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磷酸、 磷铵工业装置管道与阀门的选用 姚永发 南化集团设计院210048 摘要 根据磷酸、 磷铵生产过程中输送介质的特性,结合我国15年来建设和生产 磷酸、 磷铵的实践经验,讨论并推荐磷酸、 磷铵生产过程中管道与阀门的选取。 主题词 磷酸 磷酸铵 管道 阀门 工业装置 中图分类号 TQ 442. 14 我国在 “九五” 时期建设的6个磷铵项目, 可新增磷铵生产能力135万吨,另7个 “九五” 启动要接转到 “十五” 完成的磷铵项目为120 万吨生产能力。 此外,在云南、 贵州等磷矿产 地安排的200万吨生产能力磷铵项目,其前期 工作也已开始。 这些工程的建设将耗用数百 亿元的投资。 1990～1992年世界湿法磷酸产量为 2 500～2 700万吨[1],至1994年我国建成各 种不同规模的湿法磷酸生产装置98套,总生 产能力240万吨[1]。 这些湿法磷酸装置生产的磷酸,绝大部 分用于生产磷铵磷酸一铵或磷酸二铵 , 部 分用于生产重过磷酸钙简称重钙。1979年 国外磷铵和磷铵系复肥装置的生产能力为 5 139万吨[1],至1994年我国建成各种规模的 磷铵装置98套,生产能力为437万吨[1]。 由此 可见,我国的磷酸、 磷铵工业至90年代中期已 形成一定的规模,为 “九五” 和今后的发展奠 定了坚实的基础。 1 磷酸、 磷铵装置对管道和阀门的技术要求 氮肥、 石化工业装置的介质主要是气体、 液体或气-液混合物;磷肥包括磷酸、 磷铵、 硝酸磷肥、 过磷酸钙、 重钙及饲料级磷酸氢 钙装置均以液体、 固体或混合物为主。 除用泵 输送的介质具有一定压力外,大部分介质处 于常压或低压状态。 磷肥生产中液固相介质 的主要特点是腐蚀、 磨损、 结垢和堵塞。 由于 磷肥品种繁多,介质也有区别,选用管道与阀 门的技术要求可以湿法磷酸生产介质为代 表,其它品种生产介质可参照湿法磷酸生产 介质对管道与阀门的选用要求。 由于湿法磷酸生产方法不同,其介质的 温度和耐腐蚀性能差异很大,半水法磷酸生 产中,介质温度～100℃,磷酸浓度40～ 45P2O5,对设备与管道材质选用要求甚高, 钼二钛、 钼三钛管道均被腐蚀,即使是欧洲磷 酸通用的不锈钢UB6材料,使用在反应装置 的导流筒上碳钢管外包UB6板也被腐蚀 穿孔[2]。 我国98套磷酸装置中半水法装置仅 参见图1D- 300- 41风机供油系统改造 图,风机启动前首先应启动电动油泵,润滑油 沿202. 75 mm油管经单向阀、 过滤冷却 器、 压力表供给各轴承部位,同时沿152. 75 mm管经窥视镜把润滑油压到高位油 箱内,高位油箱设有一溢流管,打满的油经 202. 75 mm油管溢流回到1. 5 m 3的油 站,油站与各轴承回油管相通,且与风机下部 内腔空间储油箱相通,保证整个润滑油系统 相通,不会形成一潭死水。 如突然停电,高位 油箱的润滑油会自动沿原油管反向流回到各 轴承部位,保证转子在转动时各轴承位有一 定的压力,有足够的润滑油,从而保证风机正 常运转。收稿日期 1997 06 02 131998年第1期 磷 肥 与 复 肥 2套,半水-二水法1套,其它95套均为二水 法,故以二水法磷酸装置的介质为代表论述 其介质特点以及对管道和阀门的选用要求。 用硫酸分解磷矿生成湿法磷酸的介质为 液相磷酸以浓度P2O5表示和固相磷石 膏,其液固相的组成与磷矿的组成密切相关, 大致如下 液相组成 磷酸 P2O5 20～30 游离硫酸 H2SO4 1～2. 