磷酸输送管材的实践改进与探索

纪波

(贵州开磷集团矿肥有限责任公司,贵州贵阳 550300)

磷酸输送管材的实践改进与探索

纪波

(贵州开磷集团矿肥有限责任公司,贵州贵阳 550300)

大型磷复肥生产中腐蚀介质很多,硫酸、磷酸、盐酸、硝酸、氟硅酸、氟化氢、二氧化硫、三氧化硫等,对这些强腐蚀介质的输送中,尤其是对磷酸的输送一直是困扰企业的难题,从上世纪八十年代至今,我们企业本身及制造行业作了大量的改进和探索,取得良好效果,值得推广借鉴。现在就磷酸输送管材的实践改进情况进行总结分析。

磷酸 管材 实践 探索

磷复肥装置的磷酸腐蚀、堵塞是输送的难题，经过不断的摸索、实践和创新，企业当前最经济、最可靠方式值得行业借鉴推广。

1 普通塑料及塑料内衬阶段

从上世纪八十年代末九十年代初，当时全国最大的磷肥装置就是100kt/a的重过磷酸钙，对磷酸的输送主要采用的是PVC、PP或者普通碳钢内衬软PVC、PP，当时的PVC配方中大量填充碳酸钙，还没有增强改善韧性、延展性、耐热性等的添加剂，所以PVC的强度低、脆性大，特别是PVC的焊缝系数只能达到65%，管件焊缝及联接法兰焊缝损坏频繁；PP的焊缝系数、柔韧性比硬PVC强，但焊接对移动速度、热气温度、焊条和焊接零件间的夹角、气体流速等操作要求高，典型焊接缺陷是假焊，弯曲加工管件十分困难，并且PP的缩短率为1.8～2.5%，季节冷热交替时跑冒滴漏是难题。90年代中期多采取碳钢内衬软PVC、硬PP或PO，内衬软PVC因热下垂和翻边缺陷就无法保证生产，内衬PP内表面平滑度差，成型冷却后收缩率大，尺寸稳定性差，内衬软PVC、硬PP在生产上前进了一大步，内衬PO更上一层楼，主要优点是内衬强度高、刚性好使用温度一般60℃～100℃，用特殊热融旋转成型，对金属有很强粘结力，真空度可达-0.092Mpa，极大限制了其因冷热变化而引起的收缩和伸长。存在问题是输送工程中的沉淀结垢、敲打清洗、热积酸冷却形成的负压、反复膨胀收缩影响粘接力等导致内衬层脱离下坠，造成阻力如图1。

2 美国ASTM标准316L泛滥阶段

上世纪九十年代后期，磷复肥行业装置设计或改造中引进了美国ASTM标准牌号的316L，迅即得到推广。由于其优越的耐腐蚀性和良好的加工性，在片面追求开机率、抢工期的盲从下，总认为不锈钢是万能的，似乎忘记了它的局限性和高昂的成本，主要体现在：

2.1 介质本身对316L具有腐蚀

磷酸属于还原性的强腐蚀性酸，湿法磷酸的腐蚀性主要取决于酸中的Cl-、F-、SO42-等杂质和固体颗粒的影响，还原性离子如SO42-，F-和Cl-。等能促进磷酸腐蚀，尤其以Cl-的影响最大，磷酸中Cl-的来源是磷矿伴生，CL-存在于细晶磷灰石的结构中，是离子取代现象，但不同矿段和不同矿层的氯离子取代程度不同，所以找不到CL-与P2O5品位之间的严格相关性，Cl-能优先地有选择地吸附在316L钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成孔径为20～30um的小蚀坑，是孔蚀进一步扩大的活性中心。在钝化电位区域内，CL-与氧化性物质竞争，并且进入薄膜之中，因此产生晶格缺陷，降低了氧化物的电阻率。因此在有CL-存在的环境下，既不容易产生钝化，也不容易维持钝化。

世界湿法磷酸生产经验公认磷矿的含Cl-含量量最高允许为0.04%，靡洛哥、云南、海口的Cl-含量低，而贵州、湖北矿个别矿层Cl-集中明显。从Cl-在磷精矿中富集这种特征来看来，要用物理或化学方法分离除去CL-根是十分困难的。

在稀磷酸输送管道中，使用316L不锈钢均受到不规则的点状腐蚀，其表面凸凹不平，这是氟的典型侵蚀结果。

近年来发现碘元素的含量对腐蚀亦有影响口，在0.001%～0.002%的存在下，会使材料耐腐蚀性下降.而在上述离子共同作用下，则加速腐蚀。

2.2 介质流速设计不合理

主要表现在整改取代原材质后摩擦系数不同。一般设计流速为2～3m/s〃当磷酸介质流速很大，本身介质中含有CaSO4.H2O、硅胶等固体颗粒，就产生了腐蚀、磨蚀和“腐蚀+磨蚀”的交互作用，湿法磷酸腐蚀苛刻，影响因素十分复杂，介质流速对不锈钢腐蚀破坏影响很大.当高速流动的介质足以破坏不锈钢表面钝化膜，而损坏的钝化膜又不能及时修复时，腐蚀速度将随流速增高明显增大，当流速超过临界流速，不锈钢耐腐蚀性能大大降低甚至失去耐腐蚀稳定性.这就是腐蚀-冲蚀的协同作用和影响。(如图2a)

