常见化工防腐设备选择与使用
1 前言
化工过程涉及众多腐蚀性介质, 介质组成千变万化, 设备使用工况条件变化多端, 属于典型的强腐蚀性环境。化工设备防腐性能优劣显得尤为重要, 因为它关系到能否正常安全生产
。众所周知, 化工生产从原料到产品, 大都有一定的毒害性或易燃易爆性, 如果设备选择不当, 发生腐蚀引起泄漏, 轻则停工停产, 造成一定的经济损失, 重则有可能引起灾难性的安全事故。化工设备防腐性能关键在于材质。设备材质分为金属与非金属两大类。金属类主要包括碳钢(含铸铁)、不锈钢、有色金属及其合金. 非金属类主要包括玻璃、搪瓷、石墨、玻璃钢、塑料等。选择防腐设备, 首先要根据介质的腐蚀性、设备使用的工况条件与产品的卫生等级要求, 初步确定防腐材质, 其次根据工艺要求设备结构形状、型号规格、来源、价格、检修方便与否等因素, 综合考虑最终确定合适的设备。
各类化工设备设计手册上给出了众多材质牌号, 有的还详细出给了化学组成, 长篇累犊, 令许多化工技术人员眼花缭乱, 无所适从, 原因是现代专业分工越来越细, 标准设备越来越多(包括企业标准设备), 可以直接购入使用, 而基本上不必设计加工非标设备, 鉴于此, 除了设备设计与制造专业的技术人员外, 人们更加关心整体设备材质类型及使用要求, 而对设备各零部件的材质牌号及加工制造工艺不甚关心。
在可供选择的各种材质标准设备非常多的情况下, 如何选择既能满足技术上可靠经济上合理的材质, 是广大化工科技人员急盼解决的问题。笔者结合自己的工作经验, 围绕材质, 对常见化工设备进行述评, 以飨读者。
2 金属设备.
1 碳钢
碳钢是以铁为主要元素, 含碳量一般在2% 以下[ ’]的铁碳合金的统称, 是品种最多、用量最大、用途最广的材料。各种碳钢耐腐蚀性基本相似, 其中低碳钢和灰铸铁在耐腐蚀领域中应用最多。碳钢在中性水、碱性溶液、各类气体、液态金属、有机液体等环境中的耐腐蚀性良好121。碳钢机械加工性能与物理性能优良, 适宜加工制造各种类型设备, 例如反应器类、容器类、换热器类、塔器类、除尘器类、泵类等。
碳钢的资源丰富, 价格低廉, 而且即使在腐蚀较严重的环境中, 还可以采取喷涂或衬装防腐材料等防护措施加以利用, 所以是首选的设备材料。在对卫生级别要求不高的普通化工产品生产装置中, 例如农药的生产装置, 建议尽量选择碳钢设备。
2. 2 不锈钢
不锈钢是含铬12 % 以上或同时含镍的钢种的通称。种类很多, 常用的有铬不锈钢(含铬12% 或更高) 和铬镍不锈钢(含铬18% 和镍9% ) 两类l3], 后者在防腐领域应用最多。不锈钢对大气、水、强氧化性酸(硝酸)、有机酸、有机化合物、碱、盐、中性溶液和多种气体都有良好耐蚀性。在酸性介质中耐腐蚀性能特高的不锈钢特称耐酸不锈钢。不锈钢具有较优良的机械加工性能, 外表经抛光处理美观漂亮, 无需涂刷防腐涂料, 适宜加工制造各种类型设备。不锈钢设备在化工相关行业中应用极广, 尤其是在卫生级别要求很高的医药与化妆品生产中。不锈钢价格较贵, 影响它普遍地取代碳钢。
2.3 其它金属
铝与钦在化工上时常用到。铝和铝合金在大气、水及PH 为4. 5 一8.5 的溶液和其它氧化环境中都有良好耐腐蚀性, 耐有机酸和溶剂的腐蚀[21。钦和钦合金具有优异的耐腐蚀性能, 能耐大气、海水、各种氯化物和次氯酸盐、湿氯、氧化性酸(包括发烟硝酸)、有机酸、碱等的腐蚀。铝, 由于无毒, 腐蚀产物无色, 比重小, 强度高, 价格较低, 通常用于制造盛装产品的储槽(罐); 钦,抗腐蚀疲劳的性能很强, 强度/ 重量比很高, 但价格昂贵, 常用于制造高效率的板式换热器。
3 非金属设备
3.1 玻璃与搪玻璃
玻璃是以二氧化硅为主要成分的硅酸盐川熔化或锻烧的制品, 品种很多, 用在化工过程中的品种为高硼玻璃。搪玻璃又称搪瓷, 是由玻璃质釉涂敷在碳钢表面经多次高温搪烧, 使玻璃质釉密着于钢胎表面而成l4]。
玻璃具有很高的耐腐蚀性, 除了氢氟酸和含氟的一些其它物质以及热浓的磷酸、强碱液外, 几乎能耐所有介质, 包括热浓硝酸、硫酸、盐酸、王水、盐溶液、有机溶剂等。
玻璃除了优异的耐腐蚀性外, 还有几项突出的优点, 那就是透明性、不粘性、化学稳定性与阻隔性。透明性使得在设备内部发生的状况一目了然. 不粘性使设备容易清洗, 化学稳定性与阻隔性, 使得它不易发生化学变化, 也不易被渗透, 对介质具有优良的保鲜性能。
玻璃的主要缺点是: 强度低、热膨胀系数较大, 因而受机械碰撞容易破碎, 骤热骤冷则会炸裂; 制造和加工困难, 不能制造大型设备。
