氯乙烯高，故适用尺寸范围较小些；

c、使用温度范围比聚氯乙烯大。

4、聚丙烯（PP）及其衬里管

聚丙烯是由单体丙烯聚合而成，其物理机械性能表3-12所示。

表3-12 聚丙烯的物理、机械性能

性能	指标	性能	指标
密度，g/cm³	0.9~0.91	常温线胀系数，(1/k)x10^－⁴	1.08~1.12
耐热温度，℃	120	抗拉强度，MPa	35~40
吸水率，%	0.03~0.04	冲击韧性，J/cm²	0.22~0.5
导热系数，W/(m.k)	0.24~0.38	硬度（肖氏）	60-70
抗拉弹性模量，x10³MPa	1.08~1.57	燃烧性	自熄

聚丙烯与聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯相比，具有下列一些特点：

a、它的价格比聚四氟乙烯低很多，而比聚氯乙烯、聚乙烯略低；

b、其强度比聚四氟乙烯、聚乙烯高，但比硬聚氯乙烯略低，故它可用于较大尺寸的管子。一般情况下，它适用的管子规格为DN200~DN400；

c、耐腐蚀范围与前三者各有不同，详见《设计手册》第二篇；

d、使用温度低于聚四氟乙烯，但高于聚氯乙烯和聚乙烯，它可长期应用在120℃温度下。但它低温下易发脆、易老化、不耐磨，故一般不用于低温环境；

e、纯聚丙烯用作管材时可采用熔融、螺纹和特殊机械接头连接方法；

f、用作衬里管时，要求同聚四氟乙烯。

5、苯乙烯一丁二烯一丙烯腈共聚体（ABS）及其衬里管

它是由苯乙烯、丁二烯和丙烯腈三种单体混炼共聚而成。根据三者混合的比例不同，尚有AAS、ASC、MBS三种姊妹系列，它们的性能各有不同。ABS的物理机械性能见表3-13所示。

表3-13 ABS物理、机械性能

性能	指标	性能	指标
密度，g/cm³	1.05~1.08	缺口冲击韧性，J/cm²	0.16~0.31
吸水率，%	0.2~0.45	熔点，℃	217~237
肖氏硬度	105~116	连续使用温度，℃	87~110
对钢的滑动摩擦系数	0.35~0.46	导热系数，W/(M.K)	0.19~0.34
抗拉强度，MPa	45~57	线胀系数，(1/k)x10^－⁵	6~9.0
抗拉弹性模量，x10³MPa	2.06~2.94	燃烧性	缓慢

ABS的耐腐蚀性能是：对弱酸、弱碱均有较好的耐蚀性，但强酸对它有一定的浸蚀作用。它能溶于酮脂及一些卤代烃中。

ABS与前几种塑料相比，具有以下一些特点：

a、价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、强度最高，可适用的管子规格较大，具体取决于生产厂的情况；

c、纯ABS用作管材时，可用螺纹、熔接方法连接；

d、耐磨性优于聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯。

但ABS耐候性差，长期使用易起层。

二、常用橡胶衬里管子

橡胶是一种高分子化合物，由于其抗弯强度和抗弯弹性模量较低（有的等于零），故它在压力管道中不能单独作为管子及管件使用，而只能作为管子、管件或阀门衬里用。它与塑料相比，同样具有较好的耐蚀性和耐磨性等特点。除此之外，它尚具有比塑料有更好的弹性、耐寒性和良好的加工性能。

常用的橡胶有天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶一般是不能直接使用的，当它们用作管道衬里时，常加入一些硫磺进行硫化处理。根据加入硫磺量的多少不同，天然橡胶可分为软橡胶（硫磺含量约1%~3％）、半硬橡胶（硫磺含量约为30%）和硬橡胶（硫磺含量大于40%）三种。有关天然橡胶三种类型的性能及使用方法已在《设计手册》第二篇中作了详细介绍，在此不再重复。

合成橡胶的种类很多，根据加入的成分不同，其性能和用途也不相同。用作管子和管件衬里的合成橡胶有氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（IIR）、丁腈橡胶（NBR）和氟橡胶（FPM）四种。它们和天然软橡胶的物理化学性能列于表3-14中。

