碳酸鈉(Na₂CO₃),又名蘇打,俗稱純堿,是最基本的化工原料之一,應用十分廣泛。生產純堿介質中的Na⁺、Cl^-、HCO^-₃、NH⁺₄、游離氨、氧氣等,對碳鋼、鑄鐵材料制成的塔器、管道、流體輸送機械(離心泵)等設備具有很強的腐蝕性,導致設備、管道、機械使用壽命短、故障率高、生產現場跑冒滴漏現象頻發,給化工生產可持續性帶來極大不利。因此選擇耐腐蝕性能更高的鈦金屬材料替代碳鋼、鑄鐵、不銹鋼等制造主要設備、管道,近年來在山東海化股份有限公司純堿廠生產裝備進行大范圍應用鈦材升級改造,取得了很好的成效。

1、鈦材在純堿生產中的應用特性

1.1耐腐蝕性能

碳化塔是純堿生產中的關鍵設備,利用氣液對流的原理進行質量與熱量的傳遞,以氨鹽水吸收二氧化碳,析出NaHCO₃結晶,并放出熱量。通過對運行十多年的鑄鐵(HT200)碳化塔解體,發現塔內鑄鐵笠帽初始厚度30mm已經腐蝕減薄為不足6mm,帽檐分氣齒消失,最薄處呈刀刃狀。由此可推算出鑄鐵的腐蝕速率為2.3mm/a。而作為碳化塔下部冷卻水箱中的φ63×2、L=2975mm的2496根換熱鈦管,則光亮如新,管壁厚度未見任何變化。

由此對比可見,金屬鈦材料在純堿化工生產中具有極強的抗腐蝕性能。查閱相關資料,得知鈦在純堿化工生產中的年腐蝕率為零,在濃度極高的純液氨中的腐蝕速率僅為0.0001mm/a。

1.2熱傳導性能

鈦的導熱系數為碳鋼的1/3~1/4,其熱傳導性不如碳鋼,與不銹鋼相近,但綜合考慮其特有的高耐腐蝕和使用壽命長、免維護的特性,通過減小鈦板壁厚,以降低熱阻;利用其較高的表面光潔度,以降低流體邊界滯留層厚度等方法,來獲得較高的總換熱系數,提高換熱效率。在純堿化工生產中被廣泛用來制造列管換熱器、碳化塔、吸氨塔、蒸氨塔、板式換熱器、波紋管列管式換熱器等換熱冷卻設備的換熱降溫元件。如吸氨塔、碳化塔、蒸氨塔氨氣冷凝器等厚度0.5~2mm的換熱鈦管,0.5~1mm的板式換熱器板片。

1.3機械性能

鈦的密度較低,約為4510kg/m³,比重較輕,在金屬材料中屬較輕的金屬,是鋼的1/2多點。高純鈦具有可塑性,高純鈦的延伸率可達50%~60%,斷面收縮率可達70%~80%,

但收縮強度低(即收縮時產生的力度),不宜作結構材料。鈦中雜質的存在,對其機械性能影響極大,特別是間隙雜質(氧、氮、碳)可大大提高鈦的強度,顯著降低其塑性。

鈦作為結構材料應用時所具有的良好機械性能,就是通過嚴格控制其中適當的雜質含量和添加合金元素而達到的。因其比重輕,其比強度位于金屬材料之首。綜合以上所述,鈦所具有的機械性能完全適合制造純堿化工生產中的各類流體輸送泵,碳化塔和蒸氨塔的篩板、笠帽,閥門、管道等設備的構造部件。

1.4實用可靠性

鈦金屬材料所具備的無可比擬的抗腐蝕性,極大提升了鈦質設備、構件的壽命,其使用壽命可達碳鋼、鑄鐵材料壽命的十倍以上。且生產運行平穩,經濟效益可觀,生產現場跑冒滴漏現象得到了極大緩解,環境污染狀況隨之改善,取得良好的社會效益。由于鈦屬于稀有有色金屬,價格昂貴。據了解,當前市場工業純鈦板材價格約為14.5萬元/t,一次性投入高,但從長遠發展和鈦材至少50年的使用壽命,以及日常檢修、周期性停產大修所投入的人、才、物綜合成本來估算,還是具有非常可觀的經濟效益。

