CPVC和PP-H在燒堿裝置中的應用

陳興安　中國成達工程有限公司　成都　610041

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CPVC和PP-H在燒堿裝置中的應用

陳興安中國成達工程有限公司成都610041

摘要簡要介紹燒堿裝置的主要工藝流程、工藝物料特性和氯化聚氯乙烯(CPVC)及均聚聚丙烯(PP-H)管道材料的物理特性；詳細推算CPVC和PP-H管道材料的溫度壓力表，得到CPVC和PP-H管道在燒堿裝置的應用范圍及注意事項。

關鍵詞工藝流程CPVCPP-H性能特點溫度壓力

*陳興安：高級工程師。1997年畢業于南京工業大學化工機械專業。從事化工工程設計及管理工作。聯系電話：(028)65531825，

E-mail：chenxingan@chengda.com。

金屬和合金的腐蝕主要是由于化學或電化學作用引起的破壞，有時還同時伴有機械、物理或生物作用，如應力腐蝕和疲勞腐蝕等。非金屬的破壞一般是由于化學或物理作用引起，如氧化、溶解和溶脹等。金屬腐蝕主要是表面現象，內部腐蝕很少見，而非金屬內部腐蝕則是常見的現象。如果設計考慮不周，非金屬管道比金屬管道更容易在很短的時間內就破壞或斷裂，給業主造成重大的經濟損失，甚至造成責任事故。

氯化聚氯乙烯(以下簡稱CPVC)和均聚聚丙烯(以下簡稱PP-H)等塑料管與傳統金屬管道相比，具有自重輕、耐腐蝕、水流阻力小、節約能源、不導電、改善生活環境、安裝方便等，但其缺點是不耐高溫和高壓，且線膨脹系數大，在工程實際應用中最容易忽視的這點。下面根據其特點介紹CPVC和PP-H塑料管道在燒堿裝置中的應用。

1燒堿裝置主要工藝流程

燒堿裝置主要工藝操作單元：→一次鹽水精制→電解(包括二次鹽水，電解和脫氯)→蒸發及固堿工序→氯氣處理→廢氣處理→氫氣處理→液氯工序→鹽酸合成工序。裝置核心部分是電解工序，該工序主要是電解氯化鈉溶液(NaCl),從而得到電解后的產物氯氣(Cl2)、氫氣(H2)和氫氧化鈉(NaOH)，其化學方程式如下：

2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑

典型工藝流程見圖1。

圖1　燒堿裝置工藝流程

2CPVC和PP-H塑料管道的性能特點

2.1　CPVC

CPVC是聚氯乙烯樹脂后氯化得到的一種獨特聚合物，氯含量為64%～68%，最高達70%以上。隨著樹脂中氯含量的增加，其密度增大，軟化點、耐熱性和阻燃性提高，拉伸強度提高、熔體粘度增大、耐化學腐蝕性優良，在沸水中也不變形，其主要物化數據見表1。

結合上述CPVC主要物化數據與金屬材料和其他一些塑料材料相比，其主要有以下性能特點：① 使用溫度范圍廣：-40~90℃；② 具有良好的強度和韌性；③ 具有良好的耐化學腐蝕性能；④ 阻燃性能為自熄性；⑤ 低熱傳導性能，約為鋼材的1/400；⑥ 管壁平潔光滑：輸送流體時具有較小的摩擦阻力和附著力；⑦ 重量輕：相當于鋼管1/5;⑧ 安裝方便：可采用粘接、螺紋、焊接等方式連接；⑨ 優異的耐老化和抗紫外線性能，正常使用壽命較長。

表1　CPVC管道材料物理及機械性能表

2.2　PP-H

聚丙烯是熱塑性塑料，耐化學腐蝕性優良，除濃硝酸、發煙硫酸、氯磺酸等強氧化性酸外，能耐大多數的有機和無機酸、堿和鹽。對應力腐蝕破裂的抗蝕性良好。常用的聚丙烯有以下三種：① PP-H：均聚丙烯；PP單體為均聚；② PP-B：分段共聚聚丙烯，是由PP-H和PP-R與橡膠形成的兩相或多相丙烯共聚物；③ PP-R：無規則共聚聚丙烯，是丙烯與另一種烯烴單體共聚而成的無規共聚物。燒堿裝置中最常用的是均聚聚丙烯(PP-H)，其主要物化數據見表2。

結合上述PP-H主要物化數據與金屬材料和其他一些塑料材料相比，其主要有以下性能特點：① 使用溫度范圍廣：-10~90℃；② 具有良好的強度和韌性；③ 具有良好的耐化學腐蝕性能；④ 低熱傳導性能，約為鋼材的1/500；⑤ 管壁平潔光滑：輸送流體時具有較小的摩擦阻力和附著力；⑥ 重量輕：相當于鋼管1/7；⑦ 安裝方便：采用熱熔焊接等方式連接；⑧ 優異的耐老化和抗紫外線性能，正常使用壽命較長；⑨ 不導電，沒有電位腐蝕。

