耐腐蝕設備泄漏分析

任夫健，凌永社

(防化研究院，北京102205)

鋼襯聚四氟乙烯(F4)和石墨材質是化工上常見的兩種耐腐蝕性最好的材質，以之加工的設備，通常不會發生腐蝕泄漏，如發生泄漏，十之八九是設計、加工和使用不當造成的。

聚四氟乙烯，俗稱塑料王，除熔融金屬鈉和液氟外，能耐其它一切化學介質的腐蝕。耐熱性、耐磨性良好。耐氣候、耐老化性極好，不吸水、不粘、不燃。電絕緣性能優異，對光輻射有很高的反射率?？谷渥冃圆?，連續載荷作用下易發生塑性形變(冷流)，回彈性差，彎曲強度和壓縮強度低。在化工上常用作重防腐設備的襯里，加工方式以松襯為主［1］，即采用F4料帶纏繞在模具上，燒結成型，以松襯方式襯裝在鋼殼內壁。在襯裝時為方便排出F4襯里與鋼殼之間縫隙內的空氣，事先在鋼殼上打若干小孔。鋼襯F4設備連接方式為法蘭，F4翻邊作密封面。常見的鋼襯F4設備有容器類、塔器類等。

石墨，具有良好的導熱、抗腐蝕、耐輻射、耐高低溫等特點，呈黑色，有金屬光澤，具有良好的潤滑性，性脆，強度較低。常用于制作換熱器［2］。石墨換熱器是將石墨用酚醛樹脂等浸漬使成不透性，然后做成管狀、板狀或塊狀。石墨設備為防止磕碰，常帶有碳鋼外殼。石墨設備連接方式為法蘭連接，密封面為石墨管的端面，其凸出碳鋼法蘭平面少許。

某廠磷酰鹵車間精餾工段發生泄漏的裝置，選用非標的鋼襯F4設備和標準的石墨設備等組裝成生產裝置，在生產過程中，發現了內漏——隱形泄漏［3］，好像是腐蝕引起，但理論與實踐經驗表明，所選設備材質耐磷酰鹵腐蝕，不會發生腐蝕泄漏。經調查、分析，發現為非腐蝕因素引起的泄漏。

1 工藝裝置

工藝裝置，由精餾釜、精餾塔、冷凝器、產品罐和干燥罐組成(見圖1)。精餾釜材質為哈氏合金;精餾塔和產品罐材質為鋼襯F4，精餾塔內裝石墨拉西環填料;冷凝器材質為石墨;干燥器為碳鋼，內裝無水氯化鈣干燥劑。其中，除冷凝器為標準的圓塊孔式石墨換熱器外，其它均為非標設備。常壓、間歇操作。

將一批物料一次性加入精餾釜，調節精餾釜夾套蒸汽壓力加熱物料，上升物料蒸氣通過精餾塔分離，塔頂物料蒸氣經冷凝器冷凝，冷凝液開始全回流返回精餾塔頂，待穩定一段時間后，部分回流，部分采出放入產品罐。

在操作過程中，加熱蒸氣壓力由PI01壓力表監視，精餾釜溫與精餾塔頂溫分別由TIO1和TI02兩個熱電阻測溫計監視，回流流量由FI01轉子流量計監視，產品罐液位由LI01頂裝式液位計監視。

2 泄漏現象

在某批物料精餾過程中，產品罐液位顯示采出產品遠未達到應有的數量，但是精餾釜溫度業已超出正常的溫度范圍，而塔頂溫度逐漸降低。檢查冷凝器冷凍鹽水，未見異常;檢查干燥器放空管道上閥的狀態，未見異常;校核產品罐已接受產品，確認遠未達正常數量。在此情況下，懷疑冷凝器發生了內漏——隱形泄漏。為了驗證判斷結果，關閉精餾釜夾套加熱蒸汽閥，關閉采出產品閥，實施全回流，發現精餾釜釜溫和塔頂溫在逐漸降低，但“回流”一直存在，且回流流量似乎保持穩定的數值，關閉冷凍鹽水進出閥，流量才降至零。至此，確認冷凝器發生了內漏，冷凍鹽水混入物料體系，通過轉子流量計進入精餾塔內。磷酰鹵遇水極易水解，放出大量的熱，生成高沸點的磷酸和鹵化氫，后者通過干燥器放空管路逸出，磷酸難以蒸出留在精餾釜內。在精餾過程中發生冷凍鹽水內漏進入精餾塔，由于鹽水溫度低，故塔頂溫度降低;由于精餾釜在不斷地加熱且磷酰氯水解放熱，故出現精餾釜溫偏高的異常現象。

圖1 精餾工藝流程Fig．1 Distillation process

在某批物料精餾過程中，發現產品罐底部的地面上有少許液體，進一步檢查發現該液體是從產品罐鋼殼上的小孔泄漏出的產品。顯然，F4襯里發生了泄漏，產品進入F4與鋼殼之間的縫隙，進而從排氣孔漏出。

