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鎳材在制堿工業上的運用

發布時間:08-09  
在制堿工業中,?工作介質為強腐蝕性苛性鉀、苛性納時,?設備的耐腐蝕性能是生產中最突出的難題。鎳是耐濃堿腐蝕的最好材料,?但是鎳制壓力容器設計還沒有國家標準。另一方面,?鎳制設備價格昂貴,?應用還不廣泛,?所以在使用和設計中存在兩個難題:?一是有關鎳材機械性能的資料不易找到;?二是結構設計既沒有國家規定,?又沒有行業標準和使用經驗。

1鎳的化學性能及耐腐蝕特點



鎳具有高的化學穩定性,?是一種較好的耐蝕材料,?在空氣中,?常溫下它不被腐蝕。在含有二氧化硫和硫化氫的空氣中,?鎳的腐蝕速度為(0.?001~?0.?004)?mm?a;?在海洋性大氣中,?鎳的腐蝕速度為(0.?000?1~?0.?000?13)?mm?a;?在農村大氣中,?一般其腐蝕速度為(0.?000?3~0.?000?18)?mm?a。干燥氣體(鹵族、氧化氮、二氧化碳和氨)?室溫下與鎳不起反應,?但在潮濕的情況下,?其腐蝕速度明顯加快。在蒸餾水中鎳不發生腐蝕,?只是表面變暗。在含有大量氧離子和二氧化碳的氣體中,?鎳可發生點蝕。鎳在海水中的平均腐蝕速度為?0.?13mm?a.鎳在?500?℃左右的空氣中輕微氧化,?在750?℃以上則迅速氧化,?鎳與氧的反應生成物是氧化亞鎳?(N?iO?)?及氧化鎳(N?i?2?O?3)。氧化亞鎳在?230?℃以上很容易被氫還原,?在?(250~?300)?℃則開始被Co?還原,?在?(700~?800)?℃及高于此溫度時,?該反應迅速而完全。



鎳的一個重要特性是耐堿腐蝕,?它幾乎在所有溫度和濃度下對氫氧化鈉和氫氧化鉀均耐蝕。例如,?鎳在質量分數為50%?的高溫苛性堿中,?腐蝕速度為(0.?01~?0.?003)?mm?a.鎳耐中性和微酸性溶液?(包括一些稀的非氧化性酸、有機酸)及有機溶劑的腐蝕。鎳之所以在許多介質中有耐蝕性,?是因為在它表面能形成一層牢固的保護膜,?阻止鎳繼續被腐蝕。



2苛性堿介質化工設備用材分析



(1)?碳鋼:?碳鋼(Q?235-?A?)?是被用作苛性鈉介質化工設備最早的材料,?在(25~?50)?℃的低溫、質量分數不大于?30%?的工作環境中,?腐蝕速度為?0.?05mm?a.當達到燒堿生產的操作條件,?即溫度(100~?140)?℃,?質量分數?32%~?74%?時,?腐蝕速度則大于?1.?5?mm?a,?這就決定了碳鋼材料只適用于燒堿生產中低溫、低濃度的操作條件。



(2)?不銹鋼:?不銹鋼材料是?70?年代被用于燒堿介質設備的,?一般選用?1Cr18N?i9T?i(18?-?8?鋼)。此材料在質量分數小于?50%、25?℃的低溫時,?腐蝕速度小于?0.?05mm?a;?當工作溫度升至(50~?80)?℃時,?腐蝕速度為(0.?5~?1.?5)?mm?a.在上述燒堿生產的操作條件下,?腐蝕速度大于?1.?5?mm?a.因此不銹鋼材料也只適用于燒堿生產中溫、中等濃度的操作條件。



80?年代以來,?超低碳不銹鋼?316?(OCr17N?i12M?o2)?,?316L?(OOCr17N?i14M?o2)?,?304L(OOCr19N?i11)?被用于燒堿介質化工設備。雖然這些材料的各種性能均優,?但冶燒困難,?價格昂貴,?且依靠從國外進口。



在純堿?(N?a?2?CO?3)?作原料的燒堿生產工藝,?因允許原料中含有?0.?80%~?1.?2%?的N?a2?Cl,?不銹鋼燒堿設備的工作介質中就含有一定濃度的氯離子。在強堿性溶液中,?氯離子的含量和工作溫度對不銹鋼應力腐蝕的影響很大,?極易發生點蝕。此時,?選用超低碳不銹鋼應慎重。



(3)?純鎳:?純鎳(N?6)?對高溫、高濃度苛性堿的耐蝕性是其它金屬無可比擬的。在燒堿生產上述操作條件下,?它的腐蝕速度為(0.?03~?0.?18)?mm?a。其機械性能、冷加工性能及焊接、脹接性能均好,?是用于苛性堿介質化工設備最優異的材料。而且我國鎳年產量已達?5萬?t?左右,?居世界第七位,?可以滿足國內需求。但鎳材價格高,?選用須作經濟分析。



