碳酸鈉(Na₂CO₃),又名蘇打,俗稱純堿,是最基本的化工原料之一,應(yīng)用十分廣泛。生產(chǎn)純堿介質(zhì)中的Na⁺、Cl^-、HCO^-₃、NH⁺₄、游離氨、氧氣等,對(duì)碳鋼、鑄鐵材料制成的塔器、管道、流體輸送機(jī)械(離心泵)等設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性,導(dǎo)致設(shè)備、管道、機(jī)械使用壽命短、故障率高、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)跑冒滴漏現(xiàn)象頻發(fā),給化工生產(chǎn)可持續(xù)性帶來(lái)極大不利。因此選擇耐腐蝕性能更高的鈦金屬材料替代碳鋼、鑄鐵、不銹鋼等制造主要設(shè)備、管道,近年來(lái)在山東海化股份有限公司純堿廠生產(chǎn)裝備進(jìn)行大范圍應(yīng)用鈦材升級(jí)改造,取得了很好的成效。

1、鈦材在純堿生產(chǎn)中的應(yīng)用特性

1.1耐腐蝕性能

碳化塔是純堿生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,利用氣液對(duì)流的原理進(jìn)行質(zhì)量與熱量的傳遞,以氨鹽水吸收二氧化碳,析出NaHCO₃結(jié)晶,并放出熱量。通過(guò)對(duì)運(yùn)行十多年的鑄鐵(HT200)碳化塔解體,發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)鑄鐵笠帽初始厚度30mm已經(jīng)腐蝕減薄為不足6mm,帽檐分氣齒消失,最薄處呈刀刃狀。由此可推算出鑄鐵的腐蝕速率為2.3mm/a。而作為碳化塔下部冷卻水箱中的φ63×2、L=2975mm的2496根換熱鈦管,則光亮如新,管壁厚度未見任何變化。

由此對(duì)比可見,金屬鈦材料在純堿化工生產(chǎn)中具有極強(qiáng)的抗腐蝕性能。查閱相關(guān)資料,得知鈦在純堿化工生產(chǎn)中的年腐蝕率為零,在濃度極高的純液氨中的腐蝕速率僅為0.0001mm/a。

1.2熱傳導(dǎo)性能

鈦的導(dǎo)熱系數(shù)為碳鋼的1/3~1/4,其熱傳導(dǎo)性不如碳鋼,與不銹鋼相近,但綜合考慮其特有的高耐腐蝕和使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)的特性,通過(guò)減小鈦板壁厚,以降低熱阻;利用其較高的表面光潔度,以降低流體邊界滯留層厚度等方法,來(lái)獲得較高的總換熱系數(shù),提高換熱效率。在純堿化工生產(chǎn)中被廣泛用來(lái)制造列管換熱器、碳化塔、吸氨塔、蒸氨塔、板式換熱器、波紋管列管式換熱器等換熱冷卻設(shè)備的換熱降溫元件。如吸氨塔、碳化塔、蒸氨塔氨氣冷凝器等厚度0.5~2mm的換熱鈦管,0.5~1mm的板式換熱器板片。

1.3機(jī)械性能

鈦的密度較低,約為4510kg/m³,比重較輕,在金屬材料中屬較輕的金屬,是鋼的1/2多點(diǎn)。高純鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達(dá)50%~60%,斷面收縮率可達(dá)70%~80%,

但收縮強(qiáng)度低(即收縮時(shí)產(chǎn)生的力度),不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦中雜質(zhì)的存在,對(duì)其機(jī)械性能影響極大,特別是間隙雜質(zhì)(氧、氮、碳)可大大提高鈦的強(qiáng)度,顯著降低其塑性。

鈦?zhàn)鳛榻Y(jié)構(gòu)材料應(yīng)用時(shí)所具有的良好機(jī)械性能,就是通過(guò)嚴(yán)格控制其中適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量和添加合金元素而達(dá)到的。因其比重輕,其比強(qiáng)度位于金屬材料之首。綜合以上所述,鈦所具有的機(jī)械性能完全適合制造純堿化工生產(chǎn)中的各類流體輸送泵,碳化塔和蒸氨塔的篩板、笠帽,閥門、管道等設(shè)備的構(gòu)造部件。

