摘要

        管道是化工生产的“血管”，其服役工况往往伴随着高温、高压（差）、高流速等运行条件，含气液相变气-液-固三相局部流动条件，以及临氢、高氯、高硫及高酸的强腐蚀环境。输送介质理化性质的多样性、服役环境的严苛性以及损伤失效机理的复杂性对化工管道运输提出了更高的要求。本文主要回顾了国内外化工管道运输技术进展，结合高温高压工艺参数以及腐蚀、临氢、含固多相组分等介质特点，分析了不同性质输送介质给化工管道运输带来的技术挑战，从严苛复杂环境下管道设计理论、材料和监检测技术研发、管道智能化运维、管道标准规范建设方面提出了化工管道运输需要重点发展的方向，以期提升化工管道运输水平，满足新形势下化工管道运输的需求。

        管道是化工生产装置中不可或缺的组成部分，主要起输送物料和产品的作用，同时也是装备的安全边界。对化工生产而言，高温高压环境有利于化学反应的进行。而且高温下物质的性质发生较大变化，如流体的黏度减小、扩散系数增大、介电常数减小，有利于传热与传质过程，因此化工生产过程往往伴随着高温、高压（差）环境。此外，由于输送介质的理化性质多样，承压管道也往往处于严苛介质环境中，引发多种形式的损伤失效，使化工管道面临较高的运行风险。随着中国千万吨炼油、百万吨乙烯和大型煤化工等众多大型项目的运行，这一问题将变得越来越突出。例如，在石油化工、煤化工装置中，由于原油/煤品质劣化，管道往往处于高氯、高硫及高酸的强腐蚀环境中，由氯离子带来的腐蚀问题显著；在煤气化/煤直接液化装置中，含固多相流几乎贯穿整个工艺，高温高压管道受冲蚀、磨蚀等流动腐蚀影响显著；在催化重整、加氢裂化装置中，化工管道除需承受高温高压环境外，还要承受一定比例氢组分存在时的不利影响，引发高温临氢环境下的氢脆、氢腐蚀等问题；在乙烯裂解装置中，裂解气管道承受600 ℃以上的高温，由此引发的蠕变失效问题显著。由高温高压管道失效引发的安全事故屡有发生。例如，2011年四川宏泰生化有限公司“4·23”爆炸事故，2015年漳州PX（P-Xylene）项目爆炸事故，2019年美国费城炼油厂爆炸事故。这些安全事故都是管道失效引起的。

因此，文章围绕化工生产过程高温高压工艺特点以及腐蚀、临氢、含固多相组分等介质特点，在总结国内外化工管道运输发展现状的基础上，分析中国化工管道运输技术面临的挑战，并对未来的发展提出建议。

1. 化工管道运输技术研究进展

        化工管道涉及石油化工、煤化工、氟化工、氯碱化工等诸多领域，涵盖范围广，工艺参数各异，介质特性多样。根据化工生产的工艺特点和输送的介质特点，化工管道运输主要可分为高温高压管道运输、强腐蚀性介质管道运输、气液固多相流管道运输和高温临氢环境管道运输4类。

1.1 高温高压管道运输技术

        近年来，为了降低生产成本，提高生产效率，以石油化工、煤化工等先进工艺为代表的过程工业工艺参数不断提高，管道也承受更高的温度和压力。在乙烯裂解装置中，裂解炉横跨管（700 ℃）、裂解气管道（>600 ℃）承受较高温度，易引发蠕变失效；化工装置中过热蒸汽管道（>500 ℃）、冷凝器管道/换热器管道会产生热疲劳或振动引发的疲劳问题。针对高压带来的问题，经典的强度理论可以保证管道的强度设计，而高温带来的问题却更加复杂。因此，高温高压管道运输主要面临高温带来的失效问题。高温环境下，材料的性能随时间劣化，发生蠕变、疲劳、氧化、渗碳等多种复杂损伤，对化工输送管道设计和评估提出了更高的要求。英国、法国等国家陆续建立了高温结构完整性评价方法，如英国的R5规程、法国的RCC-MR规范等。自“十五”以来，国内学者也建立了高温结构完整性评定技术，制定了JB/T 12746—2015《含缺陷高温压力管道和阀门安全评定方法》。

1.2 强腐蚀性介质管道运输技术

        在石油化工和煤化工中，管道往往处于高氯、高硫及高酸的强腐蚀环境中，如常减压装置和煤气化装置中的H₂S、CO₂、Cl^‒腐蚀以及常减压装置中高温环烷酸腐蚀。尤其是在焊接部位，由于组织和几何不均匀性，加上不均衡分布的焊接残余应力，更容易引发氯化物应力腐蚀开裂。随着原油中硫含量、酸含量加剧以及煤品质的劣化，这一问题将更加突出。针对这一问题，一方面，通过发展超声导波、超声相控阵、电磁超声等高精度检测技术，进行腐蚀在线监测及诊断，有效控制和降低了管道失效风险；另一方面，通过焊接残余应力调控降低应力腐蚀开裂的风险，发展出了基于焊接工艺和结构设计的原位调控技术和基于外加热或机械/力作用的焊后调控技术。由于点蚀的随机性和隐蔽性，传统的腐蚀检测技术和精度难以及时发现点蚀缺陷，因此对于点蚀行为的精准预测就显得尤为重要。

