聚四氟乙烯衬里设备常见故障分析

2014-01-06付建林郑九丽马小龙王洁

石油化工设备 2014年3期

关键词：衬层衬里聚四氟乙烯

付建林，郑九丽，马小龙，王洁

（1.宁波巨化化工科技有限公司，浙江宁波 315204）

（2.浙江巨化股份有限公司电化厂，浙江衢州 324004）

（3.浙江工业大学机械学院，浙江杭州 310014）

1 四氟乙烯衬里设备简介

聚四氟乙烯（简称F4或PTFE），俗称“塑料王”，具有高化学稳定性。用它加工的衬里设备，能耐几乎所有的强酸、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的腐蚀，同时还适用于较宽温度范围内（-20～180℃）。通过一定的加工工艺改进，可实现在较高压力下（≤2.5MPa）的使用。聚四氟乙烯衬里设备已在耐腐蚀要求较高的化工生产企业中得到了越来越广泛的应用。

常见聚四氟乙烯衬里结构如图1。为适用压力、温度等复杂条件的环境，聚四氟乙烯衬里结构通常有针对性地得到了改进，比如：在四氟层中加入金属网，可以降低聚四氟乙烯衬里的热胀冷缩性，提高耐负压能力；在四氟层中加入聚全氟乙丙烯，提高耐温抗变形能力等等。

目前，聚四氟乙烯衬里技术有两个标准：HG20536-1993《聚四氟乙烯衬里设备》和HG/T21562-1994《衬聚四氟乙烯钢管和管件》。这两个标准建立了聚四氟乙烯衬里设备设计、制造、检验和验收、试验方法等多个方面的技术规范，对促进聚四氟乙烯衬里设备在我国防腐领域中的发展具有重要作用。

图1 聚四氟乙烯衬里结构图

2 四氟乙烯衬里工艺介绍

聚四氟乙烯衬里可分为松衬和紧衬两种。两者的优缺点比较见表1。

表1 松衬和紧衬两者的优缺点比较

优点工艺简单，投资少，成型快。1.电火花检测不会有漏点；2.可对体积较大的设备整体衬里，减少密封点；3.不受设备形状的限制，可以衬多种形式的设备，如方形。缺点1.在负压和温度变化较大的环境中，容易引起四氟板内瘪、鼓泡、法兰边开裂等问题；2.在电火花检测中，某些四氟板上的针孔可能无法检出。设备钢体内壁的表面处理和粘结剂质量的好坏决定了衬层的稳定性。常见型式普通钢衬四氟设备，俗称松衬F4设备。四氟乙烯—萘钠溶液处理粘结法，见图2。

由于松衬工艺固有的缺陷，应用于生产后出现了较多问题。紧衬设备则因衬里的板材可以进行拼接，拼接的缝隙通过焊接使其成为一个整体，从而不再受设备形状的约束。国外早在上世纪80年代就采用紧衬工艺取代了松衬。近年国内许多生产厂家通过吸收国外紧衬工艺技术，研发了自己的紧衬设备技术。目前，我国聚四氟乙烯紧衬工艺技术基本达到了国际先进水平。

3 四氟乙烯衬里设备常见故障和处理

无论是松衬还是紧衬，衬里设备的主要故障有：內瘪、鼓泡、开裂、渗透等（见图3）。造成这些故障的原因多种多样，需结合实际进行分析，并采取针对性措施。

产生上述故障的主要原因有：

(1)因工艺设备和管道设计复杂，衬里加工技术（例如焊接等技术）不成熟引起的故障；

(2)聚四氟乙烯在20～250℃时的热胀冷缩均值为169.5×10-6/℃，是钢铁材料(12.8×10-6/℃)的13倍，松衬四氟设备在负压和温度变化较大的环境中使用引起的故障；

(3)工艺操作中，因泵启动时造成瞬间较大的冲击压力、泵停止时液体回落产生负压而引起的故障；

(4)因四氟乙烯树脂原材料质量问题引起的故障。

为解决以上这些问题，可采取如下措施：

3.1 针对聚四氟乙烯衬里设备的加工特点，在设计工艺设备和管道时应以“从简”为原则。设备上尽量减少管口数量，降低设备管口处聚四氟乙烯衬层的焊接点。管道上应尽量减少非常规管件的使用，如异径三通、偏心异径管等，从设计源头降低衬里设备的故障率。

