鈦合金在化學(xué)工業(yè)中的防腐應(yīng)用
發(fā)布時間：2022-11-03
鈦合金在化學(xué)工業(yè)中的防腐應(yīng)用
在化工生產(chǎn)中， 用鈦代替不銹鋼、 鎳基合金和其它稀有金屬作為耐腐蝕材料 , 這對增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長設(shè)備使用壽命、減少消耗、降低能耗、降低成本、防止污染、改善勞動條件和提高生產(chǎn)率等方面都有十分重要的意義。
近年來，我國化工用鈦的范圍不斷擴大，用量逐年增加，鈦已成為化工裝備中主要的防腐蝕材料之一。其主要應(yīng)用于蒸餾塔、反應(yīng)器、壓力容器、熱交換器、過濾器、測量儀器、汽輪機葉片、泵、閥、管道、氯堿生產(chǎn)電極、合成塔內(nèi)襯、其它耐酸設(shè)備內(nèi)襯等。鈦作為一種優(yōu)良的用于化工裝置中的耐腐蝕結(jié)構(gòu)材料， 已經(jīng)確立了它的地位， 也愈來愈引起工程技術(shù)人員的重視。
1 氯堿工業(yè)
鈦在各種酸、堿、鹽介質(zhì)中，除上述四種無機酸和腐蝕性很強的氯化鋁外， 都具有很好的穩(wěn)定性。所以，鈦是化學(xué)工業(yè)中優(yōu)良的抗腐蝕材料，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。例如，在氯堿工業(yè)中使用鈦金屬陽極和鈦制濕氯氣冷卻器， 收到很好的經(jīng)濟效果， 被譽為氯堿工業(yè)中的一大革命。
氯堿工業(yè)是重要的基本原料工業(yè)， 其生產(chǎn)和發(fā)展對國民經(jīng)濟影響很大。 這是因為鈦對氯離子的耐腐蝕性能優(yōu)于常用的不銹鋼和其它有色金屬。 目前氯堿工業(yè)中廣泛采用鈦來制造金屬陽極電解槽、 離子膜電解槽、 濕氯冷卻器、 精制鹽水預(yù)熱器、 脫氯塔、 氯氣冷卻洗滌塔等。這些設(shè)備的主要零部件過去多采用非金屬材料（如石墨、聚氯乙烯等） ，由于非金屬材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能和加工工藝性能不夠理想，造成設(shè)備笨重、能耗大、壽命短，并影響產(chǎn)品質(zhì)量和污染環(huán)境。因此，我國自 70 年代以來，開始陸續(xù)用金屬陽極電槽和離子膜電槽代替石墨電槽，用鈦制濕氯冷卻器代替石墨冷卻器，均取得良好的效果。
鈦制濕氯冷卻器的應(yīng)用。 食鹽電解生產(chǎn)燒堿要產(chǎn)生大量的高溫濕氯氣， 溫度一般在 75~95℃，需要經(jīng)過冷卻和干燥才能使用。
我國食鹽電解制取氯氣的生產(chǎn)， 以前因為冷卻工藝不合理或因冷卻設(shè)備的腐蝕問題影響了氯氣產(chǎn)量和質(zhì)量，而且還嚴重地污染了環(huán)境。耐高溫濕氯氣腐蝕的鈦制冷卻器投入生產(chǎn)，改變了氯堿工業(yè)中制取氯的生產(chǎn)面貌。 鈦在高溫濕氯氣的環(huán)境中極耐腐蝕， 鈦在常溫時的氯水中，腐蝕速率為 0.000565mm/a；在 80℃時的氯水中，鈦的腐蝕速率為 0.00431mm/a；在含 95%濕氯氣中，常溫下鈦的腐蝕速率為 0.00096mm/a。許多氯堿廠使用了鈦制濕氯氣冷卻器后，有的使用了將近 20 年，至今仍然完好無損。
