輸送氯氣用工業管道的材質選擇

管 慶

(瓦克化學(南京)有限公司，江蘇 南京 210047)

氯氣是工業中經常用到的氣體原料，廣泛應用于化學化工、制藥、冶金、電子、環保等[1, 2]行業。氯氣屬于有毒氣體且是一種強氧化劑，在工業裝置中一般采用管道密閉的方式進行輸送，避免因泄漏造成安全、環保事故。管道材質的選擇是設計輸送氯氣用工業管道(以下簡稱“氯氣管道”)首先必須解決的問題，事關能否安全、經濟、高效的使用氯氣，甚至可能決定整個項目的成敗。

對于氯氣管道材質的選擇，一般需要考慮以下四點：①氯氣的化學特性②氯氣的狀態參數(干/濕狀態、溫度、壓力等)③管道的工作環境(室內、室外等)④管道材質的經濟性

1 氯氣化學特性的影響

氯屬于鹵族元素。氯氣是一種強氧化劑。盡管如此，氯氣本身還是比較穩定的。純凈的氯氣在常溫下與金屬鐵不會發生化學反應。正是基于此，工業上，特別是在氯堿行業中，碳鋼管道被大規模的應用于低于80 ℃的干氯氣的輸送[3, 4]。同時，因為氯氣的高毒性及泄漏后可能造成嚴重后果，氯氣管道的材質還必須可靠及耐用。例如玻璃雖然對氯氣有非常好的耐受性，但由于玻璃管道本身易碎，且管口連接處密封可靠性不高，其耐壓性也有局限，因此一般不建議作為工業氯氣管道的主材使用。

2 氯氣狀態參數的影響

工業應用中，含水量小于0.05%(v/v)的氯氣可稱為干氯氣。反之，則為濕氯氣。對低于80 ℃的干氯氣，碳鋼材質(如20#/GB/T9948、16Mn/GB64795[5])管道就能滿足輸送要求。但是對于濕氯氣，由于水和氯氣會在常溫常壓下發生下列反應：

產生氯化氫和具有強氧化性的次氯酸，而氯化氫又極易溶于水生成鹽酸，加之氯氣本身的強氧化性，導致濕氯氣具有極強的腐蝕性，碳鋼、奧氏體及雙相不銹鋼管道皆不適用。在金屬管道中，較常見用于濕氯氣輸送的有鈦管、鈦合金管和哈氏合金管(如Hastelloy C-22)。在條件允許的情況下，更多的是采用非金屬管道輸送濕氯氣。適用于濕氯氣輸送的非金屬管道有很多，比如玻璃、耐酸酚醛塑料[6]、PVC+FRP(PVC外纏FRP)、PVDF、PFA、PFA+PVDF(PVDF襯PFA)、PTFE管道等。除了氯氣的干、濕狀態，氯氣的設計壓力、設計溫度也會影響管道材料的選擇，例如玻璃管道的最大使用壓力一般不能超過2.0 barg，PVC+FRP管道的使用溫度不宜超過60 ℃。

3 管道工作環境的影響

在工業應用中，氯氣管道一般會有室內和室外部分。而普通非金屬管道(如PVC、PVDF、PTFE)的抗紫外線能力一般較差，導致其在室外的老化速度遠比金屬管道要快，因此在選擇氯氣特別是濕氯氣的室外管道材料時要特別留意。如果選擇非金屬管道作為氯氣的室外管道，一定要選擇具有抗紫外線能力的(例如碳鋼襯PTFE管)，也可考慮采用鋁皮、彩鋼板包裹的方式避免紫外線的影響。除此以外，對特殊工況還需要具體分析，例如將干氯氣通入熱的水溶液液面下進行工藝反應時，在氯氣與水溶液的交界面上肯定會形成濕氯氣，如果還選用鋼管作為插入管顯然是不合適的，同時還必須兼顧水溶液在反應前后的具體情況(比如溫度、壓力、pH值等)。

4 管道材質的經濟性

對于氯氣管道的材質選擇，在保證安全可靠的前提下，也應考慮到經濟合理性。例如PTFE管道對氯氣有非常好的適用性，但是如果單獨大量使用，價格太高，施工難度又大，還不耐紫外線，所以一般會選擇碳鋼襯PTFE管。還有例如貴金屬氯化物生產工藝[7]需要將室外氯氣站的干氯氣通入生產車間內反應釜中的強酸性熱水溶液中進行反應，且最終產品質量對于鐵離子的含量相當敏感，此種情況如果使用單一材質管線，要么無法滿足工藝要求，要么就是難以找到材料或者由于材質的特殊性而價格不菲，因此必須考慮采用多種材質管線結合使用的方式，例如可選用碳鋼管道作為氯氣站至生產車間的外管主材，而車間內直至反應釜附近的管線可選用PVC外纏FRP管道，最后接近反應釜直至深入反應釜內水溶液液面以下的管線可選用聚四氟乙烯管道或者PFA+PVDF管道。顯然這樣多種材料結合使用，既滿足了氯氣管道的使用要求，又兼顧了經濟性。

5 結語

本文通過具體事例對輸送氯氣用工業管道的材質選擇進行了一般性分析和歸納，并列出了部分適用于氯氣管道的材質及其特點供參考(見表1)。由于行業、生產流程、工藝的不同要求，還應本著具體情況具體分析的原則方能找到最適合的氯氣管道材質。

表1 輸送氯氣用工業管道材質及特點Tab. 1 Piping Materials And Corresponding Features For Chlorine

(續表)

附：材料英文縮寫說明

PVC-Polyvinyl chloride, 聚氯乙烯

FRP-Fiber reinforced polymer, 管道上一般指玻璃纖維增強復合材料, 俗稱玻璃鋼

PFA-Polyfluoroalkoxy,四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物,又稱可溶性聚四氟乙烯

PVDF-Polyvinylidene difluoride, 聚偏二氟乙烯

PTFE-Polytetrafluoroethylene, 聚四氟乙烯