1.4實(shí)用可靠性

鈦金屬材料所具備的無(wú)可比擬的抗腐蝕性,極大提升了鈦質(zhì)設(shè)備、構(gòu)件的壽命,其使用壽命可達(dá)碳鋼、鑄鐵材料壽命的十倍以上。且生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn),經(jīng)濟(jì)效益可觀,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)跑冒滴漏現(xiàn)象得到了極大緩解,環(huán)境污染狀況隨之改善,取得良好的社會(huì)效益。由于鈦屬于稀有有色金屬,價(jià)格昂貴。據(jù)了解,當(dāng)前市場(chǎng)工業(yè)純鈦板材價(jià)格約為14.5萬(wàn)元/t,一次性投入高,但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和鈦材至少50年的使用壽命,以及日常檢修、周期性停產(chǎn)大修所投入的人、才、物綜合成本來(lái)估算,還是具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

2、鈦材在純堿生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣

2.1案例1

碳化塔結(jié)構(gòu)件—鈦笠帽的應(yīng)用我廠使用的碳化塔為笠帽式異徑碳酸化塔,主體材料為灰鑄鐵(HT200),塔體規(guī)格為φ3000/φ3400×29875,由8節(jié)冷卻水箱、20節(jié)塔圈和30個(gè) 笠帽組合而成。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十幾年的生產(chǎn)運(yùn)行,導(dǎo)致鑄鐵笠帽腐蝕減薄破裂,機(jī)械性能下降,操作可靠性降低,工藝指標(biāo)失穩(wěn),含F(xiàn)e₂O₃次品堿產(chǎn)出量升高。

為了修復(fù)并提升碳酸化塔的工藝性能,我廠于2018年開始對(duì)碳化塔實(shí)施設(shè)備更新改造,塔圈主體部件仍繼續(xù)應(yīng)用灰鑄鐵(HT200)材質(zhì),其中的笠帽由鑄鐵(HT200+Cr+Ni)改選應(yīng)用工業(yè)純鈦(TA2)制造。

鈦笠帽組成結(jié)構(gòu)、外觀形狀、安裝方式、各部尺寸規(guī)格完全遵從原鑄鐵笠帽的設(shè)計(jì),不同的是笠帽構(gòu)件壁厚變更為16mm,用鈦的原平板經(jīng)過(guò)裁切、壓軋、組對(duì)焊接、人工時(shí)效應(yīng)力消除等機(jī)械制造工藝匹配加工成獨(dú)立部件。我廠現(xiàn)用的鈦笠帽外圍直徑φ3140,帽頂與下盤間距450mm,帽沿四周均勻分布80個(gè)分氣齒,下盤中心開設(shè)一個(gè)φ340的氣孔,氣孔外周圍均勻分布8個(gè)西瓜子形狀的液體流道孔,笠帽上蓋與下盤對(duì)稱分布8塊筋板,將上蓋與下盤焊接固定連接為一體。部件凈重1.075t,較鑄鐵笠帽3.365t減少2/3多。碳化塔笠帽改用鈦材后,部件抗腐蝕能力大大提升,降低了Fe2O3、FeCl3等固體不溶物的生成幾率,成品含鐵量明顯降低,產(chǎn)品質(zhì)量得到提升;鈦金屬構(gòu)件表面的光滑度優(yōu)于鑄鐵,表面碳酸鹽結(jié)疤附著力降低,不易形成結(jié)疤,減小了流體流動(dòng)邊界摩擦阻力,流體流動(dòng)更加順暢,生產(chǎn)連續(xù)性得到一定增強(qiáng),收到了較好的節(jié)能降耗效果。

