碳酸钠(Na2CO3),又名苏打,俗称纯碱,是最基本的化工原料之一,应用十分广泛。生产纯碱介质中的Na+、Cl-、HCO-3、NH+4、游离氨、氧气等,对碳钢、铸铁材料制成的塔器、管道、流体输送机械(离心泵)等设备具有很强的腐蚀性,导致设备、管道、机械使用寿命短、故障率高、生产现场跑冒滴漏现象频发,给化工生产可持续性带来极大不利。因此选择耐腐蚀性能更高的钛金属材料替代碳钢、铸铁、不锈钢等制造主要设备、管道,近年来在山东海化股份有限公司纯碱厂生产装备进行大范围应用钛材升级改造,取得了很好的成效。
1、钛材在纯碱生产中的应用特性
1.1耐腐蚀性能
碳化塔是纯碱生产中的关键设备,利用气液对流的原理进行质量与热量的传递,以氨盐水吸收二氧化碳,析出NaHCO3结晶,并放出热量。通过对运行十多年的铸铁(HT200)碳化塔解体,发现塔内铸铁笠帽初始厚度30mm已经腐蚀减薄为不足6mm,帽檐分气齿消失,最薄处呈刀刃状。由此可推算出铸铁的腐蚀速率为2.3mm/a。而作为碳化塔下部冷却水箱中的φ63×2、L=2975mm的2496根换热钛管,则光亮如新,管壁厚度未见任何变化。
由此对比可见,金属钛材料在纯碱化工生产中具有极强的抗腐蚀性能。查阅相关资料,得知钛在纯碱化工生产中的年腐蚀率为零,在浓度极高的纯液氨中的腐蚀速率仅为0.0001mm/a。
1.2热传导性能
钛的导热系数为碳钢的1/3~1/4,其热传导性不如碳钢,与不锈钢相近,但综合考虑其特有的高耐腐蚀和使用寿命长、免维护的特性,通过减小钛板壁厚,以降低热阻;利用其较高的表面光洁度,以降低流体边界滞留层厚度等方法,来获得较高的总换热系数,提高换热效率。在纯碱化工生产中被广泛用来制造列管换热器、碳化塔、吸氨塔、蒸氨塔、板式换热器、波纹管列管式换热器等换热冷却设备的换热降温元件。如吸氨塔、碳化塔、蒸氨塔氨气冷凝器等厚度0.5~2mm的换热钛管,0.5~1mm的板式换热器板片。
1.3机械性能
钛的密度较低,约为4510kg/m3,比重较轻,在金属材料中属较轻的金属,是钢的1/2多点。高纯钛具有可塑性,高纯钛的延伸率可达50%~60%,断面收缩率可达70%~80%,
但收缩强度低(即收缩时产生的力度),不宜作结构材料。钛中杂质的存在,对其机械性能影响极大,特别是间隙杂质(氧、氮、碳)可大大提高钛的强度,显著降低其塑性。
钛作为结构材料应用时所具有的良好机械性能,就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。因其比重轻,其比强度位于金属材料之首。综合以上所述,钛所具有的机械性能完全适合制造纯碱化工生产中的各类流体输送泵,碳化塔和蒸氨塔的筛板、笠帽,阀门、管道等设备的构造部件。
1.4实用可靠性
钛金属材料所具备的无可比拟的抗腐蚀性,极大提升了钛质设备、构件的寿命,其使用寿命可达碳钢、铸铁材料寿命的十倍以上。且生产运行平稳,经济效益可观,生产现场跑冒滴漏现象得到了极大缓解,环境污染状况随之改善,取得良好的社会效益。由于钛属于稀有有色金属,价格昂贵。据了解,当前市场工业纯钛板材价格约为14.5万元/t,一次性投入高,但从长远发展和钛材至少50年的使用寿命,以及日常检修、周期性停产大修所投入的人、才、物综合成本来估算,还是具有非常可观的经济效益。
2、钛材在纯碱生产中的应用与推广
2.1案例1
碳化塔结构件—钛笠帽的应用我厂使用的碳化塔为笠帽式异径碳酸化塔,主体材料为灰铸铁(HT200),塔体规格为φ3000/φ3400×29875,由8节冷却水箱、20节塔圈和30个
笠帽组合而成。经过长达十几年的生产运行,导致铸铁笠帽腐蚀减薄破裂,机械性能下降,操作可靠性降低,工艺指标失稳,含Fe2O3次品碱产出量升高。
为了修复并提升碳酸化塔的工艺性能,我厂于2018年开始对碳化塔实施设备更新改造,塔圈主体部件仍继续应用灰铸铁(HT200)材质,其中的笠帽由铸铁(HT200+Cr+Ni)改选应用工业纯钛(TA2)制造。
钛笠帽组成结构、外观形状、安装方式、各部尺寸规格完全遵从原铸铁笠帽的设计,不同的是笠帽构件壁厚变更为16mm,用钛的原平板经过裁切、压轧、组对焊接、人工时效应力消除等机械制造工艺匹配加工成独立部件。我厂现用的钛笠帽外围直径φ3140,帽顶与下盘间距450mm,帽沿四周均匀分布80个分气齿,下盘中心开设一个φ340的气孔,气孔外周围均匀分布8个西瓜子形状的液体流道孔,笠帽上盖与下盘对称分布8块筋板,将上盖与下盘焊接固定连接为一体。部件净重1.075t,较铸铁笠帽3.365t减少2/3多。碳化塔笠帽改用钛材后,部件抗腐蚀能力大大提升,降低了Fe2O3、FeCl3等固体不溶物的生成几率,成品含铁量明显降低,产品质量得到提升;钛金属构件表面的光滑度优于铸铁,表面碳酸盐结疤附着力降低,不易形成结疤,减小了流体流动边界摩擦阻力,流体流动更加顺畅,生产连续性得到一定增强,收到了较好的节能降耗效果。
