磷酸輸送管材的實踐改進與探索

紀波

(貴州開磷集團礦肥有限責(zé)任公司,貴州貴陽 550300)

磷酸輸送管材的實踐改進與探索

紀波

(貴州開磷集團礦肥有限責(zé)任公司,貴州貴陽 550300)

大型磷復(fù)肥生產(chǎn)中腐蝕介質(zhì)很多,硫酸、磷酸、鹽酸、硝酸、氟硅酸、氟化氫、二氧化硫、三氧化硫等,對這些強腐蝕介質(zhì)的輸送中,尤其是對磷酸的輸送一直是困擾企業(yè)的難題,從上世紀八十年代至今,我們企業(yè)本身及制造行業(yè)作了大量的改進和探索,取得良好效果,值得推廣借鑒?，F(xiàn)在就磷酸輸送管材的實踐改進情況進行總結(jié)分析。

磷酸 管材 實踐 探索

磷復(fù)肥裝置的磷酸腐蝕、堵塞是輸送的難題，經(jīng)過不斷的摸索、實踐和創(chuàng)新，企業(yè)當前最經(jīng)濟、最可靠方式值得行業(yè)借鑒推廣。

1 普通塑料及塑料內(nèi)襯階段

從上世紀八十年代末九十年代初，當時全國最大的磷肥裝置就是100kt/a的重過磷酸鈣，對磷酸的輸送主要采用的是PVC、PP或者普通碳鋼內(nèi)襯軟PVC、PP，當時的PVC配方中大量填充碳酸鈣，還沒有增強改善韌性、延展性、耐熱性等的添加劑，所以PVC的強度低、脆性大，特別是PVC的焊縫系數(shù)只能達到65%，管件焊縫及聯(lián)接法蘭焊縫損壞頻繁；PP的焊縫系數(shù)、柔韌性比硬PVC強，但焊接對移動速度、熱氣溫度、焊條和焊接零件間的夾角、氣體流速等操作要求高，典型焊接缺陷是假焊，彎曲加工管件十分困難，并且PP的縮短率為1.8～2.5%，季節(jié)冷熱交替時跑冒滴漏是難題。90年代中期多采取碳鋼內(nèi)襯軟PVC、硬PP或PO，內(nèi)襯軟PVC因熱下垂和翻邊缺陷就無法保證生產(chǎn)，內(nèi)襯PP內(nèi)表面平滑度差，成型冷卻后收縮率大，尺寸穩(wěn)定性差，內(nèi)襯軟PVC、硬PP在生產(chǎn)上前進了一大步，內(nèi)襯PO更上一層樓，主要優(yōu)點是內(nèi)襯強度高、剛性好使用溫度一般60℃～100℃，用特殊熱融旋轉(zhuǎn)成型，對金屬有很強粘結(jié)力，真空度可達-0.092Mpa，極大限制了其因冷熱變化而引起的收縮和伸長。存在問題是輸送工程中的沉淀結(jié)垢、敲打清洗、熱積酸冷卻形成的負壓、反復(fù)膨脹收縮影響粘接力等導(dǎo)致內(nèi)襯層脫離下墜，造成阻力如圖1。

2 美國ASTM標準316L泛濫階段

上世紀九十年代后期，磷復(fù)肥行業(yè)裝置設(shè)計或改造中引進了美國ASTM標準牌號的316L，迅即得到推廣。由于其優(yōu)越的耐腐蝕性和良好的加工性，在片面追求開機率、搶工期的盲從下，總認為不銹鋼是萬能的，似乎忘記了它的局限性和高昂的成本，主要體現(xiàn)在：

2.1 介質(zhì)本身對316L具有腐蝕

磷酸屬于還原性的強腐蝕性酸，濕法磷酸的腐蝕性主要取決于酸中的Cl-、F-、SO42-等雜質(zhì)和固體顆粒的影響，還原性離子如SO42-，F(xiàn)-和Cl-。等能促進磷酸腐蝕，尤其以Cl-的影響最大，磷酸中Cl-的來源是磷礦伴生，CL-存在于細晶磷灰石的結(jié)構(gòu)中，是離子取代現(xiàn)象，但不同礦段和不同礦層的氯離子取代程度不同，所以找不到CL-與P2O5品位之間的嚴格相關(guān)性，Cl-能優(yōu)先地有選擇地吸附在316L鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性氯化物，結(jié)果在新露出的基底金屬的特定點上生成孔徑為20～30um的小蝕坑，是孔蝕進一步擴大的活性中心。在鈍化電位區(qū)域內(nèi)，CL-與氧化性物質(zhì)競爭，并且進入薄膜之中，因此產(chǎn)生晶格缺陷，降低了氧化物的電阻率。因此在有CL-存在的環(huán)境下，既不容易產(chǎn)生鈍化，也不容易維持鈍化。

