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    科學技術論文

    輸送氯氣用工業管道的材質選擇

    時間:2020年07月30日 所屬分類:科學技術論文 點擊次數:

    摘要:氯堿行業中原料、副產品、中間產品、主要產品等,都是腐蝕性較強的介質,對設備材質要求很高。因此防腐一直是制約氯堿行業穩定生產的一個重要因素。隨著國家材料技術進步,各種金屬、非金屬材料廣泛的應用于氯堿生產中。氯氣是氯堿化工生產中的主要原

      摘要:氯堿行業中原料、副產品、中間產品、主要產品等,都是腐蝕性較強的介質,對設備材質要求很高。因此防腐一直是制約氯堿行業穩定生產的一個重要因素。隨著國家材料技術進步,各種金屬、非金屬材料廣泛的應用于氯堿生產中。氯氣是氯堿化工生產中的主要原料之一,氯氣與水反應可生成具有腐蝕性的鹽酸和強氧化性的次氯酸,許多金屬如碳鋼、鎳、不銹鋼等均會被腐蝕,例如:濕氯氣會對碳鋼材質的設備(如:氯氣透平壓縮機)及輸送管線造成很強的腐蝕。在一定環境下,只有某些特定的金屬或非金屬材料能抵抗氯氣的腐蝕。

      關鍵詞:氯氣;工業管道;材質

    中學化學

      引言

      氯氣是工業中常用的原料。由于其具有高毒、強氧化性,通常采用管道密閉輸送。其管道材質的選擇是工業氯氣管道設計首先要解決的問題,關乎能否安全、高效、經濟的使用氯氣。本文從化學特性、設計參數、工作環境、經濟性四個方面結合具體事例對氯氣管道材質的選擇進行了分析和討論,并對部分用于氯氣輸送的管道材質及特點進行了歸納和總結以供參考。

      1概述

      氯氣是工業中經常用到的氣體原料,廣泛應用于化學化工、制藥、冶金、電子、環保等行業。氯氣屬于有毒氣體且是一種強氧化劑,在工業裝置中一般采用管道密閉的方式進行輸送,避免因泄漏造成安全、環保事故。管道材質的選擇是設計輸送氯氣用工業管道(以下簡稱“氯氣管道”)首先必須解決的問題,事關能否安全、經濟、高效的使用氯氣,甚至可能決定整個項目的成敗。

      2主要物料管道選材

      2.1管道材料選擇原則

      氯堿裝置中大多是易燃易爆、劇毒和腐蝕性很強的介質,主要管道都屬于壓力管道范疇。管道材料的選材則是根據這些介質的物化性能,腐蝕性以及各個具體物料點的操作工況來決定。根據上述使用條件判斷該管道是否承受壓力,屬于哪一類壓力管道,不同類別的壓力管道因其重要性各異,根據發生事故帶來的危害程度,對材料的特殊要求,來進行管道材料的選擇,從而達到滿足開工條件、安全要求和正常操作的目的。

      2.2管道材料使用注意事項

      2.2.1管道材料在高溫下的性能

      (1)金屬管道金屬管道在高溫下性能發生以下幾個變化:蠕變,碳素鋼工作溫度超過300~350℃,合金鋼工作溫度超過300~400℃就會有蠕變。石墨化,碳鋼長期工作在425℃以上環境是地,就會發生石墨化。熱疲勞性能,鋼材如果長期冷熱交替工作,那么材料內部在溫差變化引起的熱應力作用下,會產生微小裂紋而不斷擴展,最后導致破裂。因此,在溫度起伏變化工作條件下的結構、管道應考慮鋼材的熱疲勞性能。(2)非金屬管道常見的非金屬管道耐熱溫度為110℃以下,但長期耐熱性普遍較差,易老化,管道性能會隨著溫度的升高而迅速下降。因此在使用中,需注意非金屬管道允許使用溫度。

      2.2.2管道材料在低溫下性能

      (1)金屬管道當環境溫度低于該材料的臨界溫度時,金屬材料沖擊韌性會急劇降低,這一臨界溫度稱為材料的脆性轉變溫度。常用低溫沖擊韌性(沖擊功)來衡量材料的低溫韌性,在低溫下工作的管道,必須注意其低溫沖擊韌性。(2)非金屬管道在低溫下,非金屬管道的脆性增大,抗沖效能降低,在受到外力沖擊時可能會產生微觀裂紋,在相同的環向應力下,這些裂紋的擴展速率明顯加快,導致管材破裂。

      2.2.3管道材料在腐蝕環境中性能

      (1)金屬管道金屬腐蝕的危害性十分普遍,而且也十分嚴重,腐蝕會造成直接或間接損失。例如,金屬的應力腐蝕、疲勞腐蝕和晶間腐蝕往往會造成災難性重大事故,金屬腐蝕會造成大量的金屬消耗,浪費大量資源。(2)非金屬管道非金屬管道都有比較好的耐腐蝕性。但在使用中,需注意其在高溫環境下,耐腐蝕性能的表現。