3CPVC和PP-H塑料管道的應用

從燒堿裝置的主要工藝流程看，大多數工藝介質是酸、堿和鹽等，如鹽酸、稀硫酸、氫氧化鈉，氯化鈉溶液(鹽水)等，這些工藝介質的腐蝕性特別強，是絕大多數常規金屬不能克服的，但UPVC、CPVC、聚丙烯(PP)、玻璃鋼(FRP)等塑料是耐這類酸堿腐蝕材料較理想的選擇。下面我將根據上述燒堿裝置工藝物料特性和塑料管道材料的特性并結合工程的實際情況來著重談談CPVC和PP-H在燒堿裝置中的應用。

表2　PP-H管道材料物理及機械性能表

非金屬管道在燒堿裝置中的應用非常普遍，技術也很成熟，在以往的工程中也很少出現比較大的問題，但隨著燒堿裝置規模的擴大，個別工程中一些大口徑的管子在溫度和壓力較高的情況下出現了破裂甚至是斷裂的情況，究其原因主要有以下5點：

(1)現行的國家標準和企業標準對非金屬管道尤其是CPVC和PP-H塑料管道沒有一個明確的類似于金屬管道一樣的溫度壓力表。

(2)在以往的設計中對CPVC和PP-H塑料管道的溫度壓力限制重視的程度不夠。

(3)非金屬管道線膨脹系數大的特點對管道熱膨脹造成的影響認識不足。

(4)非金屬管道的質量參差不齊，沒有像金屬管道一樣成熟的檢驗和驗收標準，有些業主為了省錢或把關不嚴，采購一些不合格的產品。

(5)部分施工單位沒有嚴格按照非金屬管道供應商的要求進行施工，施工質量很難達到設計文件和供貨廠商要求的效果。

CPVC管道材料主要應用于精制淡鹽水、鹽酸和濕氯氣等腐蝕性強的介質，PP-H管道材料主要應用于堿液，特別是要求不導電和不帶鐵離子的循環電解堿液。這兩種非金屬材料成功的使用業績我就不在這里多談了，下面重點談的是這兩種非金屬材料線膨脹系數大和所承受的溫度壓力限制對管道設計的影響。

CPVC管道材料的線膨脹系數為7~8×10-5m/(m·k)，約是普通碳鋼的6~7倍，PP-H管道材料的線膨脹系數為16~18×10-5m/(m·k)，約是普通碳鋼的10倍，在做管道應力計算、柔性分析和管道支吊架時應充分考慮到這點。

4管道材料的溫度壓力表

CPVC和PP-H塑料的使用溫度和壓力不僅與管子的壁厚有關，而且與管子的大小和使用年限也有很大關系。下面根據相關的國家標準規范和企業標準分別推算出CPVC和PP-H管道材料的溫度壓力表，以便于在今后的設計文件中借鑒和參考。

4.1　CPVC

CPVC管道材料的溫度壓力表的計算過程。

(1)CPVC管子材料的溫度壓力表計算公式：

(1)

式中，T為絕對溫度，K；t為破壞時間，h；σ為靜液壓力，MPa。

其中：

(2)

式中，P為管材所受內壓，MPa；dem為管材的平均外徑，mm；emin：管材的最小壁厚，mm。

另外

(3)

式中，S為一個與公稱外徑和公稱壁厚有關的無量綱數值；dn為公稱外徑，mm；en為公稱壁厚，mm。

由于管子公稱壁厚允許的偏差都是正偏差，

所以

可以簡化為:

σ=PS

(4)

在一個實際的工程設計中，S和t(根據設計壽命確定)都可認為是恒定值，根據式(1)可以推算出T和P的函數關系。

(5)

下面舉例來推算一下T和P的函數關系。

假使淡鹽水介質溫度為85℃(358K)，管子系列S為5，使用年限為5年(每年按8000h計)，推算出其所承受的壓力。

由式(5)所得：

從而得到：

σ=5.82MPa

由式(4)所得：

安全系數取2，得：

式中，P1為介質的設計壓力，MPa。

(2)CPVC管件材料的溫度壓力計算公式：

(6)

計算出介質的設計壓力P1為0.37MPa。

根據式(5)和式(6)的計算結果，同樣規格的管件比管子承受的壓力低，按上述計算方法可計算出1~20年的CPVC管道材料溫壓表(以管件為準)，現只列出5年、10年的溫壓表，分別見表3和表4。