2 、純堿工業(yè)
純堿是最基本的化工原料之一， 它直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的發(fā)展。 純堿生產(chǎn)過程中， 氣體介質(zhì)多為 NH3和 CO2, 液體介質(zhì)多為 NaCl、NH4Cl、NH4HCO3和 Cl- 濃度較高的溶液，使用碳鋼、 鑄鐵材質(zhì)進行碳酸化反應(yīng)的碳化塔小管、熱母液冷卻器、冷卻器、結(jié)晶外冷器等主體設(shè)備，均不耐腐蝕，腐蝕泄漏嚴重，使用壽命不超過三年。 1975-1977 年，天津堿廠和大連化學(xué)工業(yè)公司建廠進行了鈦應(yīng)用示范工作，碳化塔冷卻管 63×2mm、鈦平板換熱器、鈦外冷器、鈦泵、 CO2透平壓縮機轉(zhuǎn)子、 Ti-6Al-4V 合金葉輪等的應(yīng)用效果很好，這為全行業(yè)進行用鈦技術(shù)改造和新建三個年產(chǎn) 60 萬噸純堿廠起到了樣板作用。
某純堿廠蒸餾塔頂部氨冷凝器應(yīng)用純鈦管代替鑄鐵管。 氨冷凝器是純堿生產(chǎn)過程中, 將蒸餾塔蒸出的氨氣進行冷凝的設(shè)備， 它由兩個鑄鐵冷卻箱組成 , 每個箱的直徑 2.5m, 高1.2m，箱內(nèi)原裝有 Φ63×6×2986mm鑄鐵小管 214 根 , 兩個箱共 428 根。管內(nèi)外均用熱固性酚醛清漆防腐 , 管外介質(zhì)為 NH3、CO2、H2O蒸氣，溫度 95℃左右。管內(nèi)走 NH4Cl 母液，與管外介質(zhì)進行換熱。在此條件下，鑄鐵管腐蝕嚴重，使用一年即有部分管子腐蝕穿孔， 2 年已腐蝕損壞嚴重，停止使用。為解決氨冷凝器內(nèi)鑄鐵管嚴重腐蝕問題，將鑄鐵管全部替換為TA2 鈦管，規(guī)格為 Φ60×2×3010mm，鈦管管端與鑄鐵花板間用 O型橡膠圈密封。這是我國純堿工業(yè)第一臺蒸餾塔的冷卻小管采用純鈦管。 投產(chǎn)使用二年多， 曾抽管進行宏觀檢查， 未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象， 預(yù)計使用壽命可達 20 年以上， 可比鑄鐵管延長 10 倍。由于鈦管耐腐蝕， 傳熱效率保持良好 （鑄鐵管在 3 年一個大修期間，其傳熱效率前期好，中期差，后期就失效） ，管內(nèi) NH4Cl母液預(yù)熱回收熱量， 提高母液進入蒸餾塔的溫度， 可節(jié)約大量蒸汽， 經(jīng)濟效益明顯。
堿廠年產(chǎn)純堿量為 72 萬 t ，采用氨堿法和聯(lián)合制堿法進行生產(chǎn)。從 70 年代后期開始，為改變設(shè)備落后狀況，一些主要設(shè)備逐步用鈦材及釷設(shè)備進行更新。1983 年后，又進一步擴大了鈦材的應(yīng)用范圍，現(xiàn)將應(yīng)用情況簡述如下。
