氯氣管道的選材要求及閥門設計選型

米超輝，李宇鵬，高永剛

(華陸工程科技有限責任公司，陜西 西安 710065)

氯是重要的基本化工原料，廣泛應用于化學、冶金、造紙、紡織、醫藥、石油等工業，以及飲水消毒、污水處理等方面。氯在化學工業中是必不可少的，因此氯的生產、儲存和運輸就顯得尤為重要。

在常溫常壓下，氯是一種黃綠色且有劇烈刺激性氣味的劇毒氣體。氯氣對眼、呼吸道黏膜有刺激作用，能引起流淚、咳嗽、咳少量痰、胸悶、氣管炎和支氣管炎、肺水腫等呼吸道癥狀，嚴重的會導致休克、死亡。氯氣對環境有嚴重危害，對水體可造成污染。同時，氯氣可助燃，具有強氧化性，濕潤的氯氣具有強腐蝕性[1]。

本文中的氯氣指干氯氣，對水的安全濃度有嚴格的規定，而水的安全濃度與溫度又緊密相關[2]。以下將簡要分析氯氣對Fe基金屬材料的腐蝕反應原理，并從安全、經濟原則出發，提出管道材料的選用原則。

1 腐蝕反應方程式及原理

氯氣與水的反應如下：

Cl2+ H2O → H++ Cl-+ HClO

HClO → ClO-+ H+

由以上反應方程可知，氯氣與水接觸產生極強的酸性，從而對Fe基金屬材質產生嚴重腐蝕。

氯氣與碳鋼的反應如下[2]：

2Fe+3Cl2→ 2FeCl3+Q

鐵表面氧化鐵的多孔銹層不能提供任何防腐保護。在接觸到足夠的氯氣時，鐵與氯氣發生反應，并被一層固體、致密和黏附的三氯化鐵覆蓋。正是這一致密的反應層保護下面的鐵免受氯的進一步侵蝕。

在這種反應中形成的固體氯化鐵是一種非常吸濕的鹽。根據含水量，它可以與水形成5種不同的水合物：n=2、2.5、3.5、6或10的FeCl3·nH2O。反應方程式如下：

FeCl3+nH2O → FeCl3·nH2O

這些固體水合物具有自己的熔化溫度，不同水合物的熔點遠低于固體FeCl3(Tm=304 °C)的熔點。只要水、FeCl3及其水合物保持固體，如果沒有侵蝕層，就不會發生腐蝕，因為無法形成電解質。這些固體水合物甚至能像FeCl3一樣，保護鐵免受氯的進一步攻擊。但是如果水含量增加或升高溫度，均會使氯化鐵水合物熔解，形成FeCl3的濃溶液(電解質)，FeCl3的水溶液將與鐵反應生成FeCl2，從而對鐵、鋼和許多其他合金具有很強的腐蝕性[2]。表1列出了幾種金屬材料在FeCl3水溶液中的耐腐蝕性[2]。

表1 FeCl3水溶液對金屬材料的腐蝕

由表1可知，碳鋼的腐蝕速度很快(0.5 mm/d)，管道或容器可在7 d甚至更短的時間腐蝕穿孔，不銹鋼顯示嚴重點蝕，而哈氏合金、鈦材及純鉭可以很好地耐濕氯的腐蝕，但這3種特材同時也非常昂貴。

三氯化鐵的物理性質決定了鋼的耐氯性，而三氯化鐵層的穩定性取決于氯的含水量。因此，碳鋼安全用于氯氣介質的前提是氯化鐵的保護層不因高含量水和高溫而潮解或熔化。

2 管道材料的選擇

管道選材必須基于以下參數：①干氯或濕氯；②氣體或液體；③溫度；④壓力。碳鋼是液氯或氯氣最常用的材料，具體選材時必須考慮每種情況下可能出現的溫度。鋼的沖擊韌性會限制其使用，對于液氯和冷干氯氣，應考慮到系統可能減壓導致低溫的可能性，使用具有保證低溫沖擊性能的細晶粒碳鋼[3]。

碳鋼可以很好地用于干燥的氯氣中，但是為了安全使用，水的含量必須嚴格控制。根據經驗，在氯氣壓力為0.4～1.2MPa(a)時，碳鋼安全使用的含水量與溫度見表2[2]，表中水的濃度是指大氣壓下干燥后的濃度，溫度是指液化過程中的最低溫度。

表2 干氯氣選用碳鋼時的安全水含量與溫度關系

以下提供了氯氣用碳鋼管道的通用要求。化學組分必須滿足相應材料標準的要求；任何部件的實際最大抗拉強度Rm不得超過以下兩者中的較小值：①相關材料規范要求的最小值加上155MPa；②725MPa。

