磷酸輸送管材的實踐改進與探索

紀波

(貴州開磷集團礦肥有限責任公司,貴州貴陽 550300)

磷酸輸送管材的實踐改進與探索

紀波

(貴州開磷集團礦肥有限責任公司,貴州貴陽 550300)

大型磷復肥生產中腐蝕介質很多,硫酸、磷酸、鹽酸、硝酸、氟硅酸、氟化氫、二氧化硫、三氧化硫等,對這些強腐蝕介質的輸送中,尤其是對磷酸的輸送一直是困擾企業的難題,從上世紀八十年代至今,我們企業本身及制造行業作了大量的改進和探索,取得良好效果,值得推廣借鑒?，F在就磷酸輸送管材的實踐改進情況進行總結分析。

磷酸 管材 實踐 探索

磷復肥裝置的磷酸腐蝕、堵塞是輸送的難題，經過不斷的摸索、實踐和創新，企業當前最經濟、最可靠方式值得行業借鑒推廣。

1 普通塑料及塑料內襯階段

從上世紀八十年代末九十年代初，當時全國最大的磷肥裝置就是100kt/a的重過磷酸鈣，對磷酸的輸送主要采用的是PVC、PP或者普通碳鋼內襯軟PVC、PP，當時的PVC配方中大量填充碳酸鈣，還沒有增強改善韌性、延展性、耐熱性等的添加劑，所以PVC的強度低、脆性大，特別是PVC的焊縫系數只能達到65%，管件焊縫及聯接法蘭焊縫損壞頻繁；PP的焊縫系數、柔韌性比硬PVC強，但焊接對移動速度、熱氣溫度、焊條和焊接零件間的夾角、氣體流速等操作要求高，典型焊接缺陷是假焊，彎曲加工管件十分困難，并且PP的縮短率為1.8～2.5%，季節冷熱交替時跑冒滴漏是難題。90年代中期多采取碳鋼內襯軟PVC、硬PP或PO，內襯軟PVC因熱下垂和翻邊缺陷就無法保證生產，內襯PP內表面平滑度差，成型冷卻后收縮率大，尺寸穩定性差，內襯軟PVC、硬PP在生產上前進了一大步，內襯PO更上一層樓，主要優點是內襯強度高、剛性好使用溫度一般60℃～100℃，用特殊熱融旋轉成型，對金屬有很強粘結力，真空度可達-0.092Mpa，極大限制了其因冷熱變化而引起的收縮和伸長。存在問題是輸送工程中的沉淀結垢、敲打清洗、熱積酸冷卻形成的負壓、反復膨脹收縮影響粘接力等導致內襯層脫離下墜，造成阻力如圖1。

2 美國ASTM標準316L泛濫階段

上世紀九十年代后期，磷復肥行業裝置設計或改造中引進了美國ASTM標準牌號的316L，迅即得到推廣。由于其優越的耐腐蝕性和良好的加工性，在片面追求開機率、搶工期的盲從下，總認為不銹鋼是萬能的，似乎忘記了它的局限性和高昂的成本，主要體現在：

2.1 介質本身對316L具有腐蝕

磷酸屬于還原性的強腐蝕性酸，濕法磷酸的腐蝕性主要取決于酸中的Cl-、F-、SO42-等雜質和固體顆粒的影響，還原性離子如SO42-，F-和Cl-。等能促進磷酸腐蝕，尤其以Cl-的影響最大，磷酸中Cl-的來源是磷礦伴生，CL-存在于細晶磷灰石的結構中，是離子取代現象，但不同礦段和不同礦層的氯離子取代程度不同，所以找不到CL-與P2O5品位之間的嚴格相關性，Cl-能優先地有選擇地吸附在316L鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物，結果在新露出的基底金屬的特定點上生成孔徑為20～30um的小蝕坑，是孔蝕進一步擴大的活性中心。在鈍化電位區域內，CL-與氧化性物質競爭，并且進入薄膜之中，因此產生晶格缺陷，降低了氧化物的電阻率。因此在有CL-存在的環境下，既不容易產生鈍化，也不容易維持鈍化。

世界濕法磷酸生產經驗公認磷礦的含Cl-含量量最高允許為0.04%，靡洛哥、云南、?？诘腃l-含量低，而貴州、湖北礦個別礦層Cl-集中明顯。從Cl-在磷精礦中富集這種特征來看來，要用物理或化學方法分離除去CL-根是十分困難的。

在稀磷酸輸送管道中，使用316L不銹鋼均受到不規則的點狀腐蝕，其表面凸凹不平，這是氟的典型侵蝕結果。

近年來發現碘元素的含量對腐蝕亦有影響口，在0.001%～0.002%的存在下，會使材料耐腐蝕性下降.而在上述離子共同作用下，則加速腐蝕。

2.2 介質流速設計不合理

主要表現在整改取代原材質后摩擦系數不同。一般設計流速為2～3m/s〃當磷酸介質流速很大，本身介質中含有CaSO4.H2O、硅膠等固體顆粒，就產生了腐蝕、磨蝕和“腐蝕+磨蝕”的交互作用，濕法磷酸腐蝕苛刻，影響因素十分復雜，介質流速對不銹鋼腐蝕破壞影響很大.當高速流動的介質足以破壞不銹鋼表面鈍化膜，而損壞的鈍化膜又不能及時修復時，腐蝕速度將隨流速增高明顯增大，當流速超過臨界流速，不銹鋼耐腐蝕性能大大降低甚至失去耐腐蝕穩定性.這就是腐蝕-沖蝕的協同作用和影響。(如圖2a)