5 氟硅酸 H2SiF6 1～ 3 视磷矿中 氟含量而变化 液相温度 60～85℃ 固相组成 主要成分 CaSO4ı 2H 2O 次要成分 Si O2、 未分解的磷矿 液相与固相的比例 液相 60～75 固相 40～25 上述介质在输送过程中对管道有强烈的 腐 蚀 和 磨 损,碳 钢 与 一 般18 -8 1Cr18N i9T i不锈钢是不能使用的,虽然是 同一种介质,腐蚀与磨损的严重程度与介质 的温度、 磷酸浓度也有很大关系。 一般来说, 磷酸浓度越高、 介质温度越高,腐蚀性越强, 上述磷酸介质的腐蚀速率随温度的变化有下 列关系式[3] Ct2Ct1t2-t1 xt 式中 t2、t1介质温度,℃; Ct2、Ct1在温度t2、t1下每年消失的 金属厚度mm , 表示磨 损、 腐蚀速率; xt 腐蚀指数,当t1≥70℃, t2≤ 85℃时,相当于0. 25; 按上式可计算出85℃的腐蚀速率是70℃ 的两倍。 因此,国内二水物磷酸生产的操作温 度在逐步取得经验后,从过去的75～85℃,逐 步降低到65～75℃。 除了腐蚀和磨损外,在材质选用上还要 兼顾介质结垢、 堵塞的特点。 国内近10年内在 设计和运用中正逐步取得经验,归结起来,对 阀门与管道选用的技术要求如下 1 耐腐 蚀、 耐磨损 ; 2 不易结垢、 堵塞 ; 3 价格适 中 ; 4 使用周期相对较长。 2 管道与阀门的选用 80年代初期投产的工业装置,在生产中 管道和阀门出现了许多问题。 例如我国某中 型磷铵厂,开始使用的磷酸管道大多是钼二 钛、 钼三钛不锈钢或从国外进口的316或316 L超低碳钼钛不锈钢,这种管道耐腐蚀、 耐磨 损,但特别容易结垢。 管道与阀门内结垢,堵 塞严重,迫使操作工敲打管道与阀门,不少管 道被敲瘪,严重地影响了生产。 正因为如此, 在磷酸生产中,在开车3～7天后必须停车清 洗设备、 管道和阀门。 有些厂要每天清洗一 次,可见磷酸生产中的结垢、 堵塞对生产影响 的严重程度并不亚于腐蚀、 磨损。 由此可见, 在管道与阀门的选用上必须兼顾耐腐、 耐磨、 防结垢、 防堵塞,否则必将影响装置的开车 率。 现提出如下看法。 211 管道 211 1-34〗1 低压和常压管道 低压和常压管道材质的选用次序应以聚 丙烯管原轻工业部标准HG246- 81,增强 聚丙烯管化工部标准HG20539- 92、 玻璃 钢管化工部标准HGJ534- 91和聚四氟乙 烯管原轻工业部1985年制订、1986年起实施 的国家专业标准ZBG33001- 85。 上述4种 管道在磷酸工业装置上均可运用。 现评价如 下。 1 聚四氟乙烯管PTFE 这种管 道在耐腐蚀、 耐温和防结垢、 防堵塞方面最 佳,但价格太贵,所以只有在诸如半水物磷酸 温度较高、 腐蚀性特别严重的部位才选用。 2 玻璃钢管FRP 这种管道价格 较便宜,但在实际使用中质量不稳定,它的质 量主要取决于施工质量和制造玻璃钢管道的 23 磷 肥 与 复 肥 1998年第1期 w w w . b z f x w . c o m 原料树脂及玻璃纤维的质量,如果施工质量 和原料质量均得到保证,可用在磷酸管道上。 据笔者在90年代初视察过的20多个3万吨 年 磷铵装置现场,绝大部分厂的玻璃钢管质量 低劣,有的厂只能拆掉返工。 