油脂化工設(shè)備常用材料的選擇

葉雅鋒

(輕工業(yè)杭州機電設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311121)

1 引言

常用油脂化工設(shè)備主要包括原料儲存設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備、成品儲存設(shè)備，與通常提到的化工設(shè)備相比，油化化工設(shè)備具有一定的溫度、壓力、耐腐蝕性的要求，但又相對較低，因此在設(shè)備材料選擇時需要充分的綜合考慮材料的使用性能、材料的工藝加工性能、材料的經(jīng)濟性等。

油脂化工設(shè)備在材料選擇上主要分為非金屬材料和金屬材料。非金屬材料主要有玻璃鋼(FRP)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等；金屬材料主要有碳素鋼(如：Q235B、Q235C、Q245R、Q345R)、高合金鋼板(如：S30408(304)、S31603(316L)、S31703(S317L))、不銹鋼-鋼復合板(如：S31603+Q345R、S31703+Q345R)等。

2 非金屬材料

(1)玻璃鋼(FRP=Fiber Reinforced Plastics)即纖維強化塑料，該材料具有質(zhì)輕高強、耐腐蝕性能好、可設(shè)計性能好、工藝性能優(yōu)良等優(yōu)點。玻璃鋼(FRP)的抗拉強度可與鋼材相媲美—因此得名叫玻璃鋼，玻璃鋼制品的拉伸強度可接近，甚至超過碳素鋼。玻璃鋼(FRP)是良好的耐腐材料，對大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的耐腐蝕能力?？筛鶕?jù)需要靈活的設(shè)計出各種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，滿足使用要求，可以使產(chǎn)品有很好的整體性，可以充分選擇材料滿足產(chǎn)品性能。可以根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途及數(shù)量來靈活的選擇成型工藝。

但玻璃鋼(FRP)材料的缺點也很明顯，長期耐溫性能差、彈性模量低、材料老化現(xiàn)象、層間剪切力低等缺點。一般玻璃鋼(FRP)不能在高溫下長期使用，通用不飽和聚酯樹酯玻璃鋼(FRP)在50℃以上強度就明顯下降，一般只在100℃以下使用，通用型環(huán)氧樹脂玻璃鋼(FRP)在60℃以上，強度有明顯下降；玻璃鋼(FRP)的彈性模量約為鋼材的1/10；與其它塑料材質(zhì)一樣，在紫外線、風沙雨雪、化學介質(zhì)的作用容易發(fā)生材料老化、導致材料性能下降；材料層間的剪切強度是靠樹脂來承擔的，所以剪切強度很低。

表1 玻璃鋼材料的物理機械性能

在油脂化工行業(yè)甜水處理過程中對設(shè)備有一定的耐腐蝕性能的要求，由于甜水處理過程中需加入具有腐蝕性酸、堿等物質(zhì)且設(shè)備的尺寸又相對較大，玻璃鋼的材料性能很好的適用了此生產(chǎn)工況。如甜水處理過程的酸處理槽、酸(堿)反應器、甜水儲罐等均需采用玻璃鋼材質(zhì)。

圖1 玻璃鋼(FRP)設(shè)備

(2)聚氯乙烯(PVC)

聚氯乙烯(PVC)是一種工藝成熟、價格低廉的通用塑料；聚氯乙烯可分為硬質(zhì)聚氯乙烯和軟質(zhì)聚氯乙烯。聚氯乙烯的機械強度較高、化學穩(wěn)定性好、對酸、堿的抵抗力強，由于聚氯乙烯分子中含有大量的氯，使其具有良好的阻燃性能；對光、對熱的穩(wěn)定性能差，0℃時變得僵硬，-16℃脆化，長期使用溫度不超過65℃，80～85℃軟化，140℃熔解、170℃分解。

表2 硬質(zhì)聚氯乙烯(PVC)性能

圖2 聚氯乙烯(PVC)管

在油脂化工行業(yè)甜水處理過程中使用的鹽酸(HCl)、三氯化鐵(FeCl3)等物質(zhì)具有強腐蝕性，其生產(chǎn)儲存的設(shè)備、管道、閥門、管件等都應具有強耐腐蝕性，聚氯乙烯(PVC)的材料性能非常適合此生產(chǎn)工況且材料價格低廉。

(3)聚丙烯(PP)

聚丙烯(PP)的具有良好的化學穩(wěn)定性和耐熱性能、易燃燒、在紫外線的作用下易老化等化學特性。聚丙烯(PP)是結(jié)晶性高聚物，具有質(zhì)輕、無毒、無味等特點，而且機械強度高；聚丙烯的密度一般為0.88～0.91g/cm3左右，熔點溫度為164～170℃；聚丙烯是聚烯烴中耐熱最高的一種。

在油脂化工行業(yè)中壓濾機、壓榨機是常用的化工過慮設(shè)備，對濾板的材質(zhì)要求平整度好、機械強度高的特點，，常用的壓濾機就采用聚丙烯(PP)材料制作濾板，很好的滿足了生產(chǎn)工況要求。