世界濕法磷酸生產(chǎn)經(jīng)驗公認磷礦的含Cl-含量量最高允許為0.04%，靡洛哥、云南、?？诘腃l-含量低，而貴州、湖北礦個別礦層Cl-集中明顯。從Cl-在磷精礦中富集這種特征來看來，要用物理或化學(xué)方法分離除去CL-根是十分困難的。

在稀磷酸輸送管道中，使用316L不銹鋼均受到不規(guī)則的點狀腐蝕，其表面凸凹不平，這是氟的典型侵蝕結(jié)果。

近年來發(fā)現(xiàn)碘元素的含量對腐蝕亦有影響口，在0.001%～0.002%的存在下，會使材料耐腐蝕性下降.而在上述離子共同作用下，則加速腐蝕。

2.2 介質(zhì)流速設(shè)計不合理

主要表現(xiàn)在整改取代原材質(zhì)后摩擦系數(shù)不同。一般設(shè)計流速為2～3m/s〃當磷酸介質(zhì)流速很大，本身介質(zhì)中含有CaSO4.H2O、硅膠等固體顆粒，就產(chǎn)生了腐蝕、磨蝕和“腐蝕+磨蝕”的交互作用，濕法磷酸腐蝕苛刻，影響因素十分復(fù)雜，介質(zhì)流速對不銹鋼腐蝕破壞影響很大.當高速流動的介質(zhì)足以破壞不銹鋼表面鈍化膜，而損壞的鈍化膜又不能及時修復(fù)時，腐蝕速度將隨流速增高明顯增大，當流速超過臨界流速，不銹鋼耐腐蝕性能大大降低甚至失去耐腐蝕穩(wěn)定性.這就是腐蝕-沖蝕的協(xié)同作用和影響。(如圖2a)

2.3 清理、清洗存在問題

輸酸管線在堵塞的情況下，采取人工清理或清洗造成316L管道內(nèi)壁出現(xiàn)上述的孔蝕、晶間腐蝕磨損后，表面就愈來愈粗糙，清理周期越來越短，垢層附著力原來越大，每一次清理或清洗持續(xù)時間會越來越長，頻繁清理和長期敲打，變形嚴重?zé)o法滿足輸送流量需求而被更換如圖2b所示。再者，采用濃度8%溫度60～80℃稀硫酸清洗液對管道進行清洗.雖然大大的減輕勞動強度，卻對316L管道造成了遠大于0.5mm/a的嚴重腐蝕。

3 超高分子鋼骨架塑料復(fù)合管階段

超高分子鋼骨架塑料復(fù)合管是在管壁內(nèi)用鋼絲網(wǎng)或鋼板孔網(wǎng)增強的塑料復(fù)合管的統(tǒng)稱。因為有了高強度鋼絲增強體被包覆在連續(xù)熱塑性塑料之中，因此這種復(fù)合管克服了鋼管和塑料管各自的缺點，而又保持了鋼管和塑料管各自的優(yōu)點，用于磷復(fù)肥的磷酸輸送甚至長距離高壓輸送，新型鋼絲網(wǎng)骨架塑料復(fù)合管的顯著特點：(1)克服了塑料管的快速應(yīng)力開裂、焊縫系數(shù)低現(xiàn)象；(2)具有超過普通純塑料管的強度、剛性、抗沖擊性，類似于鋼管的低線膨脹系數(shù)和抗蠕變性等特點；(3)雙面防腐，具有與塑料管相同的防腐性能。(4)內(nèi)壁光滑，不容易結(jié)垢，管道水頭損失比鋼管低30%，即使結(jié)垢，可敲打，不變形，易脫落；(5)可通過調(diào)整鋼絲直徑，塑料層的厚度等，制造不同壓力等級，以此工藝制造而成的管，2013年按HG/T3690-3691-2012標準，PN2.5、PN4.0的通徑均不超過DN200，因使用壓力和破壞性試驗壓力相差3倍以上，而在企業(yè)標準和實際使用中DN200、DN300公稱壓力已達4.5MPa，目前1.0MPa DN700規(guī)格在企業(yè)使用非常成功。但在生產(chǎn)實踐中存在的兩個突出問題是：