另外,玻璃钢管 施工中的管道联接和弯头处是薄弱环节,四 川银山磷肥厂自制的用于磷酸料浆介质的玻 璃钢管道曾爆裂两次,除了质量问题,还有腐 蚀、 温度当时介质温度在80～85℃之间问 题。 但是在河北、 山东玻璃钢管道施工和使用 效果均好。 从施工和使用效果看,河南开封和 江苏宜兴两个专门从事玻璃钢管道和设备制 作和现场施工的企业较好。 3 聚丙烯管PP和增强聚丙烯管 FRPP 这两种管道是我们推荐在磷酸工 业装置中使用的管道,其主要理由如下 ① 耐腐蚀、 耐磨损。 ② 不易结垢、 堵塞。 聚丙烯管内表面光 滑,不易吸附结垢,从理论上也发现其表面张 力较小,仅次于聚四氟乙烯。 不锈钢虽耐腐耐 压,但其表面张力是聚四氟乙烯的5倍。 各种 材料的表面张力见附表。 附表 各种材料的表面张力 固体材料表面张力Nm 20 ℃ 聚四氟乙烯0. 018 聚丙烯0. 029 聚乙烯0. 031 聚苯乙烯0. 033 聚氯乙烯0. 039 不锈钢0. 090 钼二钛0. 086 铜1. 43 碳化钛1. 19 水0. 073 甘油0. 065 汞0. 484 由附表可知,常见的不锈钢、 钼二钛和铜 等金属为高能表面,通常高能表面硬度大,熔 点高,它们与一般液体接触后,常为一般液体 所润湿粘附。 而附表中前5种高聚物为低能 表面,其润湿粘附性能随介质组成、 性质虽 有差异,但比金属轻得多。 使用表面能低的材 质,表面结垢轻;使用表面能高的材质,表面 结垢较严重。 ③ 使用温度在磷酸工业生产温度范围 内 聚丙烯管的使用温度为- 14～100℃,增 强聚丙烯管为- 14～120℃,工业磷酸生产温 度在此范围内,而玻璃钢管的使用温度是≤ 80℃,所以当磷酸生产中操作温度控制在80 ～85℃时,它处于边缘状态。 分析银山磷肥厂 1987年玻璃钢管爆裂原因,除施工质量外,介 质温度也可能是其原因之一。 ④ 价格低 聚丙烯管价格不到钼二 钛、 钼三钛管价格的110,比聚四氟乙烯管也 低数倍,与玻璃钢管的价格接近。 ⑤ 施工安装质量容易保证 聚丙烯管 可用法兰连接,增强聚丙烯管还可不用法兰 连接,在现场改用 “碰焊”,施工方便,质量容 易保证。 综上所述,在磷酸工业生产中选用聚丙 烯和增强聚丙烯管较为理想,所以近年来聚 丙烯管的应用越来越多。 21112 中压和低压管道 磷复肥生产中,几乎很少使用中压管道, 在磷石膏长距离输送情况下,用中压泵水力 输送,其它场合应用中压管道甚少,故将低压 列入这一部分论述。 磷酸工业中的中低压管道大多采用增强 聚丙烯管视压力不同而异、 聚丙烯 玻璃钢 管PPFRP、 衬塑PP、PE、PVC钢管化 工部标准HG20538- 92、 聚乙烯滚衬钢塑 管、 聚烯烃热滚衬钢塑管和衬胶钢管化工部 标准HG21501- 93。 这些管道在磷酸生产 中使用的优缺点,可详见参考文献〔1〕 中第 788页衬胶钢管、 第792页衬塑钢管、 第 799页聚乙烯滚衬钢管、 第814页聚丙烯 玻璃钢复合管、 第822页增强聚丙烯管和 第834页聚烯烃热滚衬钢塑管。 上述5大类 中低压管的使用条件、 管道和管件标准,有些 包括安装注意事项均在参考文献〔1〕 中列出。 从价格上比较,在使用压力≤1M Pa的条件 下,以增强聚丙烯管最低,阻垢情况也好。 当 331998年第1期 磷 肥 与 复 肥 w w w . b z f x w . c o m 然选用者要视工况介质性质、 温度、 耐压要 求、 阻垢、 防堵塞以及价格、 安装等各方面综 合比较后选用之。 