2、鈦材在純堿生產中的應用與推廣

2.1案例1

碳化塔結構件—鈦笠帽的應用我廠使用的碳化塔為笠帽式異徑碳酸化塔,主體材料為灰鑄鐵(HT200),塔體規格為φ3000/φ3400×29875,由8節冷卻水箱、20節塔圈和30個 笠帽組合而成。經過長達十幾年的生產運行,導致鑄鐵笠帽腐蝕減薄破裂,機械性能下降,操作可靠性降低,工藝指標失穩,含Fe₂O₃次品堿產出量升高。

為了修復并提升碳酸化塔的工藝性能,我廠于2018年開始對碳化塔實施設備更新改造,塔圈主體部件仍繼續應用灰鑄鐵(HT200)材質,其中的笠帽由鑄鐵(HT200+Cr+Ni)改選應用工業純鈦(TA2)制造。

鈦笠帽組成結構、外觀形狀、安裝方式、各部尺寸規格完全遵從原鑄鐵笠帽的設計,不同的是笠帽構件壁厚變更為16mm,用鈦的原平板經過裁切、壓軋、組對焊接、人工時效應力消除等機械制造工藝匹配加工成獨立部件。我廠現用的鈦笠帽外圍直徑φ3140,帽頂與下盤間距450mm,帽沿四周均勻分布80個分氣齒,下盤中心開設一個φ340的氣孔,氣孔外周圍均勻分布8個西瓜子形狀的液體流道孔,笠帽上蓋與下盤對稱分布8塊筋板,將上蓋與下盤焊接固定連接為一體。部件凈重1.075t,較鑄鐵笠帽3.365t減少2/3多。碳化塔笠帽改用鈦材后,部件抗腐蝕能力大大提升,降低了Fe2O3、FeCl3等固體不溶物的生成幾率,成品含鐵量明顯降低,產品質量得到提升;鈦金屬構件表面的光滑度優于鑄鐵,表面碳酸鹽結疤附著力降低,不易形成結疤,減小了流體流動邊界摩擦阻力,流體流動更加順暢,生產連續性得到一定增強,收到了較好的節能降耗效果。

2.2案例2

熱母液桶應用鈦材升級改造氨堿法生產純堿工藝中的熱母液桶,是用來儲存熱母液(主要成分NH4Cl、NaCl、HCO-3、游離氨)的密閉常壓容器,介質溫度80℃以上。初始設計主體材料采用碳鋼,桶內表面內襯乳膠水泥做防護層,以減緩熱母液介質對碳鋼基體的腐蝕。但由于乳膠水泥防護層材料的配方、用料、施工技術、工藝操作、使用溫度等因素制約,防護層大多使用6年左右就出現龜裂現象,導致熱母液電解質沿防護層龜裂縫滲入碳鋼層形成微電池,產生電化學腐蝕作用,從而由內向外侵蝕碳鋼基體,使之發生失效泄漏。

經多方考察、論證、研究,決定推廣應用鈦材(TA2)制造熱母液桶。新的熱母液桶屬于設備原址更新,設備安裝基礎承重已經定型,設備規格、外形、構造充分遵循了原設計工藝參數要求,規格為φ7020×8500,有效容積325m3,在保證設備整體機械強度充分富余的情況下,兼顧材料經濟性,設計桶底為圓形平底結構,板厚為12mm;桶體呈圓柱形,桶壁第一、二、三鈦板厚12mm,高4.5m;第四、五、六鈦板厚10mm,高4m;桶頂蓋設計為自支承球冠形穹頂結構,板厚8mm,拱高832mm。設備制造采用6×1.5m板幅的鈦材原平板經裁切、軋制成形、現場組對拼裝、氬氣保護焊接、酸洗鈍化處理等物理加工化學處理工藝制造成型,設備內外未作任何防護隔離措施。