2.2案例2

熱母液桶應(yīng)用鈦材升級(jí)改造氨堿法生產(chǎn)純堿工藝中的熱母液桶,是用來(lái)儲(chǔ)存熱母液(主要成分NH4Cl、NaCl、HCO-3、游離氨)的密閉常壓容器,介質(zhì)溫度80℃以上。初始設(shè)計(jì)主體材料采用碳鋼,桶內(nèi)表面內(nèi)襯乳膠水泥做防護(hù)層,以減緩熱母液介質(zhì)對(duì)碳鋼基體的腐蝕。但由于乳膠水泥防護(hù)層材料的配方、用料、施工技術(shù)、工藝操作、使用溫度等因素制約,防護(hù)層大多使用6年左右就出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象,導(dǎo)致熱母液電解質(zhì)沿防護(hù)層龜裂縫滲入碳鋼層形成微電池,產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕作用,從而由內(nèi)向外侵蝕碳鋼基體,使之發(fā)生失效泄漏。

經(jīng)多方考察、論證、研究,決定推廣應(yīng)用鈦材(TA2)制造熱母液桶。新的熱母液桶屬于設(shè)備原址更新,設(shè)備安裝基礎(chǔ)承重已經(jīng)定型,設(shè)備規(guī)格、外形、構(gòu)造充分遵循了原設(shè)計(jì)工藝參數(shù)要求,規(guī)格為φ7020×8500,有效容積325m3,在保證設(shè)備整體機(jī)械強(qiáng)度充分富余的情況下,兼顧材料經(jīng)濟(jì)性,設(shè)計(jì)桶底為圓形平底結(jié)構(gòu),板厚為12mm;桶體呈圓柱形,桶壁第一、二、三鈦板厚12mm,高4.5m;第四、五、六鈦板厚10mm,高4m;桶頂蓋設(shè)計(jì)為自支承球冠形穹頂結(jié)構(gòu),板厚8mm,拱高832mm。設(shè)備制造采用6×1.5m板幅的鈦材原平板經(jīng)裁切、軋制成形、現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)拼裝、氬氣保護(hù)焊接、酸洗鈍化處理等物理加工化學(xué)處理工藝制造成型,設(shè)備內(nèi)外未作任何防護(hù)隔離措施。

鈦質(zhì)熱母液桶投入生產(chǎn)使用以來(lái),未出現(xiàn)任何腐蝕泄漏現(xiàn)象,穩(wěn)定了生產(chǎn)的可持續(xù)性,杜絕了因泄漏導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)污染和中間物料的損耗。

2.3案例3

熱母液管道鈦材的應(yīng)用熱母液管道主要用來(lái)將熱母液桶中的熱母液通過(guò)離心泵加壓輸送到蒸氨塔預(yù)熱段,管道的基本工藝參數(shù):流量1500m3/h,工作壓力60mH2O(約0.6MPa),介質(zhì)溫度70℃以上,輸送距離165m,輸送高度56m。

原設(shè)計(jì)熱母液管道采用襯塑鋼管和內(nèi)襯乳膠水泥防護(hù)層的的鑄鐵管,管徑DN350,兩條管線并聯(lián)。安裝投用三年后,即出現(xiàn)局部腐蝕泄漏,被迫臨時(shí)停產(chǎn)局部更換。通過(guò)檢查更換下的故障管節(jié),發(fā)現(xiàn)多數(shù)為內(nèi)襯防護(hù)層在高溫?zé)崮敢航橘|(zhì)高速流動(dòng)沖刷作用下,老化開裂失效,造成鋼基層腐蝕泄漏。

為解決熱母液管道泄漏故障和壽命短影響生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的弊端,對(duì)我廠熱母液管實(shí)施應(yīng)用鈦管提升改造。根據(jù)上述生產(chǎn)工藝參數(shù)要求,重新對(duì)管道進(jìn)行測(cè)算校核設(shè)計(jì),新的熱母液輸送管道外徑為φ480,管壁厚8mm,有效通徑φ464,用δ8、板幅6×1.5m的鈦板卷制成形,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際情況法,并兼顧氬弧焊接現(xiàn)場(chǎng)施工的難易程度,采用分段焊接,松套法蘭連接方式,管段間的密封應(yīng)用鈦平焊環(huán)和耐高溫的氯丁橡膠墊片,通過(guò)松套法蘭的對(duì)夾預(yù)緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的密封性能。