2.1 用鈦管代替氨冷凝器中鑄鐵管氨冷凝器是純堿生產(chǎn)過程中，將蒸餾塔蒸出的氨氣冷凝的設(shè)備。由兩個冷卻箱組成，箱內(nèi)裝有 φ63mm*6mm*2986mm鑄鐵管 214 根。管內(nèi)外均用熱固性酚醛清漆防腐， 管外介質(zhì)為 NH3，C02、H2O蒸汽，溫度在 95℃左右，管內(nèi)介質(zhì) NH4Cl 母液，與管外介質(zhì)換熱。在此條件下，鑄鐵管腐蝕嚴重，使用 1 年即有部分管子腐蝕穿孔，兩年時間，已腐蝕損壞嚴重 , 在蒸餾塔 3 年大修時，氨冷凝器內(nèi)的鑄鐵管全部換新。
1977 堿廠把解決氨冷凝器內(nèi)鑄鐵管嚴重腐蝕問題列入科研項目，向?qū)氹u有色金屬加工廠訂購了規(guī)格為 φ60mm*2mm*3010mm TA2管，于 1979 年安裝。這是該廠第一臺鈦列管設(shè)備， 也是我國純堿工業(yè)蒸餾塔首次采用純鈦管。 1979 年 12 月投人生產(chǎn)， 已用了 14 年，至今未發(fā)現(xiàn)腐蝕泄漏，效果良好。根據(jù) 1982 年 9 月( 投產(chǎn) 2 年零 10 個月 ) 抽管檢查鑒定，預(yù)計使用壽命可達 20 年以上。
由于鈦管耐腐蝕，傳熱效率保持良好 ( 鑄鐵管在 3 年期間，其傳熱效率前期好，中期差，后期失效 ) ，管內(nèi) NH4Cl母液預(yù)熱回收熱量， 提高了母液進入蒸餾塔的溫度， 可節(jié)約大量蒸汽，經(jīng)濟效益明顯。
冷凝器采用鈦管與鑄鐵管經(jīng)濟效益比較
用鈦管代替鑄鐵管， 運轉(zhuǎn) 1 年多即可收回鈦管的全部投資， 并節(jié)約大量檢修工時。到 1980 年該廠 4 臺蒸餾塔頂部氨冷凝器全部采用了鈦管。另外，氮液蒸餾塔內(nèi)部的兩個水箱也安裝了 428 根鈦管，合計用鈦管 8t 。
2.2 用鈦管代替碳化塔冷卻鑄鐵管
碳化塔是純堿生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，塔下部有 8 個冷卻管，箱內(nèi)裝有鑄鐵管。管內(nèi)外均用熱固性酚醛清漆防腐。其接觸介質(zhì)，管外是由塔上部下來帶有大量 NaHC03結(jié)晶的氨鹽溶液和塔下部進入的 C02 氣體向上流動，管內(nèi)走海水，塔內(nèi)溫度為 50-- 68℃。冷卻管僅使用兩年左右即有部分腐蝕穿孔， 使用 3 年即需更換。 而且管端鉛圈密封也經(jīng)常泄漏，嚴重結(jié)疤，對生產(chǎn)影響很大。
1979 年以來，先后在 7 臺塔上應(yīng)用 TF1 回收純鈦管及 TA2 純鈦管代替鑄鐵管。 1981 年TF1回收純鈦管安裝于 5#塔，每根重為 5.192Kg ，總重量為 8.17t ，每噸當年價為 7.35 萬示，共計 60 萬元。 1982 年 4 月投產(chǎn)，至今未發(fā)現(xiàn)腐蝕泄漏，預(yù)計使用壽命可達 20 年以上，如果使用壽命按 20 年計算， 可節(jié)約大修費 20 萬元；因大修停產(chǎn)少創(chuàng)產(chǎn)值 864 萬元， 利潤少收入 316 萬元；減少泄漏損失氨 78.67t ，鹽 240t ，轉(zhuǎn)化率提高節(jié)鹽 800t ，合計 6.2 萬元。僅以上三項計算 ( 不包括結(jié)疤造成減產(chǎn)、 清掃管減產(chǎn)等 )，20 年可比鑄鐵管減少損失合計 342.2萬元。另外，還可以節(jié)約大量檢修工時，改善操作環(huán)境。 1983 年采用寶雞有色金屬加工廠生產(chǎn)的規(guī)格為 φ 63mm*2mm*3010mm TA2純鈦管， 更換了 13#塔 4 個冷卻箱內(nèi)鑄鐵管， 共 170t ，當年每噸價格 6.3 萬元。該廠與大連制堿研究所共同進行了 TA2純鈦管在碳化塔內(nèi)插管試驗，經(jīng)運行 406 天和 1149 天兩次抽查，均未發(fā)現(xiàn)管子有任何腐蝕現(xiàn)象，管子仍閃光如新。