2.3 清理、清洗存在问题

输酸管线在堵塞的情况下，采取人工清理或清洗造成316L管道内壁出现上述的孔蚀、晶间腐蚀磨损后，表面就愈来愈粗糙，清理周期越来越短，垢层附着力原来越大，每一次清理或清洗持续时间会越来越长，频繁清理和长期敲打，变形严重无法满足输送流量需求而被更换如图2b所示。再者，采用浓度8%温度60～80℃稀硫酸清洗液对管道进行清洗.虽然大大的减轻劳动强度，却对316L管道造成了远大于0.5mm/a的严重腐蚀。

3 超高分子钢骨架塑料复合管阶段

超高分子钢骨架塑料复合管是在管壁内用钢丝网或钢板孔网增强的塑料复合管的统称。因为有了高强度钢丝增强体被包覆在连续热塑性塑料之中，因此这种复合管克服了钢管和塑料管各自的缺点，而又保持了钢管和塑料管各自的优点，用于磷复肥的磷酸输送甚至长距离高压输送，新型钢丝网骨架塑料复合管的显著特点：(1)克服了塑料管的快速应力开裂、焊缝系数低现象；(2)具有超过普通纯塑料管的强度、刚性、抗冲击性，类似于钢管的低线膨胀系数和抗蠕变性等特点；(3)双面防腐，具有与塑料管相同的防腐性能。(4)内壁光滑，不容易结垢，管道水头损失比钢管低30%，即使结垢，可敲打，不变形，易脱落；(5)可通过调整钢丝直径，塑料层的厚度等，制造不同压力等级，以此工艺制造而成的管，2013年按HG/T3690-3691-2012标准，PN2.5、PN4.0的通径均不超过DN200，因使用压力和破坏性试验压力相差3倍以上，而在企业标准和实际使用中DN200、DN300公称压力已达4.5MPa，目前1.0MPa DN700规格在企业使用非常成功。但在生产实践中存在的两个突出问题是：

3.1 热膨胀(或收缩)问题

在输送稀磷酸、浓磷酸、渣酸、料浆、清洗液等管网中，密封面泄漏点多且频繁是遇到的第一个头痛的事，钢骨架塑料复合管的线性膨胀系数是35.9*10-6(1/℃)，普通碳素钢的线性膨胀系数是10.6～12.2*10-6(1/℃)，也就是说钢骨架塑料复合管的管线性膨胀系数是普通碳素钢线性系数的3～3.4倍，而超高分子聚乙烯管的线性膨胀系数是普通碳素钢的线性膨胀系数的14～16倍。因钢丝网或钢板网孔的存在，大大减少了聚乙烯管的线性膨胀系数，一般情况下钢骨架塑料复合管是作为柔性管处理热膨胀及收缩的问题，就是在安装时尽可能创造弯曲布置的条件，特别是埋地是考虑土壤对管道的摩擦力对热膨胀或收缩的相互抵消，对于化工厂各类集中布置的大管网，不可能创造弯曲布置条件，只能应采取热膨胀及收缩的补偿办法来解决，与阀门、罐体、水泵等相连时，采取固定支架。两固定支架之间直管段应采取滑动(轴向、横向)支架及膨胀节补偿，如图3。

计算理论热膨胀(或收缩)按公式：

ΔL=L*a(T2一Tl)

式中：

△L ——长度变化 m；

△L＞0为热胀；

△L＜0为冷收缩；

a— —管材线膨胀系数，1／℃；

T1——最初温度，℃：

T2——最终温度，℃：

L——是T1温度下管线长度(m)。

3.2 密封面强度的解决

在采取固定支架、滑动支架、橡胶膨胀节补偿后，输送磷酸管道密封面的泄漏问题得到极大的缓解，但是在泄漏紧固过或更换过密封垫的位置，最容易反复泄漏，经过仔细观察主要原因是钢骨架复合塑料管联接方式是金属活套法兰聚乙烯密封面翻边，致命缺点的密封接触面积小，密封线强度低，重复紧固或紧固力不均，造成密封面破坏，在冬季密封面变硬，密封需要更大的紧固用力，也会造成活翻边的密封面损坏。为此我们采用金属密封面代替复合塑料密封面，用40～50MPa液压扩张内套解决紧固及密封，彻底根治钢塑翻边密封面强度低的硬伤。(如图4)

随着材料科学的发展，磷复肥行业解决强腐蚀介质的输送理论上有很多方法能解决，如富矿与含CL-低的磷矿掺混配矿应用；耐CL-的含钨合金或稀土金属复合材料；加入钛和铌，再配以稳定处理，可以减少晶间腐蚀；氮合金化的第二代、第三代双相不锈钢等，应用前景很好，但成本高昂，无行业竞争优势。综合比较，目前使用钢结构增强密封面钢骨架复合超高分子聚乙烯复合管最经济、最可靠。

[1]胡一春.《钢骨架增强塑料复合管的连接与施工》.

[2]欧伟平.《膨胀节管道的设计与安装》.