襯里設備內構件的選材與防腐

梅宇光

(中藍連海設計研究院上海分院，上海 201204)

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襯里設備內構件的選材與防腐

梅宇光

(中藍連海設計研究院上海分院，上海 201204)

襯里是設備最有效的防腐蝕措施之一，然而襯里施工對設備結構要求很高，當設備內構件結構不便于襯里施工時，其選材及防腐成為整個設備穩定運行的關鍵問題。通過分析案例內構件的失效原因，結合實際工況條件，對選擇的材料進行分析及方案比選，提出了解決方法，即耐蝕金屬材料與襯里工藝相結合，內構件采用襯里工藝，設備內緊固件材料采用耐腐蝕的鋯合金。該方案不但解決了材料的防腐問題、剛度問題，而且維修時間縮短2/3，造價降低約64%，大大降低了維修的時間成本和經濟成本。

襯里設備 選材 鋯合金

化工生產中為了將原料加工成一定規格的成品，往往需要經過原料預處理、化學反應以及反應產物的分離和精制等一系列化工過程，實現這些過程所用的機械，統稱為化工設備。設備中的化工原料如果具有腐蝕性，則化工設備需要從材料抗腐蝕、使用防腐涂料、使用緩蝕劑或采用襯里層防腐等方面進行設備防腐[1-2]。其中，襯里設備過流面采用襯里層蔽覆，隔絕了鋼鐵金屬與強腐蝕性介質的直接接觸。通過襯層材料的變化，襯里設備可以適應較多腐蝕性介質[3-4]，因而得到迅速的發展。

設備襯里的施工執行HG/T 20678—2000 《襯里鋼殼設計技術規定》：襯里鋼殼的結構和形狀應盡量簡單，在貼襯側應盡量避免焊接對防腐性能有影響的構件。因此，襯里設備內部結構應盡量簡單便于襯層施工。某公司大型襯里設備(廢水混合澄清槽)，其內部構件折流板為采用螺栓固定的分塊式可拆卸結構。在投入運行一段時間后被溶液腐蝕，發生斷裂失效，被迫停車停工。因此對于有內構件的襯里設備，內構件的選材及防腐成為整個設備穩定運行的關鍵問題。經過研究分析，提出了該設備內構件防腐的解決方法，并應用于實際，使該設備恢復生產，為襯里設備的內構件選材及設計提供了可供借鑒的寶貴經驗。

1 襯里設備基本情況

該公司襯里設備廢水萃取混合澄清槽，設計壓力為常壓，設計溫度為80 ℃，直徑2 500 mm，設備內溶液為稀硫酸、煤油及有機溶劑的混合液。殼體材料選用Q245R，內襯PTFE(聚四氟乙烯)板。折流板起導流作用，為便于裝卸檢修，分為三塊組裝，通過螺栓固定在槽體筒壁內焊接好的擋圈上(見圖1)。

圖1 折流板及擋圈注：單位為mm

2 失效原因分析

由于固定折流板的螺栓無法使用襯里層包覆，折流板及擋圈處襯里施工較為困難，因此原設計中，折流板及螺栓選用的是非金屬耐腐蝕的改性聚丙烯(MPP)板，配合PTFE螺栓螺母。在投入運行一段時間后折流板被溶液腐蝕，發生斷裂失效，見圖2。

圖2 MPP板斷裂

經檢查分析，斷裂原因有以下幾個方面：

(1)剛性不足。非金屬耐腐蝕材料，尤其是高分子聚合物，諸如PP和PTFE等，具有質量輕，耐腐蝕，加工成型簡便，具有較好的機械性能，其耐熱性和剛性卻比較差。盡管MPP板采用加入玻璃纖維、金屬添加劑或熱塑橡膠的方法對PP進行改性，剛性和耐熱性等均比純PP有一定提高。但是，仍然與金屬材料差距較大。

(2)MPP板與溶液中的煤油發生溶脹作用。折流板的體積發生膨脹，尤其斷裂處較為明顯。溶脹后，MPP板力學性能急劇下降，導致斷裂。

(3)液位差壓力大。當該設備單向進液時，折流板左右兩區產生較大的液位高度差，極限值為折流板a的高度2.3 m。此時折流板受到液體壓力較大，超出MPP板的許用范圍。

3 解決措施

3.1 采用耐腐蝕的金屬材料

折流板及螺栓螺母選用鋯合金。鋯及其合金在強腐蝕介質中有極強的耐腐蝕性[5-7]。對小于10%的沸硫酸有良好耐蝕性，對10%～20%的硫酸可適用至100 ℃，對50%～60%的酸可以用于60 ℃。鋯合金具有耐腐蝕性好，強度剛度大的優點，其密度為6.49 g/cm3，小于鋼的密度，制成的折流板質量較輕。然而，鋯合金的價格很貴，根據市場調研，鋯合金報價在每噸70～80萬元，折流板成本估算見表1。

表1 兩種措施成本對比

同時，鋯合金產品需要定制，生產周期長，僅折流板的加工最快也要3個月之后交貨。設備造價及交貨日期都大大超過預期。因此，采用耐腐蝕的金屬材料不能較好解決該公司盡快恢復生產減少經濟損失的問題。