2.3 TC4 鈦合金葉輪代替 C02透平壓縮機轉(zhuǎn)子低合金鋼葉輪
C02透平壓縮機葉輪原用 35CrMoV低合金鋼制造。 使用過程中， 葉輪 1、3 級葉片進口受 C02水霧腐蝕與沖蝕，短時間即不能使用。葉輪經(jīng)防腐處理， 運轉(zhuǎn)三個月則需進行檢修，運轉(zhuǎn)一年就需更換。現(xiàn)用精鑄 TC4合金替代 35CrMoV低合金鋼 ( 用鈦 120 kg) ，具有機械強度高，耐腐蝕，抗沖蝕，加工性能好等優(yōu)點。此葉輪于 1981 年 1 月 5 日起連續(xù)運轉(zhuǎn)，安全平穩(wěn)，維修工作量小。運轉(zhuǎn) 5 年后，經(jīng)檢查各級葉輪葉片進口完好，預(yù)計使用壽命可達 20 年以上。改變了原來檢修頻繁狀況，經(jīng)濟效益十分顯著 。
鈦合金與低合金鋼轉(zhuǎn)子經(jīng)濟效益比較
2.4 用鈦制外冷器代替鋼制外冷器外冷器是用于冷卻結(jié)晶器內(nèi)氯化銨母液的設(shè)備， 原系碳鋼制造。 外冷器內(nèi)列管雖經(jīng)防腐處理， 但因氯化銨母液腐蝕性強，使用壽命僅為 4 年左右。如果防腐蝕層質(zhì)量低劣，使用壽命僅 1 年左右。 1980 年 2 月使用了純鈦制外冷器， 外冷卻器內(nèi)有規(guī)格為 φ51mm*2mm*6000mm純鈦管 511 根。運行 5 年，設(shè)備未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象， 僅有 5 根管子因振動被隔板磨損致壞。至今已使用 14 年，預(yù)計使用壽命可達 30 年，經(jīng)濟效益比較見表 3。鈦外冷器一次投資較高，當時每噸鈦管 14 萬元，但每年仍收益 10595 元。而鋼制外冷器檢修頻繁，還必須備有備用設(shè)備，以保證清洗和檢修。因此該廠 14 臺外冷器，已有 11 臺采用了鈦制外冷器。
鈦制外冷器與鋼制外冷器經(jīng)濟效益比較
用鈦板冷卻器代替淋灑式鑄鐵排管
氨堿法重堿車間將 13#，18#，改用國產(chǎn)鈦傘板冷卻器，換熱板片用 TA2 板制造，每臺冷卻面積為 60 m2。1 臺鈦傘板式冷卻器可以代替 1.5 臺，冷卻面積為 3602 的淋灑式冷卻排管，換熱效率可提高 6 倍，并清除了海水蒸汽以及海水淋灑造成的環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕。
鈦傘板冷卻器與淋灑排管經(jīng)濟效益比較
2.6 用鈦板式換熱器代替鋼鐵列管式 CO2，透平壓縮機油冷卻器 C02 透平壓縮機油冷卻器試用 T62 銅板冷卻器代替鋼制列管冷卻器，投產(chǎn)運行后降低了高速軸承的運行溫升和油溫 10—13℃，也節(jié)約了冷卻海水量，但因銅板片遭受腐蝕而泄漏。1984 年安裝了兩臺國產(chǎn)鈦扳式換熱器，試運行效果良好。之后，氨堿法的透平壓縮機油冷卻器都采用了鈦板式換熱器，共 8 臺。
