耐腐蝕設(shè)備泄漏分析

任夫健，凌永社

(防化研究院，北京102205)

鋼襯聚四氟乙烯(F4)和石墨材質(zhì)是化工上常見的兩種耐腐蝕性最好的材質(zhì)，以之加工的設(shè)備，通常不會(huì)發(fā)生腐蝕泄漏，如發(fā)生泄漏，十之八九是設(shè)計(jì)、加工和使用不當(dāng)造成的。

聚四氟乙烯，俗稱塑料王，除熔融金屬鈉和液氟外，能耐其它一切化學(xué)介質(zhì)的腐蝕。耐熱性、耐磨性良好。耐氣候、耐老化性極好，不吸水、不粘、不燃。電絕緣性能優(yōu)異，對光輻射有很高的反射率。抗蠕變性差，連續(xù)載荷作用下易發(fā)生塑性形變(冷流)，回彈性差，彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度低。在化工上常用作重防腐設(shè)備的襯里，加工方式以松襯為主［1］，即采用F4料帶纏繞在模具上，燒結(jié)成型，以松襯方式襯裝在鋼殼內(nèi)壁。在襯裝時(shí)為方便排出F4襯里與鋼殼之間縫隙內(nèi)的空氣，事先在鋼殼上打若干小孔。鋼襯F4設(shè)備連接方式為法蘭，F(xiàn)4翻邊作密封面。常見的鋼襯F4設(shè)備有容器類、塔器類等。

石墨，具有良好的導(dǎo)熱、抗腐蝕、耐輻射、耐高低溫等特點(diǎn)，呈黑色，有金屬光澤，具有良好的潤滑性，性脆，強(qiáng)度較低。常用于制作換熱器［2］。石墨換熱器是將石墨用酚醛樹脂等浸漬使成不透性，然后做成管狀、板狀或塊狀。石墨設(shè)備為防止磕碰，常帶有碳鋼外殼。石墨設(shè)備連接方式為法蘭連接，密封面為石墨管的端面，其凸出碳鋼法蘭平面少許。

某廠磷酰鹵車間精餾工段發(fā)生泄漏的裝置，選用非標(biāo)的鋼襯F4設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)的石墨設(shè)備等組裝成生產(chǎn)裝置，在生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)漏——隱形泄漏［3］，好像是腐蝕引起，但理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，所選設(shè)備材質(zhì)耐磷酰鹵腐蝕，不會(huì)發(fā)生腐蝕泄漏。經(jīng)調(diào)查、分析，發(fā)現(xiàn)為非腐蝕因素引起的泄漏。

1 工藝裝置

工藝裝置，由精餾釜、精餾塔、冷凝器、產(chǎn)品罐和干燥罐組成(見圖1)。精餾釜材質(zhì)為哈氏合金;精餾塔和產(chǎn)品罐材質(zhì)為鋼襯F4，精餾塔內(nèi)裝石墨拉西環(huán)填料;冷凝器材質(zhì)為石墨;干燥器為碳鋼，內(nèi)裝無水氯化鈣干燥劑。其中，除冷凝器為標(biāo)準(zhǔn)的圓塊孔式石墨換熱器外，其它均為非標(biāo)設(shè)備。常壓、間歇操作。

將一批物料一次性加入精餾釜，調(diào)節(jié)精餾釜夾套蒸汽壓力加熱物料，上升物料蒸氣通過精餾塔分離，塔頂物料蒸氣經(jīng)冷凝器冷凝，冷凝液開始全回流返回精餾塔頂，待穩(wěn)定一段時(shí)間后，部分回流，部分采出放入產(chǎn)品罐。

在操作過程中，加熱蒸氣壓力由PI01壓力表監(jiān)視，精餾釜溫與精餾塔頂溫分別由TIO1和TI02兩個(gè)熱電阻測溫計(jì)監(jiān)視，回流流量由FI01轉(zhuǎn)子流量計(jì)監(jiān)視，產(chǎn)品罐液位由LI01頂裝式液位計(jì)監(jiān)視。

