淺析碳纖復(fù)合材料泵在硫酸磷酸裝置的應(yīng)用前景

雷長青

(云南云天化股份有限公司裝備技術(shù)中心，云南 昆明)

云南云天化股份有限公司旗下有五個硫酸、磷酸分子公司，主要采用硫黃制酸法和二水物濕法工藝生產(chǎn)硫酸和磷酸。多年來，硫酸、磷酸裝置的機(jī)泵故障，特別是磷酸裝置的機(jī)泵過流部件(葉輪和泵殼等)頻繁發(fā)生腐蝕磨損故障，從裝置投產(chǎn)以來就一直困擾著我公司的相關(guān)技術(shù)人員，同時，機(jī)泵易腐蝕磨損也是國內(nèi)外磷化工行業(yè)長期解決不了的痛點(diǎn)。為了解決這個技術(shù)難題，我們聯(lián)合五個分子公司的相關(guān)技術(shù)人員，成立相關(guān)課題組進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

1 硫磷化工裝置機(jī)泵使用現(xiàn)狀

1.1 磷精礦礦漿泵

介質(zhì)條件：磷礦漿，pH值約為5，含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%，溫度 60 ℃，密度 1700 kg/m3。

介質(zhì)固體顆粒含量極高，且原生礦棱角分明對過流部件磨損嚴(yán)重，必須用極端抗磨的高鉻鑄鐵才能應(yīng)對，因此在該工位一般都選用A05材質(zhì)的渣漿泵，即使這樣，過流部件的壽命只有2～3個月。

1.2 磷石膏渣漿泵

介質(zhì)條件：磷石膏，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，F(xiàn)-、Cl-微量，含固30%，溫度 50 ℃，密度 1300 kg/m3。

磷石膏含少量酸有一定腐蝕性，雖然固含量高，但不能選A05，而只能選A33，犧牲部分耐磨性，強(qiáng)化部分耐蝕性。另外，磷石膏濕排一般輸送距離較遠(yuǎn)所需揚(yáng)程高，因此，很多磷石膏濕排輸送都是幾臺泵串聯(lián)，泵腔壓力普遍較高，進(jìn)一步加劇了過流部件的磨蝕。多個裝置的統(tǒng)計結(jié)果顯示，濕排渣漿泵護(hù)套以及前護(hù)板的壽命很難超過3個月。

1.3 磷酸料漿泵

介質(zhì)條件：磷酸料漿，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，F(xiàn)-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，含固32%，溫度 90 ℃，密度 1500 kg/m3。

標(biāo)準(zhǔn)的高溫高酸高固三高工況，要求過流部件既耐腐又耐磨，大部分裝置都是用Cr30Mo高碳鐵素體不銹鋼材質(zhì)的耐腐耐磨離心泵。該工位過流部件的壽命很短，特別是葉輪，考核結(jié)果顯示較長的也只有 2120 h[1]。

1.4 系統(tǒng)清洗高溫稀硫酸泵

介質(zhì)條件：稀硫酸10%～15%，含固20%， 溫度 85 ℃，密度：1250 kg/m3。

不僅是典型三高工況，且清洗液的酸度和溫度越高清洗效果越好，但對泵的腐蝕越嚴(yán)重。云天化天安公司目前使用襄陽525的合金泵，流量 250 m3/h，揚(yáng)程 25.5 m，材質(zhì)CD4MCu。每天換一次新液，一天運(yùn)行8 h，每天清洗頻率3～4次。過流部件壽命4～5月，機(jī)封壽命則只有1～3月。

2 機(jī)泵故障原因及解決方案分析

磷化工機(jī)泵故障的原因是很明確的，主要是因?yàn)楣に嚱橘|(zhì)的高酸、高固、高溫三高工況。以上這種惡劣工況下過流部件的壽命為2～3月，其它磷酸工藝泵的過流部件壽命也就一年左右。機(jī)泵長期處于這樣的運(yùn)行狀態(tài)會給相關(guān)企業(yè)帶來如下幾方面的后果：