用鈦合金葉輪式代替 8S 堿泵鋁鑄鐵葉輪8S 堿泵是純堿生產(chǎn)中輸送堿液的設(shè)備，葉輪是鋁鑄鐵，不耐母液沖刷腐蝕，使用壽命極短。1973 年在 8S 泵上試用 TC4鈦合金葉輪，結(jié)果表明能耐母液的沖刷腐蝕，且效果良好，預(yù)計使用壽命可提高 40 倍以上，其經(jīng)濟效益比較見表 5。這是我國純堿工業(yè)，在堿泵上首次試用鈦合金葉輪， 1977 年開始逐步推廣應(yīng)用。
兩種材質(zhì)葉輪經(jīng)濟效益比較
2.8 用鈦泵代替鋁鑄鐵泵
在 8S 泵試用 TC4鑄鈦合金葉輪成功的基礎(chǔ)上，為進—步解決堿母液泵泵體腐蝕問題，從 1983 年起逐步用鈦泵代替鋁鑄鐵泵，共計 24 臺，取得了良好的經(jīng)濟效益。
2.9 鈦閥門應(yīng)用
原來所用閥門多為鑄鐵的，其使用壽命極短，多不過半年， 少則只有兩個月左右，不僅更換頻繁，浪費很多的檢修工時，而且影響產(chǎn)量，污染環(huán)境。 1989 年首先在氨堿法重堿碳化塔出堿口應(yīng)用了 φ 100mm鈦截止閥 ( 現(xiàn)已有 15 個 ) 。1992 年又在聯(lián)絡(luò)管應(yīng)用了 φ200mm的鈦閥 ( 現(xiàn)已有 12 個) 。使用效果均良好，其經(jīng)濟效益十分顯著，每年節(jié)約經(jīng)費 30 萬元左右。
在聯(lián)合制堿中，出堿口膠膜閥座 (12 個) 、中和水膠膜閥座 (5 個 ) 都采用了鈦鑄閥座，其使用壽命是鑄鐵無法比擬的。
總之，大連化學(xué)工業(yè)公司堿廠應(yīng)用鈦材的實踐表明， 鈦是制堿工業(yè)設(shè)備最理想的材料之一，由它制成的制堿設(shè)備使用壽命長，經(jīng)濟效益顯著。
3、在石化工業(yè)中的應(yīng)用
鈦在石化工業(yè)中，多用于制造化工設(shè)備。化工設(shè)備的選材相當重要，大量的壓力容器、貯槽、塔器、換熱器、管道乃至緊固件和連接件等等在工作條件下不僅要承受一定的載荷，而且要受到許多介質(zhì)的強烈腐蝕， 工作條件十分苛刻。 在這種情況下， 許多設(shè)備的選材如僅在常用不銹鋼的基礎(chǔ)上進行調(diào)整， 已不能適應(yīng)。 而鈦及鈦合金的機械性能與不銹鋼相近， 耐蝕性能則遠為優(yōu)異。 為此，在重要的化工設(shè)備中， 鈦材逐漸以各種形式如襯鈦、鈦鋼復(fù)合以至全鈦得到應(yīng)用。
鈦在我國石化工業(yè)中的應(yīng)用源于 80 年代初，上海金山石化總廠的乙烯裝置和芳烴提取裝置以及蘭州煉油化工廠的苯胺鹽酸生產(chǎn)裝置，由于鈦材的應(yīng)用解決了長期困擾企業(yè)生產(chǎn)的腐蝕問題。隨后上海高橋石化、巴陵石化公司等都相繼投入大量資金，在石化工業(yè)裝備中應(yīng)用鈦材，并獲得良好的經(jīng)濟效益及社會效益。
來源：搜鈦網(wǎng)
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