CPVC和PP-H在烧碱装置中的应用

陈兴安　中国成达工程有限公司　成都　610041



CPVC和PP-H在烧碱装置中的应用

陈兴安中国成达工程有限公司成都610041

摘要简要介绍烧碱装置的主要工艺流程、工艺物料特性和氯化聚氯乙烯(CPVC)及均聚聚丙烯(PP-H)管道材料的物理特性；详细推算CPVC和PP-H管道材料的温度压力表，得到CPVC和PP-H管道在烧碱装置的应用范围及注意事项。

关键词工艺流程CPVCPP-H性能特点温度压力

*陈兴安：高级工程师。1997年毕业于南京工业大学化工机械专业。从事化工工程设计及管理工作。联系电话：(028)65531825，

E-mail：chenxingan@chengda.com。

金属和合金的腐蚀主要是由于化学或电化学作用引起的破坏，有时还同时伴有机械、物理或生物作用，如应力腐蚀和疲劳腐蚀等。非金属的破坏一般是由于化学或物理作用引起，如氧化、溶解和溶胀等。金属腐蚀主要是表面现象，内部腐蚀很少见，而非金属内部腐蚀则是常见的现象。如果设计考虑不周，非金属管道比金属管道更容易在很短的时间内就破坏或断裂，给业主造成重大的经济损失，甚至造成责任事故。

氯化聚氯乙烯(以下简称CPVC)和均聚聚丙烯(以下简称PP-H)等塑料管与传统金属管道相比，具有自重轻、耐腐蚀、水流阻力小、节约能源、不导电、改善生活环境、安装方便等，但其缺点是不耐高温和高压，且线膨胀系数大，在工程实际应用中最容易忽视的这点。下面根据其特点介绍CPVC和PP-H塑料管道在烧碱装置中的应用。

1烧碱装置主要工艺流程

烧碱装置主要工艺操作单元：→一次盐水精制→电解(包括二次盐水，电解和脱氯)→蒸发及固碱工序→氯气处理→废气处理→氢气处理→液氯工序→盐酸合成工序。装置核心部分是电解工序，该工序主要是电解氯化钠溶液(NaCl),从而得到电解后的产物氯气(Cl2)、氢气(H2)和氢氧化钠(NaOH)，其化学方程式如下：

2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑

典型工艺流程见图1。

图1　烧碱装置工艺流程

2CPVC和PP-H塑料管道的性能特点

2.1　CPVC

CPVC是聚氯乙烯树脂后氯化得到的一种独特聚合物，氯含量为64%～68%，最高达70%以上。随着树脂中氯含量的增加，其密度增大，软化点、耐热性和阻燃性提高，拉伸强度提高、熔体粘度增大、耐化学腐蚀性优良，在沸水中也不变形，其主要物化数据见表1。

结合上述CPVC主要物化数据与金属材料和其他一些塑料材料相比，其主要有以下性能特点：① 使用温度范围广：-40~90℃；② 具有良好的强度和韧性；③ 具有良好的耐化学腐蚀性能；④ 阻燃性能为自熄性；⑤ 低热传导性能，约为钢材的1/400；⑥ 管壁平洁光滑：输送流体时具有较小的摩擦阻力和附着力；⑦ 重量轻：相当于钢管1/5;⑧ 安装方便：可采用粘接、螺纹、焊接等方式连接；⑨ 优异的耐老化和抗紫外线性能，正常使用寿命较长。

表1　CPVC管道材料物理及机械性能表

2.2　PP-H

聚丙烯是热塑性塑料，耐化学腐蚀性优良，除浓硝酸、发烟硫酸、氯磺酸等强氧化性酸外，能耐大多数的有机和无机酸、碱和盐。对应力腐蚀破裂的抗蚀性良好。常用的聚丙烯有以下三种：① PP-H：均聚丙烯；PP单体为均聚；② PP-B：分段共聚聚丙烯，是由PP-H和PP-R与橡胶形成的两相或多相丙烯共聚物；③ PP-R：无规则共聚聚丙烯，是丙烯与另一种烯烃单体共聚而成的无规共聚物。烧碱装置中最常用的是均聚聚丙烯(PP-H)，其主要物化数据见表2。