上述CPVC管道材料溫壓表的計算結果表明，當介質的溫度超過60℃時，管道所承受的壓力急劇下降，當溫度達到90℃時，管道所承受的壓力僅僅只有2.4kg/cm2。

表3　CPVC管道材料溫壓表(設計壽命為5年)

表4　CPVC管道材料溫壓表(設計壽命為10年)

4.2　PP-H

PP-H管道材料溫度壓力表的計算過程。

PP-H管子材料的溫度壓力計算公式：

(7)

式中，T為絕對溫度，K;t為破壞時間，h;σ為靜液壓力，MPa。

其中：

(8)

式中，P為管材所受內壓，MPa;dem為管材的平均外徑，mm;emin為管材的最小壁厚，mm。

另外

(9)

式中，S為一個與公稱外徑和公稱壁厚有關的無量綱數值；dn為公稱外徑，mm；en為公稱壁厚，mm。

由于管子公稱壁厚允許的偏差都是正偏差。

所以

可以簡化：

σ=PS

(10)

在一個實際的工程設計中，S和t(根據設計壽命確定)都可認為是恒定值，根據式(7)可以推算出T和P的函數關系。

(11)

下面舉例來推算一下T和P的函數關系。

假使循環電解液介質操作溫度為88℃(361K)，管子系列S為5，使用年限為5年(每年按8000h計)，推算出其所承受的壓力。

由式(11)所得：

從而得到：

σ=2.62 MPa

由式(10)所得：

安全系數取C=2，得

式中,P1為介質的設計壓力，MPa。

按上述計算方法可計算出1-20年的PP-H管道材料溫壓表。現只列出5年、10年的溫壓表，分別見表5和表6。

上述PP-H管道材料溫壓表的計算結果表明，當介質的溫度超過60℃時，管道所承受的壓力急劇下降，當溫度達到90℃時，管道所承受的壓力僅僅只有2.4kg/cm2。

表5　PP-H管道材料溫壓表(設計壽命為5年)

表6　PP-H管道材料溫壓表(設計壽命為10年)

4.3　結果分析

根據上述燒堿工藝流程的主要物料特性、CPVC及PP-H管道材料的性能特點和CPVC及PP-H管道材料溫度壓力關系的計算結果，可以得出以下結論：

4.3.1鹽酸系統

鹽酸系統中的高純鹽酸和成品鹽酸的操作溫度≤45℃，操作壓力≤0.4MPa,且對常用的碳鋼和不銹鋼的腐蝕性特強，根據安全、經濟和產品潔凈度的要求，可選用CPVC管道材料。

4.3.2二次鹽水系統

操作溫度約為87℃，操作壓力≤0.2MPa的二次鹽水用CPVC管道材料是比較理想的材料，使用壽命可以達10年以上。但操作溫度約為87℃，操作

壓力>0.2MPa的二次鹽水(具體的說就是淡鹽水循環泵后的淡鹽水)用純CPVC管道是不合適的，最好外包FRP加強，且其所承受的溫度壓力要經過詳細的核算，否則最好選用鈦材等其它金屬材料。

4.3.3濕氯氣系統

燒堿裝置中的濕氯氣的操作溫度為88℃，操作壓力≤0.2MPa，且對常用的碳鋼和不銹鋼的腐蝕性特強，根據安全和經濟的原則，可選用CPVC材料。

4.3.4循環堿液系統

循環堿液系統的循環堿液的操作溫度約為88℃，堿液循環泵前操作壓力≤0.15MPa，堿液循環泵后操作壓力≥0.4MPa。根據PP-H管道材料的溫壓表判定，泵前選用PP-H材料是比較理想的材料，泵后選擇PP-H材料不是很合適，如果電解工藝專利商沒有強調一定要用非金屬，設計一般選用310S不銹鋼或鎳材。如果電解工藝專利商從安全角度和膜的壽命的角度要求一定要用非金屬管道，設計可選用PP-H/FRP管道，但其所承受的溫度壓力一定要經過詳細的核實。

5結語

總之，設計選用CPVC和PP-H等非金屬材料時，一定要把非金屬管道材料的壁厚系列(S)和溫度壓力表體現在設計文件中，在做管道應力、管道柔性分析和做管道支吊架時要充分考慮到非金屬材料與金屬材料相比其線膨脹系數大的特點，同時，要求施工質量滿足設計文件或制造廠商的要求。避免非金屬管道出現斷裂或爆管造成的重大經濟損失或安全責任事故。

參考文獻

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4GB/T 18998.3-2003,工業用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管道系統，第3部分：管件[S].

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6趙啟輝，左壽華，劉志偉編著.工業常用塑料管道設計手冊[M].中國標準出版社，2008.

(收稿日期2015-10-10)