鈦質熱母液桶投入生產使用以來,未出現任何腐蝕泄漏現象,穩定了生產的可持續性,杜絕了因泄漏導致的現場污染和中間物料的損耗。

2.3案例3

熱母液管道鈦材的應用熱母液管道主要用來將熱母液桶中的熱母液通過離心泵加壓輸送到蒸氨塔預熱段,管道的基本工藝參數:流量1500m3/h,工作壓力60mH2O(約0.6MPa),介質溫度70℃以上,輸送距離165m,輸送高度56m。

原設計熱母液管道采用襯塑鋼管和內襯乳膠水泥防護層的的鑄鐵管,管徑DN350,兩條管線并聯。安裝投用三年后,即出現局部腐蝕泄漏,被迫臨時停產局部更換。通過檢查更換下的故障管節,發現多數為內襯防護層在高溫熱母液介質高速流動沖刷作用下,老化開裂失效,造成鋼基層腐蝕泄漏。

為解決熱母液管道泄漏故障和壽命短影響生產穩定運行的弊端,對我廠熱母液管實施應用鈦管提升改造。根據上述生產工藝參數要求,重新對管道進行測算校核設計,新的熱母液輸送管道外徑為φ480,管壁厚8mm,有效通徑φ464,用δ8、板幅6×1.5m的鈦板卷制成形,根據現場安裝的實際情況法,并兼顧氬弧焊接現場施工的難易程度,采用分段焊接,松套法蘭連接方式,管段間的密封應用鈦平焊環和耐高溫的氯丁橡膠墊片,通過松套法蘭的對夾預緊力來實現可靠的密封性能。

熱母液鈦管的推廣應用,充分利用了鈦材較高的耐腐蝕性和材料表面光滑度,有效解決了管道的內腐蝕,杜絕物料介質泄漏帶來的種種不良影響,降低了流體邊界摩擦阻力,穩定了生產的連續可持續,降低了維修費用。

2.4案例4

鈦泵、鈦閥的應用早在20世紀80年代中期,山東海化股份公司純堿廠(當時為山東濰坊純堿廠)建廠時在重堿車間就已經開始使用鈦質離心泵,應用30多年來,故障率很低,運行效果良好,年維修頻次很少,節約了大量檢修維護費用。

純堿生產中用的閥門種類數量繁多,看似不起眼不重要,但處于生產工藝流程關鍵部位的切斷閥、隔離閥卻往往是穩產、高產、安全生產的關鍵,原先使用鑄鐵、球鐵、碳鋼材質的閥門,經常因物料介質化學腐蝕、流體介質物理磨損而出現內漏、外漏故障,造成生產工藝操作難度加大,生產指標失控。為改善這種狀況,我廠通過與閥門廠家共同商討制定改進提升方案,根據工藝介質要求,將閥門提升為鈦蝶閥、鈦球閥,應用到熱母液、熱氨鹽水、碳化尾氣管道上作為根部切斷閥、工藝隔離閥使用,通過改造,閥門內外漏徹底根治,密封性能良好,開關靈活便利,降低了工人勞動強度。

3、結語

通過對我廠純堿生產使用的靜置設備、轉動設備以及工藝管道推廣應用鈦材取得的實用效果和積累的寶貴經驗看,鈦材的應用已趨向成熟,鈦材自身具有的無可比擬的耐腐蝕性能,在氨堿法制堿行業中無疑成為一種最理想的金屬材料。雖然作為稀有有色金屬的鈦,價格昂貴,初始投入高,但是鈦材制品長達50年的超長壽命,是其他材料難以逾越的優勢所在。鈦質設備的大量推廣應用,不但穩定了生產,提升了產品質量,還改善了生產作業環境,大大減少了檢修維護費用。站在企業長久發展的高度上,著眼長達50年的無故障使用過程,應用鈦制品所積累的巨大經濟效益和社會效益是毋庸置疑的。

參考文獻

[1]中昊(大連)化工研究設計院有限公司.純堿工學(第三版)[M].北京:化學工業出版社,2014.

作者簡介:馬效軍,山東海化股份有限公司純堿廠設備廠長,中國純堿工業協會資深專家、特聘講師,山東省設備管理優秀工作者,山東省設備管理協會化工行業專家。