1)機(jī)泵過流部件，如葉輪、泵殼、前后護(hù)板、護(hù)套等頻繁腐蝕磨損，消耗了大量的備品備件費(fèi)用。

2)因機(jī)泵過流部件(特別是葉輪)的磨蝕，泵的效率在有限的壽命里一直會下降，特別是中后期，效率會急劇下降，從而多消耗了大量的電費(fèi)。

3)磨蝕后的葉輪會產(chǎn)生不平衡，導(dǎo)致泵的振動變大，因此機(jī)械密封和軸承等備件的消耗費(fèi)用都會變大。

4)機(jī)泵的頻繁維修，給維修人員、工藝操作人員帶來了巨大的工作量，同時頻繁倒泵置換及排放也給環(huán)保帶來了較大壓力。

解決方案，就是要找到一種既能耐腐蝕又能耐磨損的材料。

課題組經(jīng)過前期的各種調(diào)研了解到：國內(nèi)外雜質(zhì)泵的各個制造廠與國內(nèi)外相關(guān)大學(xué)及鋼鐵研究院的材料專家一直在各種合金材料中尋找解決方案。從最早的316L到后來的Mo2Ti，近些年再從CD4MCu到2507、Cr30Mo，三十多年來機(jī)泵壽命也從早期的幾周發(fā)展到目前的幾個月。也就是說，目前國內(nèi)外的傳統(tǒng)金屬材料既能耐強(qiáng)腐蝕又能耐強(qiáng)磨損的材料幾乎沒有。非金屬材料中陶瓷太脆，工程塑料耐溫較低且耐磨性能較差。經(jīng)過課題組的不斷努力，跳出傳統(tǒng)材料的思維，緊跟新材料的進(jìn)展，在國內(nèi)某泵廠找到一種新型材料：碳纖復(fù)合材料(TQ3、TQ4)。TQ3比TQ4強(qiáng)度更高，耐磨性能更好，而TQ4比TQ3耐高溫腐蝕性能更優(yōu)。

2.1 新型碳纖復(fù)合材料

2.1.1 材料耐蝕性能

材料在不同酸堿濃度的溶液中能夠耐受的溫度都是不同的，一般隨著酸堿濃度的增加耐受的溫度更低。從表1可見，碳纖復(fù)合材料的耐酸堿腐蝕已經(jīng)完全超越了包括蒙乃爾、哈氏合金等幾乎所有金屬材料。

表1 碳纖復(fù)合材料的酸堿極限耐受溫度

2.1.2 材料耐磨性能

由于碳纖維的強(qiáng)度較高，復(fù)合的耐磨硬質(zhì)相非常穩(wěn)固，因此碳纖復(fù)合材料的耐磨性也是無與倫比的，特別是在高溫工況下。雖然各種工程塑料也有一定的耐溫性，但普遍隨溫度的上升而變軟，在固體顆粒的沖刷之下會很快磨損失效。一般，雜質(zhì)泵所輸送的介質(zhì)都不會是常溫工況，相反，大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)是溫度越高反應(yīng)越劇烈。表2是碳纖復(fù)合材料與各種工程塑料在一定溫度下磨耗實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)看，碳纖復(fù)合材料的磨耗較傳統(tǒng)工程塑料小很多，有成倍乃至數(shù)十倍的優(yōu)勢。

2.1.3 材料力學(xué)性能

強(qiáng)度、剛性，以及韌性是評價一種材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)。新型碳纖復(fù)合材料，作為一種非金屬材料，它與各種工程塑料以及工業(yè)陶瓷相比的優(yōu)勢見表3。

表2 碳纖復(fù)合材料(TQ3、TQ4)與各種工程塑料材料的磨耗指數(shù)

表3 碳纖復(fù)合材料與工程塑料和陶瓷材料的力學(xué)性能對照[2]

極高的彈性模量顯示碳纖復(fù)合材料剛性好，遠(yuǎn)超工程塑料；抗拉強(qiáng)度是工業(yè)陶瓷的兩倍以上，說明碳纖復(fù)合材料強(qiáng)度好；最重要的是，雖然只有0.53%的斷裂伸長率，卻避開了像工業(yè)陶瓷脆性材料的所有問題。