3 原因分析

將石墨冷凝器拆開檢查，發現頂部物料蒸汽進口法蘭密封面處有裂紋，裂紋向縱深延伸。發生破裂的原因經分析有三:(1)在安裝時，所連物料蒸汽接管法蘭密封擰緊力太大，直接將法蘭的石墨密封面擠壓近乎破裂;(2)在使用過程中，由于物料蒸汽進料管較熱，發生熱膨脹，管路上又無波紋膨脹節等應力消除設施，產生應力擠壓石墨法蘭密封面加劇其破裂;(3)冷凍鹽水壓力不穩，如壓力提高超過石墨冷凝器所能承受的壓力，也可能造成石墨接管破裂。石墨冷凝器管程高溫流體(物料介質)為常壓，殼程低溫流體(冷凍鹽水)壓力為0.2～0.3 MPa，管程壓力小于殼程壓力，故在石墨接管破裂向縱深延伸后，殼程鹽水漏入管程物料體系中。

鋼襯F4設備因設備襯里是用F4料帶壓半圈纏繞燒結而成的，為一整體，通常不會發生泄漏，如有泄漏百分之百發生在設備襯里與接管襯里焊接處，因F4的焊接性能較差，焊接處無疑是最薄弱部位。產品罐發生了泄漏，因只有底部和頂部有接管，在泄漏發生時并未盛滿產品，故判定是下出口接管襯里與設備襯里焊接處發生了泄漏。拆開檢查，發現下接管襯里在設備襯里上的翻邊處，有60°角稍微翹起，用水試驗確認該翻邊翹起處就是泄漏源。產品罐在使用過程中發生泄漏，顯然跟使用的關系極大。產品經由石墨冷凝器冷凍鹽水冷凝冷卻后直接進入產品罐，由于冷凍鹽水溫度很低，致使產品溫度也較低，進入產品罐后接觸F4襯里致其發生冷流蠕變。間歇操作，在一批物料放出后，襯里恢復常溫，原先冷縮的襯里又發生熱漲，但回彈性差，恢復不到原來的狀態。熱壓焊將接管襯里與設備襯里簡單地疊加壓合在一起，在受到冷熱溫度沖擊產生熱脹冷縮應力反復撕裂襯里焊接處，久之難免發生泄漏。

4 預防措施

石墨性脆，易發生破裂，應像對待玻璃設備一樣對待石墨設備。石墨設備接管法蘭墊片不要選擇硬質的金屬、F4或F4夾層的石棉墊片，宜選用軟質的橡膠墊片或橡膠外纏繞F4生料帶的墊片;在用螺栓緊固時，要使各方位受力均勻，最好用帶有扭矩顯示的扳手擰緊，尤其要注意擰緊力不能太大，以免擠碎密封的法蘭面;在可能有熱應力的管道上設置波形膨脹節;如冷凍鹽水壓力波動范圍較大，超過石墨設備的設計壓力，可在鹽水進口管道上設置減壓閥。

F4設備的特點是難于焊接，不便加工。在設計鋼襯F4設備時，應盡量減少接管，尤其是設備底部接管，以減少焊接;在加工時，如接管襯里與設備襯里之間采用熱壓焊，應注意焊接部位受熱受壓要均勻，為確保焊接牢固，再在焊縫處用具有良好熱塑性的可溶性聚四氟乙烯樹脂(四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚共聚物，簡稱PFA)焊接予以加強;在使用時盡量避免壓力、溫度大幅變化，以防產生應力，撕裂焊接處等薄弱部位。鋼襯F4產品罐，如果采用頂部插底管出料，如果襯里焊接方式采用PFA輔助熱壓焊，如果石墨冷凝器冷媒改用室溫的自來水，相信不會發生泄漏事故。

5 結語

設備的耐腐蝕性能固然與設備的材質有關，但也與設計、加工有關，更與使用有關，對于已加工好的設備，在使用過程中要根據設備的特點嚴加注意，防止由于使用不當發生非腐蝕泄漏。

對于易水解強放熱的化學介質，由于隱形泄漏是逐漸進行的且泄漏量往往不大，一般不會出現溫度急劇升高的失控現象，如果系統為常壓操作，一定要有良好的放空，這樣可確保不會發生爆炸事故。

［1］ 任夫健.鋼襯聚四氟乙烯設備的加工、設計與應用［J］.工程塑料應用，2001，29(5):19-21．

［2］ 化學工業部設備設計技術中心站.化工設備標準手冊(第五卷)，非金屬化工設備與零部件(第二冊)，石墨及其他［D］.北京:化學工業出版社，1987:1．

［3］ 任夫健，凌永社.危險化學品生產過程中隱形泄漏的判定［C］//公共安全中的化學問題研究進展(第二卷).蓬萊:中國人民公安大學出版社，2011:36-39．