输送氯气用工业管道的材质选择

2020-06-07管庆

化工时刊 2020年4期

管庆

(瓦克化学(南京)有限公司，江苏南京 210047)

氯气是工业中经常用到的气体原料，广泛应用于化学化工、制药、冶金、电子、环保等[1, 2]行业。氯气属于有毒气体且是一种强氧化剂，在工业装置中一般采用管道密闭的方式进行输送，避免因泄漏造成安全、环保事故。管道材质的选择是设计输送氯气用工业管道(以下简称“氯气管道”)首先必须解决的问题，事关能否安全、经济、高效的使用氯气，甚至可能决定整个项目的成败。

对于氯气管道材质的选择，一般需要考虑以下四点：①氯气的化学特性②氯气的状态参数(干/湿状态、温度、压力等)③管道的工作环境(室内、室外等)④管道材质的经济性

1 氯气化学特性的影响

氯属于卤族元素。氯气是一种强氧化剂。尽管如此，氯气本身还是比较稳定的。纯净的氯气在常温下与金属铁不会发生化学反应。正是基于此，工业上，特别是在氯碱行业中，碳钢管道被大规模的应用于低于80 ℃的干氯气的输送[3, 4]。同时，因为氯气的高毒性及泄漏后可能造成严重后果，氯气管道的材质还必须可靠及耐用。例如玻璃虽然对氯气有非常好的耐受性，但由于玻璃管道本身易碎，且管口连接处密封可靠性不高，其耐压性也有局限，因此一般不建议作为工业氯气管道的主材使用。

2 氯气状态参数的影响

工业应用中，含水量小于0.05%(v/v)的氯气可称为干氯气。反之，则为湿氯气。对低于80 ℃的干氯气，碳钢材质(如20#/GB/T9948、16Mn/GB64795[5])管道就能满足输送要求。但是对于湿氯气，由于水和氯气会在常温常压下发生下列反应：

产生氯化氢和具有强氧化性的次氯酸，而氯化氢又极易溶于水生成盐酸，加之氯气本身的强氧化性，导致湿氯气具有极强的腐蚀性，碳钢、奥氏体及双相不锈钢管道皆不适用。在金属管道中，较常见用于湿氯气输送的有钛管、钛合金管和哈氏合金管(如Hastelloy C-22)。在条件允许的情况下，更多的是采用非金属管道输送湿氯气。适用于湿氯气输送的非金属管道有很多，比如玻璃、耐酸酚醛塑料[6]、PVC+FRP(PVC外缠FRP)、PVDF、PFA、PFA+PVDF(PVDF衬PFA)、PTFE管道等。除了氯气的干、湿状态，氯气的设计压力、设计温度也会影响管道材料的选择，例如玻璃管道的最大使用压力一般不能超过2.0 barg，PVC+FRP管道的使用温度不宜超过60 ℃。

3 管道工作环境的影响

在工业应用中，氯气管道一般会有室内和室外部分。而普通非金属管道(如PVC、PVDF、PTFE)的抗紫外线能力一般较差，导致其在室外的老化速度远比金属管道要快，因此在选择氯气特别是湿氯气的室外管道材料时要特别留意。如果选择非金属管道作为氯气的室外管道，一定要选择具有抗紫外线能力的(例如碳钢衬PTFE管)，也可考虑采用铝皮、彩钢板包裹的方式避免紫外线的影响。除此以外，对特殊工况还需要具体分析，例如将干氯气通入热的水溶液液面下进行工艺反应时，在氯气与水溶液的交界面上肯定会形成湿氯气，如果还选用钢管作为插入管显然是不合适的，同时还必须兼顾水溶液在反应前后的具体情况(比如温度、压力、pH值等)。

4 管道材质的经济性

对于氯气管道的材质选择，在保证安全可靠的前提下，也应考虑到经济合理性。例如PTFE管道对氯气有非常好的适用性，但是如果单独大量使用，价格太高，施工难度又大，还不耐紫外线，所以一般会选择碳钢衬PTFE管。还有例如贵金属氯化物生产工艺[7]需要将室外氯气站的干氯气通入生产车间内反应釜中的强酸性热水溶液中进行反应，且最终产品质量对于铁离子的含量相当敏感，此种情况如果使用单一材质管线，要么无法满足工艺要求，要么就是难以找到材料或者由于材质的特殊性而价格不菲，因此必须考虑采用多种材质管线结合使用的方式，例如可选用碳钢管道作为氯气站至生产车间的外管主材，而车间内直至反应釜附近的管线可选用PVC外缠FRP管道，最后接近反应釜直至深入反应釜内水溶液液面以下的管线可选用聚四氟乙烯管道或者PFA+PVDF管道。显然这样多种材料结合使用，既满足了氯气管道的使用要求，又兼顾了经济性。