材料規定的最小屈服強度Re不得超過460MPa。

低溫碳鋼使用溫度為-40～120°C，-40°C的溫度極限考慮到氯蒸氣在略低于大氣壓力的情況下可能過冷，120°C是碳鋼在氯氣介質中使用的最高溫度。低溫碳鋼材料應根據相關材料標準進行夏比V型缺口沖擊試驗，軋制材料應橫向于軋制方向進行試驗。沖擊試驗溫度最高應為-40°C，或設計條件和設計規范要求的較低溫度。3個試驗樣品(10×10 mm)記錄的平均和最小CvN能量見表3[3]，對于小尺寸樣品，可根據試驗方法采用等效值。

表3 材料樣品的沖擊功要求

在存在微量烴類油、水或鐵銹風險的某些情況下，與氯的反應可使溫度升高到足以導致鋼自燃的程度。因此在接觸氯之前，所有管道組成件必須徹底脫脂、清潔和干燥，以去除多余的氧化物、油、碳氫化合物、水分等。

3 閥門的設計選型

3.1 閥門材料的化學成分及物理性能

用于制造閥門的鍛件或鑄件應滿足以下要求[4]：①碳含量不得超過0.25%；②熔煉碳當量(CE)不得超過0.43%，成品碳當量(CE)不得超過0.45%；③材料應為正火狀態或退火+回火狀態；④任何部件的實際最大抗拉強度不得超過以下兩者中的較小值：相關材料規范要求的最小值加上155MPa，725MPa。

3.2 閥門的設計選型

液氯及氯氣介質首選法蘭截止閥，適用尺寸DN25～150，以外的尺寸不建議選用[5]。由于液氯的高膨脹系數特性，球閥一般僅用于氯氣介質。在氯氣介質中，閥門的最大工作壓力不應超過閥門最大允許工作壓力的80%，最小工作壓力應考慮干燥管道時完全真空的可能性。

氯氣用截止閥的閥桿密封應通過波紋管和輔助填料實現，且每臺閥門應配備一個指示器，該指示器應清楚地指示閥門的全開和全關位置。波紋管截止閥適用尺寸為DN25～150，小于DN25的閥門僅用于儀表管線，但必須通過DN25的閥門與工藝管線斷開。同時為了減小風險，大于DN150的閥門不適用于液氯介質[4]。典型的波紋管截止閥結構見圖1。

圖1 典型的波紋管截止閥結構

如圖1所示，焊接的波紋管組件在流體與大氣之間形成金屬屏障，并與填料形成雙重密封的效果，確保氯氣介質零泄漏。

閥蓋與閥體應采用法蘭連接，法蘭面為榫槽面，連接面應將墊片完全卡住，波紋管應焊接至閥體上，并帶輔助填料，以防止波紋管發生故障時氯氣泄漏至大氣中。填料區域的閥桿應為升降式，閥桿處須設置防旋轉結構，以保證填料在波紋管發生故障時的密封性能。

閥體至閥蓋的螺栓長度應取法蘭厚度和墊片空間所需的最小值。此舉是為了限制螺栓和閥門內部零件之間熱膨脹差的風險，從而最大程度減少閥體和閥蓋接頭的泄漏風險。

最重要的密封部件——波紋管也有嚴格的要求，材料應為高鎳基合金(如哈氏合金C276)，波紋管應焊接到高鎳基合金(同波紋管材質)的支撐環上，波紋管應至少設置兩層。手動波紋管閥門應保證在閥門最大允許工作壓力下，20°C時最小使用壽命為10 000個循環(全開-全關-全開)。

3.3 閥門的檢驗[4]

閥門鑄件應進行100%的射線檢測，并應按照ASME B16.34覆蓋閥門的關鍵區域；鑄件表面應在鑄造廠進行100%的磁粉檢測或滲透檢測，如發現不可接受的缺陷，則應拒收。

用于鍛件的原棒料應按照EN 10308進行100%超聲波檢查，驗收標準應符合EN 10308標準3級要求。棒料經鍛造和必要的表面處理后，應根據EN10222-1標準A6選項對每個鍛件進行100%外表面檢查，驗收標準應符合EN 10228-1標準的3級要求。超出該驗收等級的，可以按照EN 10228-1的規定進行修復，然后重復檢查。

波紋管組件應逐個進行外觀檢查、染色滲透檢查和氣孔檢查。

4 法蘭及墊片的設計選型

法蘭面應選用榫槽面，與閥門法蘭端面相匹配。

因橡膠材料特有的活性，任何含橡膠的墊片不得用于氯氣介質，一般選用PTFE作為氯氣管道的密封墊片[5]。

5 結語

氯是重要的基本化工原料，在化工行業中扮演著非常重要的角色。氯氣管道材料的正確設計是保證氯氣管道正常安全運行的一項重要因素，干燥的氯氣必須嚴格控制水含量和工作溫度，才能保證碳鋼管道的安全使用。同時，閥門應選用波紋管截止閥，確保氯氣不會向大氣泄漏。