2 泄漏現(xiàn)象

在某批物料精餾過程中，產(chǎn)品罐液位顯示采出產(chǎn)品遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的數(shù)量，但是精餾釜溫度業(yè)已超出正常的溫度范圍，而塔頂溫度逐漸降低。檢查冷凝器冷凍鹽水，未見異常;檢查干燥器放空管道上閥的狀態(tài)，未見異常;校核產(chǎn)品罐已接受產(chǎn)品，確認(rèn)遠(yuǎn)未達(dá)正常數(shù)量。在此情況下，懷疑冷凝器發(fā)生了內(nèi)漏——隱形泄漏。為了驗(yàn)證判斷結(jié)果，關(guān)閉精餾釜夾套加熱蒸汽閥，關(guān)閉采出產(chǎn)品閥，實(shí)施全回流，發(fā)現(xiàn)精餾釜釜溫和塔頂溫在逐漸降低，但“回流”一直存在，且回流流量似乎保持穩(wěn)定的數(shù)值，關(guān)閉冷凍鹽水進(jìn)出閥，流量才降至零。至此，確認(rèn)冷凝器發(fā)生了內(nèi)漏，冷凍鹽水混入物料體系，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入精餾塔內(nèi)。磷酰鹵遇水極易水解，放出大量的熱，生成高沸點(diǎn)的磷酸和鹵化氫，后者通過干燥器放空管路逸出，磷酸難以蒸出留在精餾釜內(nèi)。在精餾過程中發(fā)生冷凍鹽水內(nèi)漏進(jìn)入精餾塔，由于鹽水溫度低，故塔頂溫度降低;由于精餾釜在不斷地加熱且磷酰氯水解放熱，故出現(xiàn)精餾釜溫偏高的異常現(xiàn)象。

圖1 精餾工藝流程Fig．1 Distillation process

在某批物料精餾過程中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品罐底部的地面上有少許液體，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該液體是從產(chǎn)品罐鋼殼上的小孔泄漏出的產(chǎn)品。顯然，F(xiàn)4襯里發(fā)生了泄漏，產(chǎn)品進(jìn)入F4與鋼殼之間的縫隙，進(jìn)而從排氣孔漏出。

3 原因分析

將石墨冷凝器拆開檢查，發(fā)現(xiàn)頂部物料蒸汽進(jìn)口法蘭密封面處有裂紋，裂紋向縱深延伸。發(fā)生破裂的原因經(jīng)分析有三:(1)在安裝時(shí)，所連物料蒸汽接管法蘭密封擰緊力太大，直接將法蘭的石墨密封面擠壓近乎破裂;(2)在使用過程中，由于物料蒸汽進(jìn)料管較熱，發(fā)生熱膨脹，管路上又無波紋膨脹節(jié)等應(yīng)力消除設(shè)施，產(chǎn)生應(yīng)力擠壓石墨法蘭密封面加劇其破裂;(3)冷凍鹽水壓力不穩(wěn)，如壓力提高超過石墨冷凝器所能承受的壓力，也可能造成石墨接管破裂。石墨冷凝器管程高溫流體(物料介質(zhì))為常壓，殼程低溫流體(冷凍鹽水)壓力為0.2～0.3 MPa，管程壓力小于殼程壓力，故在石墨接管破裂向縱深延伸后，殼程鹽水漏入管程物料體系中。