        近些年发展的元胞自动机模型、相场模型和近场动力学模型能够较好地定量描述点蚀过程，也发展出了诸如滑移-溶解/氧化模型、形变/氧化模型等预测应力腐蚀开裂的裂纹扩展速率模型。针对介质腐蚀问题，自“九五”以来国内学者开展了大量的管道缺陷评定工作。2018年国内首次颁布了GB/T 35013—2018《承压设备合于使用评价》，建立了应力腐蚀、腐蚀疲劳、氢致开裂、蠕变损伤等高温和腐蚀环境下的承压设备合于使用评价方法。

1.3 气液固多相流管道运输技术

        煤化工煤气化和煤直接液化装置中管道运输介质含有煤粉、矿物质或催化剂等总质量分数可达百分之十几的固体颗粒。黑水介质因闪蒸气液相变导致复杂气-液-固三相流的出现，使流程中调节阀处于高压差、高流速（局部最大超过100 m/s）、强冲刷的恶劣工况，以及由此引起的阀芯、阀座、阀后衬管、变径管（文丘里管）极其严重的磨蚀与腐蚀耦合损伤。针对冲蚀磨蚀问题，煤化工中一般采用表面硬化技术来强化材料的耐磨性能，发展出超音速火焰喷涂技术、镍基合金热喷涂技术、激光熔覆技术等表面硬化技术。除了提升材质外，建立冲蚀磨蚀失效预测体系，准确预测管道具体失效位置，对于指导管道优化改造和在役检验，切实提高设备的可靠性和安全性具有重要意义。针对含固多相流单一冲蚀磨蚀问题的早期研究以实验为主，在总结归纳失效机理特征基础上，建立经验或半经验数学模型，对于多相流冲蚀磨蚀预测发挥重要作用。随着计算流体力学的迅猛发展和实验技术的巨大进步，近期研究多将实验与数值模拟相结合，探索含固多相流冲蚀磨蚀、腐蚀、气蚀耦合机理与模型。国内研究机构在闪蒸、空化相变流动和液固、气固、气液固磨蚀、腐蚀、气蚀模型以及高温高压管道风险评估、监检测技术等方面都取得了重要进展，有力支撑了中国煤化工管道运输技术。

1.4 高温临氢环境管道运输技术

        在催化重整、加氢裂化等化工装置中，管道长期处于高温（>400 °C）、高压（15~18 MPa）和临氢环境（氢气和硫化氢等）中，引起高温氢损伤，包括氢脆、氢腐蚀、氢鼓泡和表面脱碳。高温高压临氢管道的选材主要依据美国石油学会（American Petroleum Institute, API）标准中规定的Nelson曲线。同时，鉴于工艺介质中含有H₂S，选材时还参考Couper-Gorman曲线，关注其对H₂S腐蚀的抵抗能力。金属材料高温高压氢脆机理较为复杂，涉及氢原子扩散、偏聚、损伤等过程。尽管人们认识氢脆现象已逾百年，提出了氢致弱键理论、氢促进位错发射、氢增强局部塑性变形等理论，但对于其作用机理仍未达成统一的认识，也缺乏从根本上抑制氢脆的有效手段。焊接接头的质量也是影响高温临氢环境管道安全的关键因素。高温高压临氢管道具有直径大、管壁厚的特点，且随着装置大型化的发展趋势，该特点将更加显著，给焊接接头的质量带来更大的挑战，易产生热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂。为此，临氢管道一般选择TP321奥氏体不锈钢并对焊缝进行稳定化热处理。

2. 化工管道运输技术面临的挑战

        随着原油中含硫、含酸加剧，煤品质劣化，化工管道运输的介质日益严苛化。同时，鉴于反应温度、加氢操作压力的适当提升对煤直接液化和重油加工工艺中煤转换率和油气收率的正向影响，反应温度和压力将进一步提升，新一代加氢反应器的设计温度将高达500~510 ℃，反应器出口管温度负荷也将相应提高。此外，化工装置的长周期运行是实现企业降本增效的迫切需要及发展趋势。炼油装置要实现“四年一修”、化工装置要实现“六年一修”，未来将向更长的维修周期迈进。更高的温度压力、更严苛的介质和更长的运行周期给化工管道运输提出了更高要求，将使管道面临的腐蚀、磨损、冲蚀、蠕变等问题更加突出。要保障化工管道的长期安全可靠运行，未来化工管道运输将面临以下技术挑战。