2.1.4 材料綜合性能

金屬材料的耐磨與耐腐是一對矛盾體。一般而言，耐腐材料都比較軟而不耐磨，而耐磨材料的富含碳化物而不耐腐。碳纖復(fù)合材料兼具耐腐又抗磨。非金屬材料耐溫和抗磨也是一對矛盾體。一般而言，耐磨的材料不耐高溫，而耐高溫的材料耐磨性能又差。碳纖復(fù)合材料兼具耐磨耐高溫。如圖1所示。

3 碳纖復(fù)合材料泵

用碳纖復(fù)合材料可以制作各種雜質(zhì)泵，包括：耐腐耐磨離心泵、軸流泵、混流泵、渣漿泵。其中，只有耐腐耐磨離心泵為全部本體材料成型，其他泵型都是金屬材料內(nèi)襯或外包碳纖復(fù)合材料的成型方式，如圖2～圖5所示。

3.1 碳纖復(fù)合材料泵

碳纖復(fù)合材料泵的技術(shù)參數(shù)及特點(diǎn)如下：

1)DCS離心泵參數(shù)：流量Q=15～1400 m3/h，揚(yáng)程H=15～125 m；ZWT軸流泵參數(shù)：流量Q=500～15000 m3/h， 揚(yáng)程H=2.5～6.5 m；HLT混流泵參數(shù)：流量Q=800～15000 m3/h，揚(yáng)程H=20～27 m；ZJT渣漿泵參數(shù)：流量Q=700～3800 m3/h，揚(yáng)程H=18～80 m。

2)高效扭曲葉片的型線精度和表面光潔度極高，效率普遍高出直葉片的工程塑料泵7%以上[3]。

3)機(jī)封采用與介質(zhì)接觸部位全部為非金屬材料的設(shè)計理念，杜絕腐蝕的發(fā)生。就連機(jī)封結(jié)構(gòu)件都是采用無壓燒結(jié)碳化硅或改性PEEK。

4)由于葉輪長時間不會磨損腐蝕，沒有平衡失衡造成的振動問題，機(jī)封的壽命得以大大提升。超過5年以上的使用驗(yàn)證：機(jī)封無泄漏運(yùn)行時間不低于金屬泵2倍，至少是工程塑料泵的3倍以上。

3.2 典型運(yùn)用

經(jīng)調(diào)研，甕福馬場坪工廠的磷酸料漿泵，較傳統(tǒng)二水磷酸萃取最大的區(qū)別是氟硅酸含量很高，腐蝕破壞嚴(yán)重，合金泵在該工位的壽命要縮短一半以上。為了裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，于2016年6月開始用碳纖復(fù)合材料泵125DCS-350替換，經(jīng)過近6年的運(yùn)行驗(yàn)證，過流件及密封件的壽命都得到了6倍以上的提升。詳見表4。

表4 碳纖復(fù)合材料泵與合金泵在磷酸料漿工位的壽命對照表

金正大諾泰爾化學(xué)有限公司磷礦選礦泵,于2021年，將原A33材質(zhì)的高鉻鑄鐵泵更換為碳纖復(fù)合材料泵100ZJT-50。過濾進(jìn)料泵的壽命得到大幅提升，過去三個月就要檢修一次，現(xiàn)在可以用到一年以上。

4 結(jié)語

高溫、高酸、高固工況是合金泵和工程塑料泵的噩夢，卻正好是碳纖復(fù)合材料泵的優(yōu)勢所在。新型碳纖復(fù)合材料泵，作為一種非金屬材料泵，基本隔絕了酸堿腐蝕的發(fā)生。相較傳統(tǒng)非金屬泵，它一方面沒有陶瓷泵的脆性，抗沖擊還抗熱振；另一方面也沒有工程塑料泵隨溫升變軟所導(dǎo)致的密封泄漏和過流件磨蝕問題。新型碳纖復(fù)合材料泵在硫磷化工裝置的應(yīng)用效果已得到初步驗(yàn)證，應(yīng)用范圍正在擴(kuò)展。我們相信，越來越多的應(yīng)用成果，將讓硫磷化工裝置三高工況長周期穩(wěn)定運(yùn)行逐漸變成現(xiàn)實(shí)。