输送氯气用工业管道的材质选择

　　摘要：氯碱行业中原料、副产品、中间产品、主要产品等，都是腐蚀性较强的介质，对设备材质要求很高。因此防腐一直是制约氯碱行业稳定生产的一个重要因素。随着国家材料技术进步，各种金属、非金属材料广泛的应用于氯碱生产中。氯气是氯碱化工生产中的主要原料之一，氯气与水反应可生成具有腐蚀性的盐酸和强氧化性的次氯酸，许多金属如碳钢、镍、不锈钢等均会被腐蚀，例如:湿氯气会对碳钢材质的设备(如:氯气透平压缩机)及输送管线造成很强的腐蚀。在一定环境下，只有某些特定的金属或非金属材料能抵抗氯气的腐蚀。

　　关键词：氯气;工业管道;材质

　　引言

　　氯气是工业中常用的原料。由于其具有高毒、强氧化性，通常采用管道密闭输送。其管道材质的选择是工业氯气管道设计首先要解决的问题，关乎能否安全、高效、经济的使用氯气。本文从化学特性、设计参数、工作环境、经济性四个方面结合具体事例对氯气管道材质的选择进行了分析和讨论，并对部分用于氯气输送的管道材质及特点进行了归纳和总结以供参考。

　　1概述

　　氯气是工业中经常用到的气体原料，广泛应用于化学化工、制药、冶金、电子、环保等行业。氯气属于有毒气体且是一种强氧化剂，在工业装置中一般采用管道密闭的方式进行输送，避免因泄漏造成安全、环保事故。管道材质的选择是设计输送氯气用工业管道(以下简称“氯气管道”)首先必须解决的问题，事关能否安全、经济、高效的使用氯气，甚至可能决定整个项目的成败。

　　2主要物料管道选材

　　2.1管道材料选择原则

　　氯碱装置中大多是易燃易爆、剧毒和腐蚀性很强的介质，主要管道都属于压力管道范畴。管道材料的选材则是根据这些介质的物化性能，腐蚀性以及各个具体物料点的操作工况来决定。根据上述使用条件判断该管道是否承受压力，属于哪一类压力管道，不同类别的压力管道因其重要性各异，根据发生事故带来的危害程度，对材料的特殊要求，来进行管道材料的选择，从而达到满足开工条件、安全要求和正常操作的目的。

　　2.2管道材料使用注意事项

　　2.2.1管道材料在高温下的性能

　　(1)金属管道金属管道在高温下性能发生以下几个变化：蠕变，碳素钢工作温度超过300～350℃，合金钢工作温度超过300～400℃就会有蠕变。石墨化，碳钢长期工作在425℃以上环境是地，就会发生石墨化。热疲劳性能，钢材如果长期冷热交替工作，那么材料内部在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹而不断扩展，最后导致破裂。因此，在温度起伏变化工作条件下的结构、管道应考虑钢材的热疲劳性能。(2)非金属管道常见的非金属管道耐热温度为110℃以下，但长期耐热性普遍较差，易老化，管道性能会随着温度的升高而迅速下降。因此在使用中，需注意非金属管道允许使用温度。

　　2.2.2管道材料在低温下性能

　　(1)金属管道当环境温度低于该材料的临界温度时，金属材料冲击韧性会急剧降低，这一临界温度称为材料的脆性转变温度。常用低温冲击韧性(冲击功)来衡量材料的低温韧性，在低温下工作的管道，必须注意其低温冲击韧性。(2)非金属管道在低温下，非金属管道的脆性增大，抗冲效能降低，在受到外力冲击时可能会产生微观裂纹，在相同的环向应力下，这些裂纹的扩展速率明显加快，导致管材破裂。

　　2.2.3管道材料在腐蚀环境中性能

　　(1)金属管道金属腐蚀的危害性十分普遍，而且也十分严重，腐蚀会造成直接或间接损失。例如，金属的应力腐蚀、疲劳腐蚀和晶间腐蚀往往会造成灾难性重大事故，金属腐蚀会造成大量的金属消耗，浪费大量资源。(2)非金属管道非金属管道都有比较好的耐腐蚀性。但在使用中，需注意其在高温环境下，耐腐蚀性能的表现。