鋼襯F4設(shè)備因設(shè)備襯里是用F4料帶壓半圈纏繞燒結(jié)而成的，為一整體，通常不會(huì)發(fā)生泄漏，如有泄漏百分之百發(fā)生在設(shè)備襯里與接管襯里焊接處，因F4的焊接性能較差，焊接處無疑是最薄弱部位。產(chǎn)品罐發(fā)生了泄漏，因只有底部和頂部有接管，在泄漏發(fā)生時(shí)并未盛滿產(chǎn)品，故判定是下出口接管襯里與設(shè)備襯里焊接處發(fā)生了泄漏。拆開檢查，發(fā)現(xiàn)下接管襯里在設(shè)備襯里上的翻邊處，有60°角稍微翹起，用水試驗(yàn)確認(rèn)該翻邊翹起處就是泄漏源。產(chǎn)品罐在使用過程中發(fā)生泄漏，顯然跟使用的關(guān)系極大。產(chǎn)品經(jīng)由石墨冷凝器冷凍鹽水冷凝冷卻后直接進(jìn)入產(chǎn)品罐，由于冷凍鹽水溫度很低，致使產(chǎn)品溫度也較低，進(jìn)入產(chǎn)品罐后接觸F4襯里致其發(fā)生冷流蠕變。間歇操作，在一批物料放出后，襯里恢復(fù)常溫，原先冷縮的襯里又發(fā)生熱漲，但回彈性差，恢復(fù)不到原來的狀態(tài)。熱壓焊將接管襯里與設(shè)備襯里簡單地疊加壓合在一起，在受到冷熱溫度沖擊產(chǎn)生熱脹冷縮應(yīng)力反復(fù)撕裂襯里焊接處，久之難免發(fā)生泄漏。

4 預(yù)防措施

石墨性脆，易發(fā)生破裂，應(yīng)像對待玻璃設(shè)備一樣對待石墨設(shè)備。石墨設(shè)備接管法蘭墊片不要選擇硬質(zhì)的金屬、F4或F4夾層的石棉墊片，宜選用軟質(zhì)的橡膠墊片或橡膠外纏繞F4生料帶的墊片;在用螺栓緊固時(shí)，要使各方位受力均勻，最好用帶有扭矩顯示的扳手?jǐn)Q緊，尤其要注意擰緊力不能太大，以免擠碎密封的法蘭面;在可能有熱應(yīng)力的管道上設(shè)置波形膨脹節(jié);如冷凍鹽水壓力波動(dòng)范圍較大，超過石墨設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力，可在鹽水進(jìn)口管道上設(shè)置減壓閥。

F4設(shè)備的特點(diǎn)是難于焊接，不便加工。在設(shè)計(jì)鋼襯F4設(shè)備時(shí)，應(yīng)盡量減少接管，尤其是設(shè)備底部接管，以減少焊接;在加工時(shí)，如接管襯里與設(shè)備襯里之間采用熱壓焊，應(yīng)注意焊接部位受熱受壓要均勻，為確保焊接牢固，再在焊縫處用具有良好熱塑性的可溶性聚四氟乙烯樹脂(四氟乙烯與全氟丙基乙烯基醚共聚物，簡稱PFA)焊接予以加強(qiáng);在使用時(shí)盡量避免壓力、溫度大幅變化，以防產(chǎn)生應(yīng)力，撕裂焊接處等薄弱部位。鋼襯F4產(chǎn)品罐，如果采用頂部插底管出料，如果襯里焊接方式采用PFA輔助熱壓焊，如果石墨冷凝器冷媒改用室溫的自來水，相信不會(huì)發(fā)生泄漏事故。

5 結(jié)語

設(shè)備的耐腐蝕性能固然與設(shè)備的材質(zhì)有關(guān)，但也與設(shè)計(jì)、加工有關(guān)，更與使用有關(guān)，對于已加工好的設(shè)備，在使用過程中要根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)嚴(yán)加注意，防止由于使用不當(dāng)發(fā)生非腐蝕泄漏。

對于易水解強(qiáng)放熱的化學(xué)介質(zhì)，由于隱形泄漏是逐漸進(jìn)行的且泄漏量往往不大，一般不會(huì)出現(xiàn)溫度急劇升高的失控現(xiàn)象，如果系統(tǒng)為常壓操作，一定要有良好的放空，這樣可確保不會(huì)發(fā)生爆炸事故。

［1］ 任夫健.鋼襯聚四氟乙烯設(shè)備的加工、設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.工程塑料應(yīng)用，2001，29(5):19-21．

［2］ 化學(xué)工業(yè)部設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.化工設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)手冊(第五卷)，非金屬化工設(shè)備與零部件(第二冊)，石墨及其他［D］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1987:1．

［3］ 任夫健，凌永社.危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)過程中隱形泄漏的判定［C］//公共安全中的化學(xué)問題研究進(jìn)展(第二卷).蓬萊:中國人民公安大學(xué)出版社，2011:36-39．