輸送氯氣用工業(yè)管道的材質(zhì)選擇

管 慶

(瓦克化學(南京)有限公司，江蘇 南京 210047)

氯氣是工業(yè)中經(jīng)常用到的氣體原料，廣泛應(yīng)用于化學化工、制藥、冶金、電子、環(huán)保等[1, 2]行業(yè)。氯氣屬于有毒氣體且是一種強氧化劑，在工業(yè)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(huán)保事故。管道材質(zhì)的選擇是設(shè)計輸送氯氣用工業(yè)管道(以下簡稱“氯氣管道”)首先必須解決的問題，事關(guān)能否安全、經(jīng)濟、高效的使用氯氣，甚至可能決定整個項目的成敗。

對于氯氣管道材質(zhì)的選擇，一般需要考慮以下四點：①氯氣的化學特性②氯氣的狀態(tài)參數(shù)(干/濕狀態(tài)、溫度、壓力等)③管道的工作環(huán)境(室內(nèi)、室外等)④管道材質(zhì)的經(jīng)濟性

1 氯氣化學特性的影響

氯屬于鹵族元素。氯氣是一種強氧化劑。盡管如此，氯氣本身還是比較穩(wěn)定的。純凈的氯氣在常溫下與金屬鐵不會發(fā)生化學反應(yīng)。正是基于此，工業(yè)上，特別是在氯堿行業(yè)中，碳鋼管道被大規(guī)模的應(yīng)用于低于80 ℃的干氯氣的輸送[3, 4]。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(zhì)還必須可靠及耐用。例如玻璃雖然對氯氣有非常好的耐受性，但由于玻璃管道本身易碎，且管口連接處密封可靠性不高，其耐壓性也有局限，因此一般不建議作為工業(yè)氯氣管道的主材使用。

2 氯氣狀態(tài)參數(shù)的影響

工業(yè)應(yīng)用中，含水量小于0.05%(v/v)的氯氣可稱為干氯氣。反之，則為濕氯氣。對低于80 ℃的干氯氣，碳鋼材質(zhì)(如20#/GB/T9948、16Mn/GB64795[5])管道就能滿足輸送要求。但是對于濕氯氣，由于水和氯氣會在常溫常壓下發(fā)生下列反應(yīng)：

產(chǎn)生氯化氫和具有強氧化性的次氯酸，而氯化氫又極易溶于水生成鹽酸，加之氯氣本身的強氧化性，導(dǎo)致濕氯氣具有極強的腐蝕性，碳鋼、奧氏體及雙相不銹鋼管道皆不適用。在金屬管道中，較常見用于濕氯氣輸送的有鈦管、鈦合金管和哈氏合金管(如Hastelloy C-22)。在條件允許的情況下，更多的是采用非金屬管道輸送濕氯氣。適用于濕氯氣輸送的非金屬管道有很多，比如玻璃、耐酸酚醛塑料[6]、PVC+FRP(PVC外纏FRP)、PVDF、PFA、PFA+PVDF(PVDF襯PFA)、PTFE管道等。除了氯氣的干、濕狀態(tài)，氯氣的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度也會影響管道材料的選擇，例如玻璃管道的最大使用壓力一般不能超過2.0 barg，PVC+FRP管道的使用溫度不宜超過60 ℃。

3 管道工作環(huán)境的影響

在工業(yè)應(yīng)用中，氯氣管道一般會有室內(nèi)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(dǎo)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(yīng)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，同時還必須兼顧水溶液在反應(yīng)前后的具體情況(比如溫度、壓力、pH值等)。

4 管道材質(zhì)的經(jīng)濟性

對于氯氣管道的材質(zhì)選擇，在保證安全可靠的前提下，也應(yīng)考慮到經(jīng)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(chǎn)工藝[7]需要將室外氯氣站的干氯氣通入生產(chǎn)車間內(nèi)反應(yīng)釜中的強酸性熱水溶液中進行反應(yīng)，且最終產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)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(zhì)的特殊性而價格不菲，因此必須考慮采用多種材質(zhì)管線結(jié)合使用的方式，例如可選用碳鋼管道作為氯氣站至生產(chǎn)車間的外管主材，而車間內(nèi)直至反應(yīng)釜附近的管線可選用PVC外纏FRP管道，最后接近反應(yīng)釜直至深入反應(yīng)釜內(nèi)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(jié)合使用，既滿足了氯氣管道的使用要求，又兼顧了經(jīng)濟性。

5 結(jié)語

本文通過具體事例對輸送氯氣用工業(yè)管道的材質(zhì)選擇進行了一般性分析和歸納，并列出了部分適用于氯氣管道的材質(zhì)及其特點供參考(見表1)。由于行業(yè)、生產(chǎn)流程、工藝的不同要求，還應(yīng)本著具體情況具體分析的原則方能找到最適合的氯氣管道材質(zhì)。

表1 輸送氯氣用工業(yè)管道材質(zhì)及特點Tab. 1 Piping Materials And Corresponding Features For Chlorine

(續(xù)表)

附：材料英文縮寫說明

PVC-Polyvinyl chloride, 聚氯乙烯

FRP-Fiber reinforced polymer, 管道上一般指玻璃纖維增強復(fù)合材料, 俗稱玻璃鋼

PFA-Polyfluoroalkoxy,四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物,又稱可溶性聚四氟乙烯

PVDF-Polyvinylidene difluoride, 聚偏二氟乙烯

PTFE-Polytetrafluoroethylene, 聚四氟乙烯