3鎳在制堿工業中的應用



由鎳和鎳合金的材料性能表可知,?鎳和鎳合金的強度高,?塑性和韌性好,?冷加工性能和焊接性能好,?與其它金屬之間的焊接熔合性好,?適宜制造各種設備和壓力容器。由于鎳在苛性堿溶液中表面容易形成堅固的保護層,?甚至在高溫、高濃度下也極為穩定。因此,?可用于制造燒堿生產中的蒸發器、加熱器
、堿液儲罐、管道、泵和閥等。70?年代末期開始,?在國內一些新建氯堿廠引進的燒堿蒸發裝置中,?、效加熱室和閃蒸室均由鎳材制造。從?80?年代開始,?國內一些化工設計院、所和制造廠家借鑒了引進的蒸發裝置技術和設備材料,?結合國內情況研制成功純鎳材、效加熱室,?其管子采用N?6,?規格為?5?57?mm?×2.?5?mm?×6?000?mm?,?殼體采用Q?235-?A?,?管板采用鎳2鋼復合板,?經過運行、評價,?沒有腐蝕現象,?效果十分理想。



3.?1鎳材在燒堿升膜蒸發加熱器中的應用



某廠燒堿三效逆流蒸發工序的效蒸發加熱器和升膜加熱器等均采用了純鎳加熱管,碳鋼外殼,?管板和管箱采用鎳2鋼復合板。



關于鎳制設備壓力容器的強度計算,?我國對鎳材質的安全系數和許用應力沒有規定。美國A?SM?E和日本?J?IS?壓力容器規范都定入了鎳和鎳基合金壓力容器的內容。法國CO?2?DA?P?壓力容器規范對鎳和鎳基合金壓力容器規定了安全系數。英國BS?國家標準在壓力容器規范中沒有提高鎳和鎳基合金壓力容器的內容。前蘇聯有行業標準OCD?262?012858288“鎳基耐蝕合金制焊接容器及設備一般技術要求”。各國鎳和鎳基合金的材料標準中,?只有美國的A?SM?E?中列有?SB?壓力容器用鎳和鎳基合金的專用標準,?其主要內容與美國A?STM?材料試驗協會標準相同或類似。



當時,?在加熱器設計中參考了美國A?SM?E?標準及?GB150-?89。對承受內壓部件的設計,?是根據A?SM?E?規定的最大許用拉應力值,?按照安全系數n?b≥4、n?s≥1.?5?確定的。鎳和高鎳合金基體基本上都是奧氏體,?在容器允許稍大變形的場合下,?大部分牌號允許許用應力值達到?2?3Ρ0.?2,?但不超過?0.?9Ρ0.?2。這個規定與奧氏體不銹鋼的規定是一致的。對于承受外壓部件的設計,?最大許用壓應力值是從A?SM?E?所規定的相關表中查出的,?其它設計計算采用GB150-?89.鎳材用于苛性堿介質設備,?腐蝕裕量取零。



關于管板與換熱管的連接方式,?采用焊接工藝和脹接工藝都是可行的。當時設計的連接方式采用脹接,?使用多年來沒有發現漏液。通過設計計算可知,?脹接工藝,?管板厚度較大;?焊接能承受較大的拉脫力,?采用焊接工藝,?管板可以減薄,?(焊條選用可參照HGJ15-?89?附錄F)?降低成本。



3.?2對鎳制燒堿蒸發加熱器的經濟分析



(1)?上述燒堿蒸發升膜加熱器,?選用全碳鋼材料時,?使用一個月,?就發生堿脆,?出現裂紋、漏液,?設備報廢。現用鎳管(N?6)?代替碳鋼(Q?235-?A?)?換熱管,?用鎳2鋼復合板代替原碳鋼板(Q?235-?A?)?作管板,?使用壽命提高到七年。鎳制加熱器設備投資是碳鋼加熱器的?22?倍,?而設備壽命卻是碳鋼加熱器的?80?多倍。



(2)?某廠燒堿效蒸發加熱器為全不銹鋼(1Cr18N?i9T?i)?材料,?使用壽命為兩年。現用4?臺鎳管加熱器代替原?8?臺不銹鋼加熱器,?已使用六年,?設備減薄僅?0.?2mm.鎳制加熱器設備投資是相同能力不銹鋼加熱器的?1.?5?倍,?而使用壽命現已超過?3?倍,?預計可達?5?倍(以年產燒堿(8.?5~?11)?t?規模計算)。



4鎳材使用注意事項



(1)?鎳不耐硫化物腐蝕,?高溫硫氣體能使鎳腐蝕變脆。堿中含有硫化物(如硫化氫、硫醇或硫化納)?也會使鎳產生晶間和應力腐蝕。



(2)?鎳不耐強氧化性酸(硝酸)?的腐蝕。鎳也不耐含有氧化劑的溶液及多數熔融堿金屬鹽的腐蝕。



(3)?鎳材的焊接工藝必須選用氬弧焊。在鎳材料焊條中加入鈮元素可增加焊接的流動性,?提高焊接質量。



(4)?鎳和鎳基合金在制堿工業壓力容器中的應用,?主要利用其在高溫、高濃度強腐蝕性苛性堿中比碳鋼、不銹鋼和銅鎳合金具有更好的耐蝕性。因此,?只有在碳鋼、不銹鋼及銅鎳合金(B30)?不能滿足要求的場合,?才考慮使用鎳和鎳基合金。鎳制設備一次性投資比銅鎳合金(B30)?高得多,?比不銹鋼、碳鋼高得更多。在選用時必須作經濟分析。

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