圖3 聚丙烯(PP)設(shè)備

3 金屬材料

(1)金屬材料的主要性能包括力學性能、加工工藝性能、物理性能和耐腐蝕性能。

1)力學性能

金屬的力學性能是指材料在外力(或外加能量)的作用下抵抗外力所表現(xiàn)的行為，包括變形和抗力。力學性能主要為強度(屈服強度、抗拉強度)和塑性、硬度、韌性以及使用條件對力學性能的影響。

使用條件對溫度、承載條件對材料力學性能有較大的影響，在油脂化工設(shè)備中溫度相對較低，溫度對材料的力學性能影響有限。

2)加工工藝性能

材料的加工工藝性能是指保證加工質(zhì)量的前提下，加工過程的難易程度。金屬材料的加工分為冷加工和熱加工。冷加工包括沖壓、冷鍛、冷擠壓與機械加工，而熱加工包括鑄造、熱鍛、熱壓、焊接與熱處量。

油脂化工設(shè)備材料的加工藝性能主要指的是熱加工方法-焊接。金屬材料的焊接性能包括焊接性和焊后結(jié)構(gòu)的使用性能。目前常用碳當量Ceq指標評估鋼材的焊接性能。一般認為碳當量Ceq<0.45%的鋼材焊接性能較好；碳當量Ceq>0.6%的鋼材，淬硬傾向強、屬于比較難焊接的材料。由于焊接性的影響因素復雜，評價材料的焊接性能，還可以依據(jù)相關(guān)的標準進行焊接性能試驗。

3)物理性能

金屬材料的物理性能參數(shù)通常是指彈性模量E、密度ρ、熔點Tm、比熱容c、導熱系數(shù)λ、線膨脹系數(shù)α等。

表3 油脂化工常用金屬材料的物理性能表

4)耐腐蝕性能

耐腐蝕性能是材料在使用工藝條件下抵抗腐蝕性介質(zhì)侵蝕的能力。對于均勻腐蝕，通常以腐蝕速率來衡量金屬材料的耐腐蝕性能。常按腐蝕深度三級標準評定金屬的耐均勻腐蝕性能。

表 金屬材料耐均勻腐蝕性能三級標準

(2)油脂化工設(shè)備常選用的金屬材料

1)金屬碳素鋼

在油脂化工設(shè)備中常用的金屬碳素鋼主要為Q235B、Q235C，一般使用在無腐蝕性的的常壓容器，如：原料油脂儲罐、氫氧化鈉儲罐等，由于原料一般均為常壓設(shè)備、對耐腐蝕性無要求故選擇碳鋼材料是經(jīng)濟的、適用的。Q245R、Q345R為壓力容器專用鋼板，主要用在無腐蝕性要求但又有一定的強度要求的中、低壓壓力容器中，如中、低壓蒸汽分汽缸、壓縮空氣、氮氣等壓力容。

2)金屬高合金鋼

在油脂化工設(shè)備中常用的金屬高合金鋼板主要為S30408(304)、S31603(316L)主要用在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境和有衛(wèi)生要求的場合，如介質(zhì)為棕櫚酸、硬脂酸、油酸等場合。對于抗腐蝕性要求更高的場合，如低碳鏈單酸生產(chǎn)過程中蒸餾塔、換熱器等設(shè)備大多采用S31703(317L)材質(zhì)；對于單酸蒸餾過程中的塔內(nèi)件、填料等一般采用抗腐蝕性更好的N08904(904L)材質(zhì)。

3)不銹鋼碳鋼復合板

不銹鋼碳鋼復合板(S31603+Q345R、S31703+ Q345R)這種材料在油脂化工設(shè)備中主要用在壓力高、介質(zhì)有腐蝕性的場合。在高壓力有腐蝕性介質(zhì)的設(shè)備中，若全部采用不銹鋼材質(zhì)制造設(shè)備成本過高；若采用碳素鋼的材質(zhì)材料耐腐蝕性差，不能滿足選材要求；若采用3～6mm不銹鋼與碳素鋼爆炸成型復合而成的不銹鋼碳鋼復合板，即能具有不銹鋼材料的耐腐蝕性能，又可以獲得碳素鋼材料經(jīng)濟性，且能滿足高壓力的強度要求。在油脂化工行業(yè)設(shè)備中水解塔就是采用該種復合材料，水解塔壓力達6.5MPa，溫度為280℃，采用3～5mm的S31603(316L)或31703(317L)與30～60mm(設(shè)備直徑不同，厚度不同)的碳素鋼復合。該復合材料即能滿足設(shè)備的耐腐蝕性要求，又能滿足設(shè)備造價低的要求，是應用在壓力高有腐蝕性介質(zhì)場合的首先材料。

圖4 不銹鋼復合鋼板

4 結(jié)語

油脂化工設(shè)備多種多樣，材料選擇時也應遵循安全、經(jīng)濟、適用的原則。油脂化工設(shè)備腐蝕時均勻腐蝕的現(xiàn)象較少，時常會發(fā)生局部腐蝕，如點腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等。對于局部腐蝕這類型的腐蝕應通過各種相應的試驗方法來判斷材料對這些腐蝕行為的傾向，如某些酸性介質(zhì)場合采用S30408(304)、S31603(316L)等材質(zhì)時需要做晶間腐蝕試驗，以用判斷材料對介質(zhì)的適用性；對于耐磨抗腐要求更高的工況下也可用局部的使用鈦材。