2.2案例2
热母液桶应用钛材升级改造氨碱法生产纯碱工艺中的热母液桶,是用来储存热母液(主要成分NH4Cl、NaCl、HCO-3、游离氨)的密闭常压容器,介质温度80℃以上。初始设计主体材料采用碳钢,桶内表面内衬乳胶水泥做防护层,以减缓热母液介质对碳钢基体的腐蚀。但由于乳胶水泥防护层材料的配方、用料、施工技术、工艺操作、使用温度等因素制约,防护层大多使用6年左右就出现龟裂现象,导致热母液电解质沿防护层龟裂缝渗入碳钢层形成微电池,产生电化学腐蚀作用,从而由内向外侵蚀碳钢基体,使之发生失效泄漏。
经多方考察、论证、研究,决定推广应用钛材(TA2)制造热母液桶。新的热母液桶属于设备原址更新,设备安装基础承重已经定型,设备规格、外形、构造充分遵循了原设计工艺参数要求,规格为φ7020×8500,有效容积325m3,在保证设备整体机械强度充分富余的情况下,兼顾材料经济性,设计桶底为圆形平底结构,板厚为12mm;桶体呈圆柱形,桶壁第一、二、三钛板厚12mm,高4.5m;第四、五、六钛板厚10mm,高4m;桶顶盖设计为自支承球冠形穹顶结构,板厚8mm,拱高832mm。设备制造采用6×1.5m板幅的钛材原平板经裁切、轧制成形、现场组对拼装、氩气保护焊接、酸洗钝化处理等物理加工化学处理工艺制造成型,设备内外未作任何防护隔离措施。
钛质热母液桶投入生产使用以来,未出现任何腐蚀泄漏现象,稳定了生产的可持续性,杜绝了因泄漏导致的现场污染和中间物料的损耗。
2.3案例3
热母液管道钛材的应用热母液管道主要用来将热母液桶中的热母液通过离心泵加压输送到蒸氨塔预热段,管道的基本工艺参数:流量1500m3/h,工作压力60mH2O(约0.6MPa),介质温度70℃以上,输送距离165m,输送高度56m。
原设计热母液管道采用衬塑钢管和内衬乳胶水泥防护层的的铸铁管,管径DN350,两条管线并联。安装投用三年后,即出现局部腐蚀泄漏,被迫临时停产局部更换。通过检查更换下的故障管节,发现多数为内衬防护层在高温热母液介质高速流动冲刷作用下,老化开裂失效,造成钢基层腐蚀泄漏。
为解决热母液管道泄漏故障和寿命短影响生产稳定运行的弊端,对我厂热母液管实施应用钛管提升改造。根据上述生产工艺参数要求,重新对管道进行测算校核设计,新的热母液输送管道外径为φ480,管壁厚8mm,有效通径φ464,用δ8、板幅6×1.5m的钛板卷制成形,根据现场安装的实际情况法,并兼顾氩弧焊接现场施工的难易程度,采用分段焊接,松套法兰连接方式,管段间的密封应用钛平焊环和耐高温的氯丁橡胶垫片,通过松套法兰的对夹预紧力来实现可靠的密封性能。
热母液钛管的推广应用,充分利用了钛材较高的耐腐蚀性和材料表面光滑度,有效解决了管道的内腐蚀,杜绝物料介质泄漏带来的种种不良影响,降低了流体边界摩擦阻力,稳定了生产的连续可持续,降低了维修费用。
2.4案例4
钛泵、钛阀的应用早在20世纪80年代中期,山东海化股份公司纯碱厂(当时为山东潍坊纯碱厂)建厂时在重碱车间就已经开始使用钛质离心泵,应用30多年来,故障率很低,运行效果良好,年维修频次很少,节约了大量检修维护费用。
纯碱生产中用的阀门种类数量繁多,看似不起眼不重要,但处于生产工艺流程关键部位的切断阀、隔离阀却往往是稳产、高产、安全生产的关键,原先使用铸铁、球铁、碳钢材质的阀门,经常因物料介质化学腐蚀、流体介质物理磨损而出现内漏、外漏故障,造成生产工艺操作难度加大,生产指标失控。为改善这种状况,我厂通过与阀门厂家共同商讨制定改进提升方案,根据工艺介质要求,将阀门提升为钛蝶阀、钛球阀,应用到热母液、热氨盐水、碳化尾气管道上作为根部切断阀、工艺隔离阀使用,通过改造,阀门内外漏彻底根治,密封性能良好,开关灵活便利,降低了工人劳动强度。
3、结语
通过对我厂纯碱生产使用的静置设备、转动设备以及工艺管道推广应用钛材取得的实用效果和积累的宝贵经验看,钛材的应用已趋向成熟,钛材自身具有的无可比拟的耐腐蚀性能,在氨碱法制碱行业中无疑成为一种最理想的金属材料。虽然作为稀有有色金属的钛,价格昂贵,初始投入高,但是钛材制品长达50年的超长寿命,是其他材料难以逾越的优势所在。钛质设备的大量推广应用,不但稳定了生产,提升了产品质量,还改善了生产作业环境,大大减少了检修维护费用。站在企业长久发展的高度上,着眼长达50年的无故障使用过程,应用钛制品所积累的巨大经济效益和社会效益是毋庸置疑的。
参考文献
[1]中昊(大连)化工研究设计院有限公司.纯碱工学(第三版)[M].北京:化学工业出版社,2014.
作者简介:马效军,山东海化股份有限公司纯碱厂设备厂长,中国纯碱工业协会资深专家、特聘讲师,山东省设备管理优秀工作者,山东省设备管理协会化工行业专家。
无相关信息