3.2 耐蝕材料與襯里相結合

結合設備維修現場的情況，根據襯里施工的要求，制定出耐蝕材料與襯里工藝相結合措施，即：螺栓螺母采用鋯合金R60702，折流板采用與設備殼體相同材料Q245R鋼板6 mm襯PTFE 3 mm并拉加強筋加強(見圖3)。螺栓孔處襯里工藝采用襯環結構，隔絕溶液與鋼材接觸(見圖4)。這樣既保證了折流板與螺栓的剛度，折流板又不會被腐蝕。此方案成本中占比例較大的是PTFE襯里，成本估算見表1。相比較而言，耐蝕材料與襯里相結合在時間及經濟成本上都優于耐腐蝕的金屬材料。

圖3 耐蝕材料與襯里相結合示意

圖4 螺栓孔處襯里

3.2.1 耐蝕材料與襯里的結構優化

混合后的溶液，經由折流板a上方弓形缺口流向折流板b下方的弓形缺口，之后流向除沫器過濾。此處設置折流板的主要作用是：(1)控制液體經過除沫器的速度，即設備內部流速；(2)選取混合區上層溶液，改變其流向，使之均勻的到達除沫器。根據圓缺面積公式可以計算出，折流板a弓形缺口面積和折流板b弓形缺口面積。由此可知，設備內溶液流速取決于折流板a上方弓形缺口，與折流板b缺口大小無關。而且如果折流板b的弓形缺口過小，反而會使液體集中流向除沫器的下端，不但無法實現液體均勻的經過除沫器，而且會造成除沫器下端的應力過于集中。因此，對折流板b進行優化改造(見圖5)，減小其高度，增大弓形缺口面積，達到液體流動狀態均勻穩定的效果。同時，這個優化同時還帶來了兩個好處：折流板b對筒壁焊接處的受力減小；成本降低。

圖5 折流板尺寸注：單位為mm

3.2.2 防腐措施優化

為更好地隔絕溶液對鋼材的腐蝕，在安裝完成后使用PTFE膨脹條填充折流板a(三塊板組裝)的拼接接縫處(見圖6)，防止發生局部腐蝕。

圖6 膨脹條填充位置

3.2.3 操作方法優化

為防止折流板兩邊液體壓力差過大，操作時要求折流板的左右兩區同時進液，以便控制液位差。

4 結 論

通過采用耐蝕材料與襯里相結合的方法，以及后續方案優化，不但解決了材料的防腐問題、剛度問題，而且減小了折流板對筒壁的受力，降低了維修的時間成本和經濟成本，使得損壞的內構件得以盡快修復，設備重新投產。

關于襯里設備內構件選材的方法，首先放在第一位的是安全性，保證設備的長期運行與穩定；其次，也應在合理的范圍內同時考慮設備的用途、結構、工藝條件和廠家要求等。隨著襯里設備應用的逐步廣泛，選材方案也會有不同的側重點：

(1)對于文中案例這類內構件直徑大、受力大的襯里設備，耐蝕材料與襯里相結合的方法有較好的經濟性和安全穩定性。

(2)若是直徑小，質量輕，工藝條件嚴苛的關鍵性設備，在設計制造時間充足的情況下，建議采用全部耐腐蝕金屬材料，雖然價格昂貴但是穩定性最高。

隨著科技的不斷進步，相信會有更多可選的材料和更先進的工藝出現，推動化工設備的設計及優化。

[1] 王敏．化工設備防腐方法淺析[J]．化工設備與管道，2002(3): 49-50．

[2] 胡冰，劉鑫．化工設備的防腐控制措施[J]．當代化工，2014，43(6): 1032-1034．

[3] 郭光宇，蘇超，楊雪峰．改性橡膠襯里設備在煉油堿渣預處理中的應用[J]．石油化工腐蝕與防護，2013，30(4): 58-60．

[4] 梁磊．脫硫塔內襯花崗巖防腐應用研究[J]．石油化工腐蝕與防護，2013，30(6): 28-32．

[5] A L Igolkin. Use of zirconium for mechanization of chemical processes [J].Chemical and Petroleum Engineering，1999，35(1): 111-117．

[6] 孫海生，常春梅，盧奇，等.鋯制換熱器研究進展與前景[J]．化工設備與管道，2015，52(2): 54-57．

[7] 武艷芳，王家祥，張茹雅.2RE69/Zr702雙金屬管氨汽提塔關鍵部件的設計與制造[J]．壓力容器，2004，21(3): 28-31．

(編輯 王菁輝)

Materials Selection and Anticorrosion for Internals of Lining Equipment

MeiYuguang

(ShanghaiBranchofChinaBluestarLehighEngineeringCorp.,Shanghai201204,China)

Lining provides an effective measure to prevent the corrosion of equipment. However, the lining layer construction has a higher requirement on equipment construction. When the structure of internals can’t satisfy the construction conditions of lining layer, the material selection and corrosion protection have become the critical issue in the stable safe operation of equipment. Through the case analysis of the failure causes of internals, effective measures have been proposed in consideration of actual operating conditions and material comparison, i.e. integration of corrosion-resistant material and lining process, application of lining process for internals and application of corrosion-resistant zirconium for the tightening fittings of equipment. Not only this scheme has solved the problem of anti-corrosion and rigidity of internals but also about 2/3 time has been saved for maintenance. 64% of costs have been saved and maintenance time and costs have been greatly reduced.

lining equipment, material selection, zirconium alloy

2016-03-25；修改稿收到日期：2016-04-26。

梅宇光(1985-)工程師，碩士，主要從事化工設備、壓力容器設計工作。E-mail：596715081@qq.com