表3-14 常用衬里橡胶的物理机械性能

品种性能	天然橡胶（NR）	氯丁橡胶（CR）	丁基橡胶（IIR）	丁腈橡胶（NBR）	氟橡胶（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
抗拉强度，MPa	17~29	15~20	14~21	2~4	10~20
伸长度，%	650~900	800~1000	650~850	300~800	500~700
耐磨性	优	良~优	可~良	优	优
耐冲击性能	优	良	良	可	劣~可
导热系数，W/(M.K)X10^-5	4.65	5.81	7.5	6.98	/
最高使用温度，℃	100	150	170	170	315
长期工作温度，℃	-55~70	-40~120	-40~130	-10~120	-10~280
耐矿物油性	劣	良	劣	可~优	优
耐碱性	可~良	良	优	可~良	优
耐强酸性	次	可~良	良	可~良	优
耐弱酸性	可~良	优	优	良	优
耐老化	劣	良	良	可	优
耐燃性	劣	良~优	劣	劣~可	优

注：性能等级的排序为优®良®可®劣。

由表3-14中可以看出，天然橡胶弹性大，强度高，耐寒性好，但耐油、耐酸、耐碱差，易老化；氯丁橡胶耐酸、耐碱、耐油、耐老化均较好，但其比重大，成本高；丁基橡胶耐酸、耐碱、耐热、耐老化比较好，吸振及阻尼特性好。但其弹性差，加工性能差，耐油性也不好，不宜作为隔膜阀的隔膜；丁腈橡胶耐油、耐热、耐磨性均较好，但耐寒、耐酸碱、耐老化较差；氟橡胶耐油、耐酸碱、耐老化等均比较好，是综合性能比较好的橡胶。但其耐寒性和加工性能较差，价格较贵。

使用时应根据使用条件来选用合适的橡胶衬里。

三、其它非金属及其衬里管子

除了前面介绍的工程塑料及其衬里管子、橡胶衬里管子外，工程上使用的其它非金属管或其衬里管种类还有很多，诸如玻璃钢管、搪瓷衬里管，铅及铅衬里管、石墨管、环氧树脂衬里管、酚醛树脂衬里管等。这些非金属或其衬里管各具特点，可视具体介质条件择其而用。这里不准备给出其特性数据，仅仅定性地介绍其特点和用途。详细的数据可查有关专著或资料。

1、玻璃钢管

它是以各种树脂（如环氧树脂、不饱和聚脂树脂等等）为基体材料，以中碱玻璃纤维织物为骨架材料，由特殊的工艺固化而成的非金属材料。其机械强度较高，轴向抗拉强度可达140MPa以上，因此可以做大直径管子，适用管子规格尺寸为DN25~DN900；其耐蚀性（尤其是耐酸、碱性）不如塑料和橡胶，但其价格便宜，常用于循环水、海水、风和一些弱腐蚀介质的输送。

最常用的玻璃钢材料为不饱和聚脂玻璃钢，使用温度一般小于150℃。

2、搪瓷衬里管

它是将化工用的玻璃状无机材料，通过高温（75℃）熔结在碳钢管表面上而生成的一种非金属衬里管。它适用的管子规格一般为DN25~DN250，管子直径太小和太大都不便于衬搪瓷。它除了对氢氟酸和工业磷酸的耐腐蚀性较弱外，几乎能抗其它一切酸腐蚀，但它不能抗碱腐蚀。它的耐磨性好，且耐老化，但性脆而不能受冲击载荷。它的使用温度一般为-20℃~250℃，连接方式为法兰连接。

3、铅及铅衬里管

通过向纯铅中加入一些其它合金元素，如铜、锑等而得到的铅合金，可用于稀硫酸、稀磷酸的抗腐蚀。但它不能耐硝酸、盐酸、氢氟酸、有机酸和碱的腐蚀。它的抗拉强度较低，一般仅为2.5MPa，且韧性较差，易碎裂，不能承受冲击载荷和交变载荷。因此，铅管在工程中用的较少，主要是其支撑比较麻烦。

衬铅管相对用的较多，其连接方法为法兰连接。衬铅管的加工方法有扩胀贴合法和熔化贴合法两种。

4、（不透性）石墨管

石墨管是通过向石墨中加入一些粘结剂或浸渍剂，于高压下成型的非金属管子。它的耐蚀性较好，能耐多数酸碱介质的腐蚀。它的抗拉强度一般为18MPa，但韧性较差，常用于设计压力小于0.3MPa的介质条件下。使用温度根据型号不同而不同，最高可达300℃。