玻璃常用于制造实验室仪器与小型反应器、储存容器、换热器等设备, 搪玻璃兼具碳钢的高强度与玻璃的耐腐蚀性, 常见的搪玻璃设备有反应器、储罐容器、换热器(碟片式、套筒式) 和蒸馏容器等。
玻璃与搪玻璃使用温度一般在20 ℃ 以下, 在用作传热设备时注意严防冷热介质温差过大(超过140 ℃ ), 并在加热或冷却时缓慢进行。玻璃设备适宜在较低压力下使用, 搪玻璃设备耐压相对较高, 但由于密封问题, 一般不超过1.OMPa。
玻璃设备因制造困难, 价格较贵, 甚至贵于不锈钢, 但透明, 漂亮, 外表免刷防腐涂料。搪玻璃设备价格与不锈钢相当。玻璃与搪玻璃设备广泛用在酸性介质的化工生产中, 在医药工业应用也较多, 尤其是玻璃设备在公斤级规模的医药生产上更是普遍。
3. 2 石皿
石墨是由焦炭在高温烧结而成的, 具有微孔, 孔隙率高达20 % 一30 %。常用酚醛或糠醉树脂浸渍, 使其在微孔中固化, 得到不透性石墨, 一般耐热在180 ℃ 以下, 宜在较低压力下使用。石墨是有名的惰性材料, 对绝大多数腐蚀环境都有优良的耐蚀性, 包括沸点的盐酸、稀硫酸、氢氟酸、磷酸、碱液(酚醛树脂浸渍除外)、有机溶剂等, 只有强氧化性介质如硝酸、浓硫酸、
澳和氟等能破坏它I2]。
石墨更接近金属的性能, 它是非金属中唯一具有高热导率的材料, 导热系数比碳钢大两倍多, 常用于制造换热器(列管式、块孔式)。但由于抗拉强度低, 脆性较大, 石墨设备常以碳钢作外壳, 以防碰损。
3.3 玻璃钢与塑料
玻璃钢是以玻璃纤维或玻璃布增强的树脂基复合材料, 在树脂基体中加入苯乙烯和固化剂等, 涂布于玻璃纤维或玻璃布上, 经固化成形而得。常用的树脂基体有不饱和聚醋树脂、酚醛树脂和环氧树脂等. 玻璃钢使用温度一般不超过150 ℃ 。
塑料是以合成的高分子化合物为基本成分, 在加工__________过程中可塑制成型, 而产品最后能保持形状不变的材料。种类很多, 在化工设备上使用最多的是热塑性工程塑料聚丙烯与硬聚氯乙烯。聚丙烯使用温度一般不超过1 10 一120 ℃ , 硬聚氯乙烯不超过60 一6℃ 。
塑料与玻璃钢耐腐蚀性能优良, 除强氧化性酸和一些有机溶剂外, 可耐酸、碱、盐、气体、水等介质的腐蚀。塑料与玻璃钢还具有质轻、易加工、价格低等优点。塑料强度较低, 通常用于制造在较低温度压力下使用的小型容器、塔器类设备。玻璃钢质地坚硬, 机械强度可与钢铁相比, 但由于导热性差及大型设备法兰密封不良, 通常用干制造常温常压下使用的水槽等储存容器, 以及通风风管等。
3. 4 其它
金属与非金属的复合材料兼具金属的高强度和非金属的耐腐蚀性。通常将非金属防腐材料, 例如塑料、玻璃钢、橡胶、胶泥、涂料等, 附着在接触腐蚀性介质的金属表面。实际上, 上述搪玻璃设备与石墨换热器都可视作是金属与非金属的复合材料。
此外, 常见的是耐腐蚀性最强, 有塑料王美誉的聚四氟乙烯塑料与碳钢复合, 复合工艺有喷涂法和衬装法。喷涂法即便多次喷涂, 难免存在针孔、砂眼, 不适合用在强腐蚀性环境.
衬装是预先加工好薄层衬里, 再通过翻边、法兰固定等手段贴附在碳钢表面, 衬装的设备多为在常压、正压下使用的储罐形容器。复合材料设备或限于非金属自身的性质, 或限于加工工艺, 一般外笨拙, 价格较贵。
4 结语
一般地, 金属具有机械强度高, 加工性能与传热性能及耐热性能优良等优点, 适宜制造各类设备, 适用压力、温度范围较宽, 但防腐蚀性能不如非金属, 尤其是在酸性环境中; 非金属普遍耐腐蚀性能优良, 但强度较低, 传热性能(石墨除外) 及耐热性能较差, 适用温度、压力范围较窄, 适宜制造常温常压与或较低温度压力下使用的容器类设备。在选择具体设备时, 应在满足防腐要求的前提下, 结合工作压力、温度及价格等因素综合考虑。一种材质不能抵抗所有介质的腐蚀, 而一种介质可以有多种防腐材料可供选择, 因而在同一套生产装置中出现多种材质的设备属于正常。在化工生产上, 化学介质经常不单纯是某一种介质, 有可能是多种介质组成的混合介质, 而这些混合介质的腐蚀性有可能强于其中任一单组分介质。在这种复杂介质环境下使用的设备, 建议通过试验考察候选材质的防腐性能。设备防腐性能固然与材质有关, 但也与加工制造质量和使用条件有关。选购设备应尽量选择有资质的设备生产企业, 并在设备验收时重点考查检测手段、检测方法与试验条件。在设备使用时, 应严格遵守规定的使用温度与使用压力, 对于在冷热交替、酸碱交替等复杂工况环境下使用的设备, 应定期检查, 发现问题, 及时检修或更换。