结合上述PP-H主要物化数据与金属材料和其他一些塑料材料相比，其主要有以下性能特点：① 使用温度范围广：-10~90℃；② 具有良好的强度和韧性；③ 具有良好的耐化学腐蚀性能；④ 低热传导性能，约为钢材的1/500；⑤ 管壁平洁光滑：输送流体时具有较小的摩擦阻力和附着力；⑥ 重量轻：相当于钢管1/7；⑦ 安装方便：采用热熔焊接等方式连接；⑧ 优异的耐老化和抗紫外线性能，正常使用寿命较长；⑨ 不导电，没有电位腐蚀。

3CPVC和PP-H塑料管道的应用

从烧碱装置的主要工艺流程看，大多数工艺介质是酸、碱和盐等，如盐酸、稀硫酸、氢氧化钠，氯化钠溶液(盐水)等，这些工艺介质的腐蚀性特别强，是绝大多数常规金属不能克服的，但UPVC、CPVC、聚丙烯(PP)、玻璃钢(FRP)等塑料是耐这类酸碱腐蚀材料较理想的选择。下面我将根据上述烧碱装置工艺物料特性和塑料管道材料的特性并结合工程的实际情况来着重谈谈CPVC和PP-H在烧碱装置中的应用。

表2　PP-H管道材料物理及机械性能表

非金属管道在烧碱装置中的应用非常普遍，技术也很成熟，在以往的工程中也很少出现比较大的问题，但随着烧碱装置规模的扩大，个别工程中一些大口径的管子在温度和压力较高的情况下出现了破裂甚至是断裂的情况，究其原因主要有以下5点：

(1)现行的国家标准和企业标准对非金属管道尤其是CPVC和PP-H塑料管道没有一个明确的类似于金属管道一样的温度压力表。

(2)在以往的设计中对CPVC和PP-H塑料管道的温度压力限制重视的程度不够。

(3)非金属管道线膨胀系数大的特点对管道热膨胀造成的影响认识不足。

(4)非金属管道的质量参差不齐，没有像金属管道一样成熟的检验和验收标准，有些业主为了省钱或把关不严，采购一些不合格的产品。

(5)部分施工单位没有严格按照非金属管道供应商的要求进行施工，施工质量很难达到设计文件和供货厂商要求的效果。

CPVC管道材料主要应用于精制淡盐水、盐酸和湿氯气等腐蚀性强的介质，PP-H管道材料主要应用于碱液，特别是要求不导电和不带铁离子的循环电解碱液。这两种非金属材料成功的使用业绩我就不在这里多谈了，下面重点谈的是这两种非金属材料线膨胀系数大和所承受的温度压力限制对管道设计的影响。

CPVC管道材料的线膨胀系数为7~8×10-5m/(m·k)，约是普通碳钢的6~7倍，PP-H管道材料的线膨胀系数为16~18×10-5m/(m·k)，约是普通碳钢的10倍，在做管道应力计算、柔性分析和管道支吊架时应充分考虑到这点。

4管道材料的温度压力表

CPVC和PP-H塑料的使用温度和压力不仅与管子的壁厚有关，而且与管子的大小和使用年限也有很大关系。下面根据相关的国家标准规范和企业标准分别推算出CPVC和PP-H管道材料的温度压力表，以便于在今后的设计文件中借鉴和参考。

4.1　CPVC

CPVC管道材料的温度压力表的计算过程。

(1)CPVC管子材料的温度压力表计算公式：

(1)

式中，T为绝对温度，K；t为破坏时间，h；σ为静液压力，MPa。

其中：

(2)

式中，P为管材所受内压，MPa；dem为管材的平均外径，mm；emin：管材的最小壁厚，mm。

另外

(3)

式中，S为一个与公称外径和公称壁厚有关的无量纲数值；dn为公称外径，mm；en为公称壁厚，mm。

由于管子公称壁厚允许的偏差都是正偏差，

所以

可以简化为:

σ=PS

(4)

在一个实际的工程设计中，S和t(根据设计寿命确定)都可认为是恒定值，根据式(1)可以推算出T和P的函数关系。

(5)

下面举例来推算一下T和P的函数关系。

假使淡盐水介质温度为85℃(358K)，管子系列S为5，使用年限为5年(每年按8000h计)，推算出其所承受的压力。

由式(5)所得：

从而得到：

σ=5.82MPa

由式(4)所得：

安全系数取2，得：

式中，P1为介质的设计压力，MPa。

(2)CPVC管件材料的温度压力计算公式：

(6)

计算出介质的设计压力P1为0.37MPa。

根据式(5)和式(6)的计算结果，同样规格的管件比管子承受的压力低，按上述计算方法可计算出1~20年的CPVC管道材料温压表(以管件为准)，现只列出5年、10年的温压表，分别见表3和表4。

