氯氣管道選材

1概述

氯氣是工業(yè)中經(jīng)常用到的氣體原料，廣泛應用于化學化工、制藥、冶金、電子、環(huán)保等行業(yè)。氯氣屬于有毒氣體且是一種強氧化劑，非常活潑，腐蝕性很強。在工業(yè)裝置中一般采用管道密閉的方式進行輸送，避免因泄漏造成安全、環(huán)保事故。管道材質(zhì)的選擇是設(shè)計輸送氯氣用工業(yè)管道(以下簡稱“氯氣管道")首先必須解決的問題，事關(guān)能否安全、經(jīng)濟、高效的使用氯氣，甚至可能決定整個項目的成敗。

2主要物料管道選材

2.1管道材料在高溫下的性能

(1) 金屬管道在高溫下性能發(fā)生以下幾個變化:蠕變，碳素鋼工作溫度超過300~350°C，合金鋼工作溫度超過300~400°C就會有蠕變。石墨化，碳鋼長期工作在425℃以上環(huán)境，就會發(fā)生石墨化。熱疲勞性能，鋼材如果長期冷熱交替工作，那么材料內(nèi)部在溫差變化引起的熱應力作用下，會產(chǎn)生微小裂紋而不斷擴展，最后導致破裂。因此，在溫度起伏變化工作條件下的結(jié)構(gòu)、管道應考慮鋼材的熱疲勞性能。

(2)常見的非金屬管道耐熱溫度為110℃以下，但長期耐熱性普遍較差，易老化，管道性能會隨著溫度的升高而迅速下降。因此在使用中，需注意非金屬管道允許使用溫度。

2.2管道材料在低溫下性能

(1) 金屬管道：當環(huán)境溫度低于該材料的臨界溫度時，金屬材料沖擊韌性會急劇降低，這一臨界溫度稱為材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度。常用低溫沖擊韌性(沖擊功)來衡量材料的低溫韌性，在低溫下工作的管道，必須注意其低溫沖擊韌性。

(2) 非金屬管道：在低溫下，非金屬管道的脆性增大，抗沖效能降低，在受到外力沖擊時可能會產(chǎn)生微觀裂紋，在相同的環(huán)向應力下，這些裂紋的擴展速率明顯加快，導致管材破裂。2.3管道材料在腐蝕環(huán)境中性能

(1) 金屬腐蝕的危害性十分普遍，而且也十分嚴重，腐蝕會遺成直接或間接損失。例如，金屬的應力腐蝕、疲勞腐蝕和晶間腐蝕往往會造成災難性重大事故，金屬腐蝕會造成大量的金屬消耗，浪費大量資源。

(2) 非金屬管道都有比較好的耐腐蝕性。但在使用中，需注意其在高溫環(huán)境下，耐腐蝕性能的表現(xiàn)。

2.4氯氣

由電解槽出來的濕氯氣，溫度高并伴有大量的水蒸氣和雜質(zhì)，具有較強的腐蝕性，必須經(jīng)過冷卻、干燥和凈化處理。溫度低于60℃的濕氯氣，應宜選用FRP/UPVC管道及管件;溫度高于60℃的濕氯氣應選用鈦合金管道及管件。氯氣經(jīng)干燥后，水的體積分數(shù)降至0.04%以下，腐蝕性大大降低，輸送管道采用碳鋼材質(zhì)，如20號鋼。干態(tài)氯氣在常溫時對金屬腐蝕不大，直接采用16Mn、碳鋼、鑄鐵；高溫下對碳鋼等鋼材的腐蝕就會加劇，一般采用富含鎳鉻等不銹鋼、哈氏合金等。注意高溫干態(tài)氯氣環(huán)境下，不可采用鈦金屬，因鈦在干氯中會生成四氯化鈦。

鈦材在干燥氯氣中會引起劇烈的化學反應而燃燒，因此，不能用鈦管輸送干燥的氯氣。濕氯氣具有強烈的氧化性，它的腐蝕實際上就是鹽酸和次氯酸的腐蝕。濕氯氣能腐蝕絕大多數(shù)金屬和非金屬材料，在輸送、干燥、液化過程中，都需要特別措施和材料來對應。可選用聚四氟管，但溫度控制在230℃度以下，高溫只能選用鈦管了。液氯管道應選10號鋼，16Mn或耐低溫性能優(yōu)于16Mn的材料。液氯生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備、管道上不得使用橡膠墊片，應選用高強度的耐氯墊片。液氯介質(zhì)的閥門宜選用波紋管密封截止閥；干氯氣介質(zhì)的閥門宜選用波紋管密封閘閥或截止閥，當選用球閥或蝶閥時，閥門應具有可靠的密封結(jié)構(gòu)型式，閥門的耐壓等級、材質(zhì)、耐腐蝕性等指標應符合氯氣使用的要求。液氯系統(tǒng)使用的管道和閥門應建立定期更換制度。

3 管道材質(zhì)的經(jīng)濟性對于氯氣管道的材質(zhì)選擇，在保證安全可靠的前提下，也應考慮到經(jīng)濟合理性。例如PTFE管道對氯氣有非常好的適用性，但是如果單獨大量使用，價格太高，施工難度又大，還不耐紫外線，所以一般會選擇碳鋼襯PTFE管。還有例如貴金屬氯化物生產(chǎn)工藝需要將室外氯氣站的干氯氣通入生產(chǎn)車間內(nèi)反應釜中的強酸性熱水溶液中進行反應，且最終產(chǎn)品質(zhì)量對于鐵離子的含量相當敏感，此種情況如果使用單一材質(zhì)管線，要么無法滿足工藝要求，要么就是難以找到材料或者由于材質(zhì)的特殊性而價格不菲，因此必須考慮采用多種材質(zhì)管線結(jié)合使用的方式。例如可選用碳鋼管道作為氯氣站至生產(chǎn)車間的外管主材，而車間內(nèi)直至反應釜附近的管線可選用PVC外纏FRP管道，最后接近反應釜直至深入反應釜內(nèi)水溶液液面以下的管線可選用聚四氟乙烯管道或者PFA+PVDF管道。顯然這樣多種材料結(jié)合使用，既滿足了氯氣管道的使用要求，又兼顧了經(jīng)濟性。

4 管道工作環(huán)境的影響在工業(yè)應用中，氯氣管道一般會有室內(nèi)和室外部分。而普通非金屬管道(如PVC、PVDF、PTFE)的抗紫外線能力一般較差，導致其在室外的老化速度遠比金屬管道要快，因此在選擇氯氣特別是濕氣氣的室外管道材料時要特別留意。如果選擇非金屬管道作為氯氣的室外管道，一定要選擇具有抗紫外線能力的(例如碳鋼襯PTFE 管)，也可考慮采用鋁皮、彩鋼板包裹的方式避免紫外線的影響。除此以外，對特殊工況還需要具體分析，例如將干氯氣通入熱的水溶液液面下進行工藝反應時，在氯氣與水溶液的交界面上肯定會形成濕氯氣，如果還選用鋼管作為插入管顯然是不合適的。結(jié)語雖然氯氣是一種強氧化劑，本身還是比較穩(wěn)定的。純凈的氯氣在常溫下與金屬鐵不會發(fā)生化學反應。正是基于此，工業(yè)上，特別是在氯堿行業(yè)中碳鋼管道被大規(guī)模的應用于低于80℃的干氯氣的輸送。同時，因為氯氣的高毒性及泄漏后可能造成嚴重后果，氯氣管道的材質(zhì)還必須可靠及耐用。