2.3 清理、清洗存在問題

輸酸管線在堵塞的情況下，采取人工清理或清洗造成316L管道內壁出現上述的孔蝕、晶間腐蝕磨損后，表面就愈來愈粗糙，清理周期越來越短，垢層附著力原來越大，每一次清理或清洗持續時間會越來越長，頻繁清理和長期敲打，變形嚴重無法滿足輸送流量需求而被更換如圖2b所示。再者，采用濃度8%溫度60～80℃稀硫酸清洗液對管道進行清洗.雖然大大的減輕勞動強度，卻對316L管道造成了遠大于0.5mm/a的嚴重腐蝕。

3 超高分子鋼骨架塑料復合管階段

超高分子鋼骨架塑料復合管是在管壁內用鋼絲網或鋼板孔網增強的塑料復合管的統稱。因為有了高強度鋼絲增強體被包覆在連續熱塑性塑料之中，因此這種復合管克服了鋼管和塑料管各自的缺點，而又保持了鋼管和塑料管各自的優點，用于磷復肥的磷酸輸送甚至長距離高壓輸送，新型鋼絲網骨架塑料復合管的顯著特點：(1)克服了塑料管的快速應力開裂、焊縫系數低現象；(2)具有超過普通純塑料管的強度、剛性、抗沖擊性，類似于鋼管的低線膨脹系數和抗蠕變性等特點；(3)雙面防腐，具有與塑料管相同的防腐性能。(4)內壁光滑，不容易結垢，管道水頭損失比鋼管低30%，即使結垢，可敲打，不變形，易脫落；(5)可通過調整鋼絲直徑，塑料層的厚度等，制造不同壓力等級，以此工藝制造而成的管，2013年按HG/T3690-3691-2012標準，PN2.5、PN4.0的通徑均不超過DN200，因使用壓力和破壞性試驗壓力相差3倍以上，而在企業標準和實際使用中DN200、DN300公稱壓力已達4.5MPa，目前1.0MPa DN700規格在企業使用非常成功。但在生產實踐中存在的兩個突出問題是：

3.1 熱膨脹(或收縮)問題

在輸送稀磷酸、濃磷酸、渣酸、料漿、清洗液等管網中，密封面泄漏點多且頻繁是遇到的第一個頭痛的事，鋼骨架塑料復合管的線性膨脹系數是35.9*10-6(1/℃)，普通碳素鋼的線性膨脹系數是10.6～12.2*10-6(1/℃)，也就是說鋼骨架塑料復合管的管線性膨脹系數是普通碳素鋼線性系數的3～3.4倍，而超高分子聚乙烯管的線性膨脹系數是普通碳素鋼的線性膨脹系數的14～16倍。因鋼絲網或鋼板網孔的存在，大大減少了聚乙烯管的線性膨脹系數，一般情況下鋼骨架塑料復合管是作為柔性管處理熱膨脹及收縮的問題，就是在安裝時盡可能創造彎曲布置的條件，特別是埋地是考慮土壤對管道的摩擦力對熱膨脹或收縮的相互抵消，對于化工廠各類集中布置的大管網，不可能創造彎曲布置條件，只能應采取熱膨脹及收縮的補償辦法來解決，與閥門、罐體、水泵等相連時，采取固定支架。兩固定支架之間直管段應采取滑動(軸向、橫向)支架及膨脹節補償，如圖3。

計算理論熱膨脹(或收縮)按公式：

ΔL=L*a(T2一Tl)

式中：

△L ——長度變化 m；

△L＞0為熱脹；

△L＜0為冷收縮；

a— —管材線膨脹系數，1／℃；

T1——最初溫度，℃：

T2——最終溫度，℃：

L——是T1溫度下管線長度(m)。

3.2 密封面強度的解決

在采取固定支架、滑動支架、橡膠膨脹節補償后，輸送磷酸管道密封面的泄漏問題得到極大的緩解，但是在泄漏緊固過或更換過密封墊的位置，最容易反復泄漏，經過仔細觀察主要原因是鋼骨架復合塑料管聯接方式是金屬活套法蘭聚乙烯密封面翻邊，致命缺點的密封接觸面積小，密封線強度低，重復緊固或緊固力不均，造成密封面破壞，在冬季密封面變硬，密封需要更大的緊固用力，也會造成活翻邊的密封面損壞。為此我們采用金屬密封面代替復合塑料密封面，用40～50MPa液壓擴張內套解決緊固及密封，徹底根治鋼塑翻邊密封面強度低的硬傷。(如圖4)

隨著材料科學的發展，磷復肥行業解決強腐蝕介質的輸送理論上有很多方法能解決，如富礦與含CL-低的磷礦摻混配礦應用；耐CL-的含鎢合金或稀土金屬復合材料；加入鈦和鈮，再配以穩定處理，可以減少晶間腐蝕；氮合金化的第二代、第三代雙相不銹鋼等，應用前景很好，但成本高昂，無行業競爭優勢。綜合比較，目前使用鋼結構增強密封面鋼骨架復合超高分子聚乙烯復合管最經濟、最可靠。

[1]胡一春.《鋼骨架增強塑料復合管的連接與施工》.

[2]歐偉平.《膨脹節管道的設計與安裝》.