212 阀门 阀门种类繁多,但适用于磷酸、 磷铵介质 要求防腐蚀、 耐磨损、 阻垢、 启闭方便、 维修 简便的阀门不多。 使用效果较好的阀门,可 分成三类。 21211 管夹阀 磷酸料浆和磷酸均具有强腐蚀性,磷酸 料浆含固量较高W固 28～33 ,磷酸 由于液固相分离中过滤介质滤布的穿滤率 以及滤布破损使固相颗粒进入液相磷酸中而 造成磷酸中含有一定的固相量一般W固在 1～ 3 。 因此,磷酸料浆和磷酸对阀门有 较强的磨损。 通过长期实践认识到 “阀门产品 手册” 〔3〕 中的阀门均不适用于磷酸料浆和磷 酸介质,而只能用管夹阀。 管夹阀在上述两种 介质及有腐蚀、 含固量较高的有色、 黑色选矿 介质中却能起到一般阀门所不具备的作用。 管夹阀是由上下铝合金阀体、 耐腐蚀橡 胶管套、 大小阀杆闸板、 上下导柱等零件组 成 〔1〕 。 其工作原理是当顺转手轮时,使大小 阀杆同时带动上下荐板,压缩管套,进行夹 闭,反之即行开启。 这样,阀板在导柱之间上 下往复完成阀门启闭工作。 从多年使用实践 看,这种管夹阀在磷酸料浆和磷酸介质中的 使用是成功的,它明显的优点是比用钼二钛、 钼三钛材质制造的阀门价格低得多,原因是 结构简单、 重量轻、 材质少、 原材料价格低廉, 且操作使用方便、 检修容易。 21212 旋塞阀和球阀 磷铵料浆与磷酸料浆、 磷酸介质相比,对 阀门的耐腐、 耐磨性能要求稍低。 因为磷铵料 浆是用氨与磷酸进行中和反应生成的盐类溶 液。 料浆由反应器出口至阀门,温度在105～ 110℃,前面所述的管夹阀其橡胶管套不能耐 此温度。 实践证明,由钼二钛、 钼三钛材质制 造的旋塞阀和球阀使用效果较好,且旋塞阀 和球阀具有流阻小、 启闭快、 操作方便、 结构 紧凑、 密封性能好等优点,故在磷铵及类似磷 铵料浆的其它磷复肥工业装置中被广泛使 用。 21213 放料阀 在液固或气液反应的磷复肥工业反应装 置中,反应器下部或侧面常设有放料阀,这种 放料阀如化工部标准HGT 5- 10- 81手动 上展式铸不锈钢放料阀、HGT 5- 11- 81手 动下展式铸不锈钢放料阀等,还有各有关设 计单位自行设计的放料阀。 不管那种阀门,选 用者必须根据使用的介质条件腐蚀性、 磨损 性、 含固量、 温度、 安装条件、 操作位置以及 价格比较后,慎重选择。 因为这种由钼二钛或 钼三钛材质制造的放料阀结构较为复杂,价 格较贵,有的一只阀门高达数万元甚至十几 万元人民币。 例如在磷酸装置的反应槽下侧 的放料阀,由于只是在停车放料清槽时才使 用,往往不易打开或因长期不开闭造成阀芯 结垢而很难开闭,致使操作工宁愿不开阀门 而用泵吊起来再下移至槽底进行输送料浆, 进行清槽,所以放料阀的选用必须慎重。 磷复肥工业自80年代初开始全面发展建 设以来,已有15年历史,虽然已取得不小的进 展,工业装置中的管道和阀门由于其介质的 特殊性,设计人员和使用人员也取得了一些 成功的经验,但毕竟时间不长,需要在今后的 设计和生产实践中不断总结经验,进行提高。 我们也期望阀门和管道制造行业的人员结合 磷复肥生产介质条件,开发和生产出能耐腐、 耐磨、 阻垢、 使用和检修方便、 价格适中、 质量 更好的阀门和管道。 参考文献 1 姚永发,方天翰主编.磷酸磷铵重钙技术与设计手册.化 工出版社, 1997 2 姚永发.磷酸磷铵装置中的材料和泵.化工设备设计, 19922 20 3 崔凤鸣汇编.阀门产品手册.水利电力出版社, 1989年 收稿日期 1997 09 11 43 磷 肥 与 复 肥 1998年第1期