5、环氧树脂衬里管

其特点是坚韧、光滑、耐磨蚀，能抵抗除强化性酸以外的其它一切酸碱介质的腐蚀。它可进行现场施工，故安装要求较低，也便于设计，常用于大直径的天然气输送管道。

6、酚醛树脂衬里管

它的最大特点是无菌、无污染，可适用于食品加工业。其它特性同环氧树脂衬里管。

四、非金属材料及其衬里的设计与施工

前面已经谈到非金属及其衬里管有许多优点，常用于腐蚀介质环境。但它也有许多不足之处，设计中应充分了解这些不足之处，以便能及时采取适当措施加以克服。归纳起来，非金属及其衬里管的不足及设计应注意的方面有以下几点：

a、非金属管的刚度较小，强度也较小，故应加强支撑。要做到这点有时是比较困难的，因为有时支架的生根位置比较难找。为此，设计中有时采用型钢进行连续支撑，或采取埋地敷设。非金属衬里管能克服这个问题，但价格比纯非金属管贵；

b、非金属衬里管不适用于小口径管道。对小直径（DN≤25）的管道来说，加衬里比较困难，而且加衬里后其流通面积偏小，已无工程使用意义；

c、一般管道中，其组成件比较复杂，各组件要是都进行衬里从而达到同一抗腐蚀要求是比较困难的，有时甚至难以做到。例如，一般管道中要安装压力表、温度计等仪表元件，也要进行高点排气、低点放凝等。这些管道附件的直径都比较小，而且有的元件必须用金属元件，这样就给整个管道达到完全抗腐蚀要求带来困难；

d、非金属衬里管不能进行焊连接，一般只能用法兰连接。而一般的管道中，均要用到许多弯头、三通、异径管等管件，而且就直管来说，非金属衬里管每节不可能做的太长（大多数为2米~4米一节），如此将造成管道中法兰连接过多，既容易泄漏，又不便于施工；

e、非金属衬里管不能采用螺纹连接，也不能采用承插焊连接，故采用的管件也就不能是承插焊管件或螺纹管件；

f、对施工要求高。如果施工误差较大，会给管道的强度可靠性和密封性带来不利影响；

g、非金属衬里管不能采用较便宜、较方便的焊接式支架，以免因焊接时的高温破坏非金属衬里层。它只能采用较繁琐的卡箍型支吊架；

h、衬里管对基材钢管的表面质量要求较高，包括对表面的污物、油污乃至焊接接缝的凸起高度都有严格的要求，否则会导致衬里层的损坏而影响其耐腐蚀性。

正如上述原因，非金属其衬里管在石油化工管道中应用的并不多，只有在不得不用或用高级金属管价格太高时才考虑应用。

为此，作者提出如下几条建议，供设计人员参考：

a、架空管道应尽可能采用非金属衬里管而不用纯非金属管。当架空管道不得不采用纯非金属管时，应考虑连续支撑；

b、非金属管应避免采用有放空、排液或仪表元件的结构。非金属衬里管也应尽量避免采用该结构，当不可避免时，可考虑采用图3-6所示

的结构进行过渡；

c、采用非金属衬里管时，可以给出其管

段图（单线图），管段图上仅给出工艺要求必

须的法兰。然后与有关的制造商接触，由制

造商根据管段图进行预制，并给出结构和装

配必须的法兰位置和数量。如此处理的结果

可以大大减少管道中所用法兰的数量，而不

必每个接口均用法兰连接。同时，在管道预

制时，可先焊接支撑件，并留出支架螺栓连

接孔，现场进行支架施工时仅进行螺栓连接图3－6 衬里管仪表元件连接结构

而不用焊接；

d、非金属衬里管道中的阀门宜采用隔膜衬里阀、全衬里球阀或蝶阀等，并且最好是整个管道中的管子、管件、阀门均由同一制造商提供或总成。

思考题：

1、非金属材料与金属材料相比有哪些特点？

2、常用的工程塑料有哪些？

3、聚四氟乙烯有哪些特点？

4、聚氯乙烯与聚四氟乙烯相比有哪些特点？

5、聚乙烯与聚四氟乙烯、聚氯乙烯相比有哪些特点？

6、聚丙烯与聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯相比有哪些特点？

7、ABS与聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯相比有哪些特点？

8、常用橡胶有哪几种？各有何特点？

9、对非金属和非金属衬里管，在设计时应注意哪些问题？

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