      2.3管道材料的選擇

      2.3.1氯化鈉管道

      氯化鈉鹽水屬于強電解質,對金屬管道產生電化學腐蝕。不純的金屬跟電解質溶液接觸時,會發生原電池反應,比較活潑的金屬失去電子而被氧化電化學腐蝕尤其對碳鋼的管道的腐蝕更為嚴重。當鋼材中的鉻原子數量不低于12.5%時,可使鋼的電極電位發生突變,由負電位升到正的電極電位,阻止電化學腐蝕。因此,用于生產、輸送以及儲存氯化鈉溶液的管道經常采用含鉻量17~22%的不銹鋼材質,如奧氏體不銹鋼等。

      2.3.2氫氧化鈉管道

      堿液管道在一定條件下能引起碳鋼材料的應力腐蝕(堿脆),影響碳鋼產生應力腐蝕的因素有堿液的濃度、溫度和材料中存在的殘余應力等。燒堿具有強腐蝕性,溫度與其越高,濃度越高,腐蝕越劇烈。冷卻后的堿液腐蝕性大大下降,在常溫下,碳鋼在0.1%~40.0%NaOH中的腐蝕速度僅為0.0025mm/a,碳鋼即可滿足耐蝕要求。

      2.3.3氯氣

      由電解槽出來的濕氯氣,溫度高并伴有大量的水蒸氣和雜質,具有較強的腐蝕性,必須經過冷卻、干燥和凈化處理。溫度低于60℃的濕氯氣,應宜選用FRP/UPVC管道及管件;溫度高于60℃的濕氯氣應選用鈦合金管道及管件。氯氣經干燥后,水的體積分數降至0.04%以下,腐蝕性大大降低,輸送管道采用碳鋼材質,如20號鋼。鈦材在干燥氯氣中會引起劇烈的化學反應而燃燒,因此,不能用鈦管輸送干燥的氯氣。液氯管道應選10號鋼,16Mn或耐低溫性能優于16Mn的材料。

      3管道材質的經濟性

      對于氯氣管道的材質選擇,在保證安全可靠的前提下,也應考慮到經濟合理性。例如PTFE管道對氯氣有非常好的適用性,但是如果單獨大量使用,價格太高,施工難度又大,還不耐紫外線,所以一般會選擇碳鋼襯PTFE管。還有例如貴金屬氯化物生產工藝需要將室外氯氣站的干氯氣通入生產車間內反應釜中的強酸性熱水溶液中進行反應,且最終產品質量對于鐵離子的含量相當敏感,此種情況如果使用單一材質管線,要么無法滿足工藝要求,要么就是難以找到材料或者由于材質的特殊性而價格不菲,因此必須考慮采用多種材質管線結合使用的方式,例如可選用碳鋼管道作為氯氣站至生產車間的外管主材,而車間內直至反應釜附近的管線可選用PVC外纏FRP管道,最后接近反應釜直至深入反應釜內水溶液液面以下的管線可選用聚四氟乙烯管道或者PFA+PVDF管道。顯然這樣多種材料結合使用,既滿足了氯氣管道的使用要求,又兼顧了經濟性。

      4管道工作環境的影響

      在工業應用中,氯氣管道一般會有室內和室外部分。而普通非金屬管道(如PVC、PVDF、PTFE)的抗紫外線能力一般較差,導致其在室外的老化速度遠比金屬管道要快,因此在選擇氯氣特別是濕氯氣的室外管道材料時要特別留意。如果選擇非金屬管道作為氯氣的室外管道,一定要選擇具有抗紫外線能力的(例如碳鋼襯PTFE管),也可考慮采用鋁皮、彩鋼板包裹的方式避免紫外線的影響。除此以外,對特殊工況還需要具體分析,例如將干氯氣通入熱的水溶液液面下進行工藝反應時,在氯氣與水溶液的交界面上肯定會形成濕氯氣,如果還選用鋼管作為插入管顯然是不合適的。

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      結語

      氯氣是一種強氧化劑。盡管如此,氯氣本身還是比較穩定的。純凈的氯氣在常溫下與金屬鐵不會發生化學反應。正是基于此,工業上,特別是在氯堿行業中,碳鋼管道被大規模的應用于低于80℃的干氯氣的輸送。同時,因為氯氣的高毒性及泄漏后可能造成嚴重后果,氯氣管道的材質還必須可靠及耐用。

      參考文獻

      [1]中國氯堿工業協會.氯堿生產安全標準化指導手冊[M].2008.

      [2]袁高玉.氯氣的性質及應用[J].中學化學教學參考,2015,24:61.

      [3]任歡.氯堿行業管道材料的選擇[J].科技展望,2015,18:167.

      作者:羅賢馳

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