上述CPVC管道材料温压表的计算结果表明，当介质的温度超过60℃时，管道所承受的压力急剧下降，当温度达到90℃时，管道所承受的压力仅仅只有2.4kg/cm2。

表3　CPVC管道材料温压表(设计寿命为5年)

表4　CPVC管道材料温压表(设计寿命为10年)

4.2　PP-H

PP-H管道材料温度压力表的计算过程。

PP-H管子材料的温度压力计算公式：

(7)

式中，T为绝对温度，K;t为破坏时间，h;σ为静液压力，MPa。

其中：

(8)

式中，P为管材所受内压，MPa;dem为管材的平均外径，mm;emin为管材的最小壁厚，mm。

另外

(9)

式中，S为一个与公称外径和公称壁厚有关的无量纲数值；dn为公称外径，mm；en为公称壁厚，mm。

由于管子公称壁厚允许的偏差都是正偏差。

所以

可以简化：

σ=PS

(10)

在一个实际的工程设计中，S和t(根据设计寿命确定)都可认为是恒定值，根据式(7)可以推算出T和P的函数关系。

(11)

下面举例来推算一下T和P的函数关系。

假使循环电解液介质操作温度为88℃(361K)，管子系列S为5，使用年限为5年(每年按8000h计)，推算出其所承受的压力。

由式(11)所得：

从而得到：

σ=2.62 MPa

由式(10)所得：

安全系数取C=2，得

式中,P1为介质的设计压力，MPa。

按上述计算方法可计算出1-20年的PP-H管道材料温压表。现只列出5年、10年的温压表，分别见表5和表6。

上述PP-H管道材料温压表的计算结果表明，当介质的温度超过60℃时，管道所承受的压力急剧下降，当温度达到90℃时，管道所承受的压力仅仅只有2.4kg/cm2。

表5　PP-H管道材料温压表(设计寿命为5年)

表6　PP-H管道材料温压表(设计寿命为10年)

4.3　结果分析

根据上述烧碱工艺流程的主要物料特性、CPVC及PP-H管道材料的性能特点和CPVC及PP-H管道材料温度压力关系的计算结果，可以得出以下结论：

4.3.1盐酸系统

盐酸系统中的高纯盐酸和成品盐酸的操作温度≤45℃，操作压力≤0.4MPa,且对常用的碳钢和不锈钢的腐蚀性特强，根据安全、经济和产品洁净度的要求，可选用CPVC管道材料。

4.3.2二次盐水系统

操作温度约为87℃，操作压力≤0.2MPa的二次盐水用CPVC管道材料是比较理想的材料，使用寿命可以达10年以上。但操作温度约为87℃，操作

压力>0.2MPa的二次盐水(具体的说就是淡盐水循环泵后的淡盐水)用纯CPVC管道是不合适的，最好外包FRP加强，且其所承受的温度压力要经过详细的核算，否则最好选用钛材等其它金属材料。

4.3.3湿氯气系统

烧碱装置中的湿氯气的操作温度为88℃，操作压力≤0.2MPa，且对常用的碳钢和不锈钢的腐蚀性特强，根据安全和经济的原则，可选用CPVC材料。

4.3.4循环碱液系统

循环碱液系统的循环碱液的操作温度约为88℃，碱液循环泵前操作压力≤0.15MPa，碱液循环泵后操作压力≥0.4MPa。根据PP-H管道材料的温压表判定，泵前选用PP-H材料是比较理想的材料，泵后选择PP-H材料不是很合适，如果电解工艺专利商没有强调一定要用非金属，设计一般选用310S不锈钢或镍材。如果电解工艺专利商从安全角度和膜的寿命的角度要求一定要用非金属管道，设计可选用PP-H/FRP管道，但其所承受的温度压力一定要经过详细的核实。

5结语

总之，设计选用CPVC和PP-H等非金属材料时，一定要把非金属管道材料的壁厚系列(S)和温度压力表体现在设计文件中，在做管道应力、管道柔性分析和做管道支吊架时要充分考虑到非金属材料与金属材料相比其线膨胀系数大的特点，同时，要求施工质量满足设计文件或制造厂商的要求。避免非金属管道出现断裂或爆管造成的重大经济损失或安全责任事故。

参考文献

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5BS EN ISO 15494:2003,工业用塑料管道系统-聚丁烯(PB)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)[S].

6赵启辉，左寿华，刘志伟编著.工业常用塑料管道设计手册[M].中国标准出版社，2008.

(收稿日期2015-10-10)