　　2.3管道材料的选择

　　2.3.1氯化钠管道

　　氯化钠盐水属于强电解质，对金属管道产生电化学腐蚀。不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化电化学腐蚀尤其对碳钢的管道的腐蚀更为严重。当钢材中的铬原子数量不低于12.5%时，可使钢的电极电位发生突变，由负电位升到正的电极电位，阻止电化学腐蚀。因此，用于生产、输送以及储存氯化钠溶液的管道经常采用含铬量17～22%的不锈钢材质，如奥氏体不锈钢等。

　　2.3.2氢氧化钠管道

　　碱液管道在一定条件下能引起碳钢材料的应力腐蚀(碱脆)，影响碳钢产生应力腐蚀的因素有碱液的浓度、温度和材料中存在的残余应力等。烧碱具有强腐蚀性，温度与其越高，浓度越高，腐蚀越剧烈。冷却后的碱液腐蚀性大大下降，在常温下，碳钢在0.1%～40.0%NaOH中的腐蚀速度仅为0.0025mm/a，碳钢即可满足耐蚀要求。

　　2.3.3氯气

　　由电解槽出来的湿氯气，温度高并伴有大量的水蒸气和杂质，具有较强的腐蚀性，必须经过冷却、干燥和净化处理。温度低于60℃的湿氯气，应宜选用FRP/UPVC管道及管件;温度高于60℃的湿氯气应选用钛合金管道及管件。氯气经干燥后，水的体积分数降至0.04%以下，腐蚀性大大降低，输送管道采用碳钢材质，如20号钢。钛材在干燥氯气中会引起剧烈的化学反应而燃烧，因此，不能用钛管输送干燥的氯气。液氯管道应选10号钢，16Mn或耐低温性能优于16Mn的材料。

　　3管道材质的经济性

　　对于氯气管道的材质选择，在保证安全可靠的前提下，也应考虑到经济合理性。例如PTFE管道对氯气有非常好的适用性，但是如果单独大量使用，价格太高，施工难度又大，还不耐紫外线，所以一般会选择碳钢衬PTFE管。还有例如贵金属氯化物生产工艺需要将室外氯气站的干氯气通入生产车间内反应釜中的强酸性热水溶液中进行反应，且最终产品质量对于铁离子的含量相当敏感，此种情况如果使用单一材质管线，要么无法满足工艺要求，要么就是难以找到材料或者由于材质的特殊性而价格不菲，因此必须考虑采用多种材质管线结合使用的方式，例如可选用碳钢管道作为氯气站至生产车间的外管主材，而车间内直至反应釜附近的管线可选用PVC外缠FRP管道，最后接近反应釜直至深入反应釜内水溶液液面以下的管线可选用聚四氟乙烯管道或者PFA+PVDF管道。显然这样多种材料结合使用，既满足了氯气管道的使用要求，又兼顾了经济性。

　　4管道工作环境的影响

　　在工业应用中，氯气管道一般会有室内和室外部分。而普通非金属管道(如PVC、PVDF、PTFE)的抗紫外线能力一般较差，导致其在室外的老化速度远比金属管道要快，因此在选择氯气特别是湿氯气的室外管道材料时要特别留意。如果选择非金属管道作为氯气的室外管道，一定要选择具有抗紫外线能力的(例如碳钢衬PTFE管)，也可考虑采用铝皮、彩钢板包裹的方式避免紫外线的影响。除此以外，对特殊工况还需要具体分析，例如将干氯气通入热的水溶液液面下进行工艺反应时，在氯气与水溶液的交界面上肯定会形成湿氯气，如果还选用钢管作为插入管显然是不合适的。

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　　结语

　　氯气是一种强氧化剂。尽管如此，氯气本身还是比较稳定的。纯净的氯气在常温下与金属铁不会发生化学反应。正是基于此，工业上，特别是在氯碱行业中，碳钢管道被大规模的应用于低于80℃的干氯气的输送。同时，因为氯气的高毒性及泄漏后可能造成严重后果，氯气管道的材质还必须可靠及耐用。

　　参考文献

　　[1]中国氯碱工业协会.氯碱生产安全标准化指导手册[M].2008.

　　[2]袁高玉.氯气的性质及应用[J].中学化学教学参考，2015，24:61.

　　[3]任欢.氯碱行业管道材料的选择[J].科技展望，2015，18:167.

　　作者：罗贤驰