图2 某紧衬设备

图3 内瘪、开裂、鼓泡、渗透的四氟衬里

3.2 改进聚四氟乙烯板材的连接工艺。聚四氟乙烯板材的连接方法主要有搭接法和焊接法两种。搭接法有一条重叠的密封线，能分离，会影响到设备的密封；焊接法可靠性低，稳定性差。两者的抗拉强度都较低。根据聚四氟乙烯板材在385℃左右具有一定熔融性的特点，可采用聚四氟乙烯板材熔融连接法。在熔融过程中可以添加SiO2、AL粉等填料，改变四氟表面结构和性质，增加粘结强度。但这些填料与四氟的结合度却不高，直接影响了四氟板与钢体的粘结强度。因此，有的厂家研制了一种硅烷类偶联剂-F溶液，通过表面处理，改善了四氟表面烧结状态，提高了熔融法粘结强度，效果很明显。实践证明，这种连接方法外表美观，抗拉强度高。

3.3 从四氟板的表面改性出发，通过一定的化学工艺，对四氟板表面进行活化处理，增加四氟板与钢体之间的粘结力。常用的为萘钠处理液。萘钠处理液主要成分是萘钠络合物，由萘和钠在四氢呋喃溶剂中反应制得。萘钠络合物和四氟的反应，实际上就是固相电化学反应。经过反应，四氟表面氟原子被提取，与溶液中钠离子结合，生成NaF，处理后的四氟表面为剩下的碳碳骨架，此时便可以被任何粘结剂粘合。

3.4 松衬设备不适用于负压和温度变化较大的环境中，但为了使松衬设备适用于负压环境和较低的温度变化环境，可考虑如下方法：

3.4.1 设备设计为双层钢壳结构，即带“夹套”。在内层钢壳上开设小孔，聚四氟乙烯板衬于内层钢壳内，当负压操作时，设备内部与“夹套”同时抽真空，可以维持聚四氟乙烯衬板两侧的压力，从而解决了负压操作的问题。

3.4.2 在衬层内加设金属网，金属网格能将聚四氟乙烯各点的热应力分散，从而较好地控制聚四氟乙烯衬层的伸缩量，其热胀冷缩量可降低到与钢壳基本一致。为了提高耐负压能力，温州某公司通过在衬层中盘上钢丝，像弹簧一样，钢丝有粗有细，可对应不同的耐负压能力。

3.4.3 利用波纹补偿器的原理，钢体每隔一段距离就均匀设置一个金属支撑环（外包四氟），可有效提高衬层与钢体的结合度，增加耐负压性能并能有效引导热量的均匀分布，消除因两种材质热膨胀系数不同造成的热应力集中。

3.5 工艺操作导致的衬里设备故障，可通过加强和完善工艺操作来避免。如泵在启动后，出口阀应缓慢打开；泵停止前，应首先关闭出口阀后再停泵，从而避免管线诱导振动的加剧；设备加料时，应避免采用抽负压的方式；设备放料时，应注意打开进气阀或放空阀等。只要认真执行操作规程，了解衬里设备的特殊性，就可以避免损坏衬里设备。

3.6 聚四氟乙烯衬里工艺中，最关键的防腐材料是聚四氟乙烯树脂。树脂的质量直接影响到聚合物的性能。聚四氟乙烯生产作为一种成熟的工艺，国内外均有众多厂家进行大规模生产，其品质也是参差不齐，有正品，也有次品，甚至是回收品，价格相差悬殊。

聚四氟乙烯具有很好的不渗透性，如图3所示的渗透问题，是某厂用于输送液溴的一截衬聚四氟乙烯管道，压力0.2MPa，常温，液溴呈红棕色。发现泄漏时，管道法兰密封面及管道内部衬里均完好无损，但与物料直接接触的四氟衬层表面已变色并呈红棕色。将法兰处衬层撬开，从断面上可以明显看到液溴已经渗入了将近5 mm，相当于整根内衬层全部被液溴渗透。查据相关资料得知，聚四氟乙烯对0.27 nm以上直径的分子具有完全的不渗透性，而溴分子直径明显高于0.27 nm。在正常情况下，聚四氟乙烯衬里层不应被渗透，后经查证是聚四氟乙烯树脂原料不合格造成。因此绝不能使用次品或回收料生产聚四氟乙烯板材。在购置关键衬里设备前，设备使用单位应到衬里设备加工厂实地考察，确认原材料品级，避免以次充好。