米超辉，李宇鹏，高永刚

(华陆工程科技有限责任公司，陕西 西安 710065)

氯是重要的基本化工原料，广泛应用于化学、冶金、造纸、纺织、医药、石油等工业，以及饮水消毒、污水处理等方面。氯在化学工业中是必不可少的，因此氯的生产、储存和运输就显得尤为重要。

在常温常压下，氯是一种黄绿色且有剧烈刺激性气味的剧毒气体。氯气对眼、呼吸道黏膜有刺激作用，能引起流泪、咳嗽、咳少量痰、胸闷、气管炎和支气管炎、肺水肿等呼吸道症状，严重的会导致休克、死亡。氯气对环境有严重危害，对水体可造成污染。同时，氯气可助燃，具有强氧化性，湿润的氯气具有强腐蚀性[1]。

本文中的氯气指干氯气，对水的安全浓度有严格的规定，而水的安全浓度与温度又紧密相关[2]。以下将简要分析氯气对Fe基金属材料的腐蚀反应原理，并从安全、经济原则出发，提出管道材料的选用原则。

1 腐蚀反应方程式及原理

氯气与水的反应如下：

Cl2+ H2O → H++ Cl-+ HClO

HClO → ClO-+ H+

由以上反应方程可知，氯气与水接触产生极强的酸性，从而对Fe基金属材质产生严重腐蚀。

氯气与碳钢的反应如下[2]：

2Fe+3Cl2→ 2FeCl3+Q

铁表面氧化铁的多孔锈层不能提供任何防腐保护。在接触到足够的氯气时，铁与氯气发生反应，并被一层固体、致密和黏附的三氯化铁覆盖。正是这一致密的反应层保护下面的铁免受氯的进一步侵蚀。

在这种反应中形成的固体氯化铁是一种非常吸湿的盐。根据含水量，它可以与水形成5种不同的水合物：n=2、2.5、3.5、6或10的FeCl3·nH2O。反应方程式如下：

FeCl3+nH2O → FeCl3·nH2O

这些固体水合物具有自己的熔化温度，不同水合物的熔点远低于固体FeCl3(Tm=304 °C)的熔点。只要水、FeCl3及其水合物保持固体，如果没有侵蚀层，就不会发生腐蚀，因为无法形成电解质。这些固体水合物甚至能像FeCl3一样，保护铁免受氯的进一步攻击。但是如果水含量增加或升高温度，均会使氯化铁水合物熔解，形成FeCl3的浓溶液(电解质)，FeCl3的水溶液将与铁反应生成FeCl2，从而对铁、钢和许多其他合金具有很强的腐蚀性[2]。表1列出了几种金属材料在FeCl3水溶液中的耐腐蚀性[2]。

表1 FeCl3水溶液对金属材料的腐蚀

由表1可知，碳钢的腐蚀速度很快(0.5 mm/d)，管道或容器可在7 d甚至更短的时间腐蚀穿孔，不锈钢显示严重点蚀，而哈氏合金、钛材及纯钽可以很好地耐湿氯的腐蚀，但这3种特材同时也非常昂贵。

三氯化铁的物理性质决定了钢的耐氯性，而三氯化铁层的稳定性取决于氯的含水量。因此，碳钢安全用于氯气介质的前提是氯化铁的保护层不因高含量水和高温而潮解或熔化。

2 管道材料的选择

管道选材必须基于以下参数：①干氯或湿氯；②气体或液体；③温度；④压力。碳钢是液氯或氯气最常用的材料，具体选材时必须考虑每种情况下可能出现的温度。钢的冲击韧性会限制其使用，对于液氯和冷干氯气，应考虑到系统可能减压导致低温的可能性，使用具有保证低温冲击性能的细晶粒碳钢[3]。

碳钢可以很好地用于干燥的氯气中，但是为了安全使用，水的含量必须严格控制。根据经验，在氯气压力为0.4～1.2MPa(a)时，碳钢安全使用的含水量与温度见表2[2]，表中水的浓度是指大气压下干燥后的浓度，温度是指液化过程中的最低温度。

表2 干氯气选用碳钢时的安全水含量与温度关系

以下提供了氯气用碳钢管道的通用要求。化学组分必须满足相应材料标准的要求；任何部件的实际最大抗拉强度Rm不得超过以下两者中的较小值：①相关材料规范要求的最小值加上155MPa；②725MPa。