3.1 熱膨脹(或收縮)問題

在輸送稀磷酸、濃磷酸、渣酸、料漿、清洗液等管網(wǎng)中，密封面泄漏點多且頻繁是遇到的第一個頭痛的事，鋼骨架塑料復(fù)合管的線性膨脹系數(shù)是35.9*10-6(1/℃)，普通碳素鋼的線性膨脹系數(shù)是10.6～12.2*10-6(1/℃)，也就是說鋼骨架塑料復(fù)合管的管線性膨脹系數(shù)是普通碳素鋼線性系數(shù)的3～3.4倍，而超高分子聚乙烯管的線性膨脹系數(shù)是普通碳素鋼的線性膨脹系數(shù)的14～16倍。因鋼絲網(wǎng)或鋼板網(wǎng)孔的存在，大大減少了聚乙烯管的線性膨脹系數(shù)，一般情況下鋼骨架塑料復(fù)合管是作為柔性管處理熱膨脹及收縮的問題，就是在安裝時盡可能創(chuàng)造彎曲布置的條件，特別是埋地是考慮土壤對管道的摩擦力對熱膨脹或收縮的相互抵消，對于化工廠各類集中布置的大管網(wǎng)，不可能創(chuàng)造彎曲布置條件，只能應(yīng)采取熱膨脹及收縮的補償辦法來解決，與閥門、罐體、水泵等相連時，采取固定支架。兩固定支架之間直管段應(yīng)采取滑動(軸向、橫向)支架及膨脹節(jié)補償，如圖3。

計算理論熱膨脹(或收縮)按公式：

ΔL=L*a(T2一Tl)

式中：

△L ——長度變化 m；

△L＞0為熱脹；

△L＜0為冷收縮；

a— —管材線膨脹系數(shù)，1／℃；

T1——最初溫度，℃：

T2——最終溫度，℃：

L——是T1溫度下管線長度(m)。

3.2 密封面強度的解決

在采取固定支架、滑動支架、橡膠膨脹節(jié)補償后，輸送磷酸管道密封面的泄漏問題得到極大的緩解，但是在泄漏緊固過或更換過密封墊的位置，最容易反復(fù)泄漏，經(jīng)過仔細觀察主要原因是鋼骨架復(fù)合塑料管聯(lián)接方式是金屬活套法蘭聚乙烯密封面翻邊，致命缺點的密封接觸面積小，密封線強度低，重復(fù)緊固或緊固力不均，造成密封面破壞，在冬季密封面變硬，密封需要更大的緊固用力，也會造成活翻邊的密封面損壞。為此我們采用金屬密封面代替復(fù)合塑料密封面，用40～50MPa液壓擴張內(nèi)套解決緊固及密封，徹底根治鋼塑翻邊密封面強度低的硬傷。(如圖4)

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，磷復(fù)肥行業(yè)解決強腐蝕介質(zhì)的輸送理論上有很多方法能解決，如富礦與含CL-低的磷礦摻混配礦應(yīng)用；耐CL-的含鎢合金或稀土金屬復(fù)合材料；加入鈦和鈮，再配以穩(wěn)定處理，可以減少晶間腐蝕；氮合金化的第二代、第三代雙相不銹鋼等，應(yīng)用前景很好，但成本高昂，無行業(yè)競爭優(yōu)勢。綜合比較，目前使用鋼結(jié)構(gòu)增強密封面鋼骨架復(fù)合超高分子聚乙烯復(fù)合管最經(jīng)濟、最可靠。

[1]胡一春.《鋼骨架增強塑料復(fù)合管的連接與施工》.

[2]歐偉平.《膨脹節(jié)管道的設(shè)計與安裝》.