熱母液鈦管的推廣應(yīng)用,充分利用了鈦材較高的耐腐蝕性和材料表面光滑度,有效解決了管道的內(nèi)腐蝕,杜絕物料介質(zhì)泄漏帶來(lái)的種種不良影響,降低了流體邊界摩擦阻力,穩(wěn)定了生產(chǎn)的連續(xù)可持續(xù),降低了維修費(fèi)用。

2.4案例4

鈦泵、鈦閥的應(yīng)用早在20世紀(jì)80年代中期,山東?；煞莨炯儔A廠(當(dāng)時(shí)為山東濰坊純堿廠)建廠時(shí)在重堿車間就已經(jīng)開始使用鈦質(zhì)離心泵,應(yīng)用30多年來(lái),故障率很低,運(yùn)行效果良好,年維修頻次很少,節(jié)約了大量檢修維護(hù)費(fèi)用。

純堿生產(chǎn)中用的閥門種類數(shù)量繁多,看似不起眼不重要,但處于生產(chǎn)工藝流程關(guān)鍵部位的切斷閥、隔離閥卻往往是穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,原先使用鑄鐵、球鐵、碳鋼材質(zhì)的閥門,經(jīng)常因物料介質(zhì)化學(xué)腐蝕、流體介質(zhì)物理磨損而出現(xiàn)內(nèi)漏、外漏故障,造成生產(chǎn)工藝操作難度加大,生產(chǎn)指標(biāo)失控。為改善這種狀況,我廠通過(guò)與閥門廠家共同商討制定改進(jìn)提升方案,根據(jù)工藝介質(zhì)要求,將閥門提升為鈦蝶閥、鈦球閥,應(yīng)用到熱母液、熱氨鹽水、碳化尾氣管道上作為根部切斷閥、工藝隔離閥使用,通過(guò)改造,閥門內(nèi)外漏徹底根治,密封性能良好,開關(guān)靈活便利,降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

3、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)我廠純堿生產(chǎn)使用的靜置設(shè)備、轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備以及工藝管道推廣應(yīng)用鈦材取得的實(shí)用效果和積累的寶貴經(jīng)驗(yàn)看,鈦材的應(yīng)用已趨向成熟,鈦材自身具有的無(wú)可比擬的耐腐蝕性能,在氨堿法制堿行業(yè)中無(wú)疑成為一種最理想的金屬材料。雖然作為稀有有色金屬的鈦,價(jià)格昂貴,初始投入高,但是鈦材制品長(zhǎng)達(dá)50年的超長(zhǎng)壽命,是其他材料難以逾越的優(yōu)勢(shì)所在。鈦質(zhì)設(shè)備的大量推廣應(yīng)用,不但穩(wěn)定了生產(chǎn),提升了產(chǎn)品質(zhì)量,還改善了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境,大大減少了檢修維護(hù)費(fèi)用。站在企業(yè)長(zhǎng)久發(fā)展的高度上,著眼長(zhǎng)達(dá)50年的無(wú)故障使用過(guò)程,應(yīng)用鈦制品所積累的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是毋庸置疑的。

參考文獻(xiàn)

[1]中昊(大連)化工研究設(shè)計(jì)院有限公司.純堿工學(xué)(第三版)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

作者簡(jiǎn)介:馬效軍,山東?；煞萦邢薰炯儔A廠設(shè)備廠長(zhǎng),中國(guó)純堿工業(yè)協(xié)會(huì)資深專家、特聘講師,山東省設(shè)備管理優(yōu)秀工作者,山東省設(shè)備管理協(xié)會(huì)化工行業(yè)專家。