材料规定的最小屈服强度Re不得超过460MPa。

低温碳钢使用温度为-40～120°C，-40°C的温度极限考虑到氯蒸气在略低于大气压力的情况下可能过冷，120°C是碳钢在氯气介质中使用的最高温度。低温碳钢材料应根据相关材料标准进行夏比V型缺口冲击试验，轧制材料应横向于轧制方向进行试验。冲击试验温度最高应为-40°C，或设计条件和设计规范要求的较低温度。3个试验样品(10×10 mm)记录的平均和最小CvN能量见表3[3]，对于小尺寸样品，可根据试验方法采用等效值。

表3 材料样品的冲击功要求

在存在微量烃类油、水或铁锈风险的某些情况下，与氯的反应可使温度升高到足以导致钢自燃的程度。因此在接触氯之前，所有管道组成件必须彻底脱脂、清洁和干燥，以去除多余的氧化物、油、碳氢化合物、水分等。

3 阀门的设计选型

3.1 阀门材料的化学成分及物理性能

用于制造阀门的锻件或铸件应满足以下要求[4]：①碳含量不得超过0.25%；②熔炼碳当量(CE)不得超过0.43%，成品碳当量(CE)不得超过0.45%；③材料应为正火状态或退火+回火状态；④任何部件的实际最大抗拉强度不得超过以下两者中的较小值：相关材料规范要求的最小值加上155MPa，725MPa。

3.2 阀门的设计选型

液氯及氯气介质首选法兰截止阀，适用尺寸DN25～150，以外的尺寸不建议选用[5]。由于液氯的高膨胀系数特性，球阀一般仅用于氯气介质。在氯气介质中，阀门的最大工作压力不应超过阀门最大允许工作压力的80%，最小工作压力应考虑干燥管道时完全真空的可能性。

氯气用截止阀的阀杆密封应通过波纹管和辅助填料实现，且每台阀门应配备一个指示器，该指示器应清楚地指示阀门的全开和全关位置。波纹管截止阀适用尺寸为DN25～150，小于DN25的阀门仅用于仪表管线，但必须通过DN25的阀门与工艺管线断开。同时为了减小风险，大于DN150的阀门不适用于液氯介质[4]。典型的波纹管截止阀结构见图1。

图1 典型的波纹管截止阀结构

如图1所示，焊接的波纹管组件在流体与大气之间形成金属屏障，并与填料形成双重密封的效果，确保氯气介质零泄漏。

阀盖与阀体应采用法兰连接，法兰面为榫槽面，连接面应将垫片完全卡住，波纹管应焊接至阀体上，并带辅助填料，以防止波纹管发生故障时氯气泄漏至大气中。填料区域的阀杆应为升降式，阀杆处须设置防旋转结构，以保证填料在波纹管发生故障时的密封性能。

阀体至阀盖的螺栓长度应取法兰厚度和垫片空间所需的最小值。此举是为了限制螺栓和阀门内部零件之间热膨胀差的风险，从而最大程度减少阀体和阀盖接头的泄漏风险。

最重要的密封部件——波纹管也有严格的要求，材料应为高镍基合金(如哈氏合金C276)，波纹管应焊接到高镍基合金(同波纹管材质)的支撑环上，波纹管应至少设置两层。手动波纹管阀门应保证在阀门最大允许工作压力下，20°C时最小使用寿命为10 000个循环(全开-全关-全开)。

3.3 阀门的检验[4]

阀门铸件应进行100%的射线检测，并应按照ASME B16.34覆盖阀门的关键区域；铸件表面应在铸造厂进行100%的磁粉检测或渗透检测，如发现不可接受的缺陷，则应拒收。

用于锻件的原棒料应按照EN 10308进行100%超声波检查，验收标准应符合EN 10308标准3级要求。棒料经锻造和必要的表面处理后，应根据EN10222-1标准A6选项对每个锻件进行100%外表面检查，验收标准应符合EN 10228-1标准的3级要求。超出该验收等级的，可以按照EN 10228-1的规定进行修复，然后重复检查。

波纹管组件应逐个进行外观检查、染色渗透检查和气孔检查。

4 法兰及垫片的设计选型

法兰面应选用榫槽面，与阀门法兰端面相匹配。

因橡胶材料特有的活性，任何含橡胶的垫片不得用于氯气介质，一般选用PTFE作为氯气管道的密封垫片[5]。

5 结语

氯是重要的基本化工原料，在化工行业中扮演着非常重要的角色。氯气管道材料的正确设计是保证氯气管道正常安全运行的一项重要因素，干燥的氯气必须严格控制水含量和工作温度，才能保证碳钢管道的安全使用。同时，阀门应选用波纹管截止阀，确保氯气不会向大气泄漏。