耐高温高负压的聚四氟乙烯衬里防腐装备.doc

耐高温高负压的聚四氟乙烯衬里防腐装备赵永镐赵炜温州赵氟隆有限公司E摘要】聚四氟乙烯(FIFE)衬里防腐管道、设备，在实际生产应用中，PTFE衬里层极易出现鼓包、 内瘪或开裂泄漏等现象，从而影响了这种新型材料的声誉与其广泛应用的前景，多年来世界各国对此都 束手无策，作者经多年研究，查明原因，找到有效的解决办法，最终，还能制造出可在高温高负压条件 下长期稳定使用的优质高效的PTFE衬里防腐管道与设备，在各种生产条件中安全使用a【美键词】FIFE鼓包开裂；热胀冷缩；负压；金属网：钢丝。1引言聚四氟乙烯(简称PTFE或F)是当今世界最耐腐蚀的材料之一，且具有耐温范围宽 (一195250C)，摩擦系数小，不粘附其它任何物料等特点。是制造化工防腐装各的理 想材肆。但PTFE是全氟化的惰性材料，除极个别外，它不与其它任何化学物质起作用，也 无任何溶剂溶解它，且热成型温度高、范围窄(380C5C)。温度高了会分解出有毒气体(HF)，低了就不会成型即使在熔融状态，其粘度仍然极大，无流动性。此外，成型时， 还需有很高的压力同时存在。因此，对品种规格繁多，结构复杂的PTFE薄层衬里的化工防 腐装备的加工制造难度很大。一般工程塑料的成型工艺(如注射)对它都不适用，故国际 上至今仅为数不多的科技发达的国家才有此产品生产。20世纪60年代初，美国率先研制、 制造出这类高级防腐产品，用于工业生产。之后，日、德等国也相继跟进。70年代以前， 我国一些大型企业或引进项目，所用的PTFE衬里防腐管道、设备，都是从上述国家进口。价格当然是很昂贵的。作者对这类产品进行了多年的研究，于80年代初创立了一套PTFE成型新工艺 一“多层缠绕、整体烧结”法。由于此工艺具有设备简单，适应性强等特点， 很快就研制并制造成功各种规格的PTFE薄层衬里的管道与设备，并投入工业化生产供国 内各化工、石油、冶金与核能企业应用。经几年的生产应用实践，一些用户反映该产品不 理想，PTFE衬里层容易损坏。其现象有两种。一种是PTFE衬里层鼓包、内瘪，阻塞了介质流通。另一种是PTFE内衬管两端翻边转角处开裂而泄漏。为此，作者对上述问题，深入用 户生产应罔现场进行全面而仔细的调查，其结果发现，上述的损坏现象不仅我国自己生产 的产品有，而从美、目、德等国进口的产品同样存在。由此，可以认为，这不是我们自己7l-的产品不行，而是其中必有某些同样的因素所致。如不很好解决，势必大大地影响这种新 型材料在防腐领域里的广泛应用。2产品PTFE村里层损坏原因分析为了彻底解决上述问题，以便有针对性的采取有效措施作者查阅了国内外有关资料， 并进行了实验室掇索试验。根据自己多年的实践经验，再结合生产应用现场的实际情况， 综合分析，最后查明，导致PTFE衬里层损坏的主要原因有三：一是PTFE内衬件的质量差； 二是衬里层与锢壳的热胀冷缩相差太大；三是生产使用中有负压。现将其分述如下：21质量问题 钢衬PTFE防腐管道、设备，其关键问题是PTFE内村件的制造。但它的质量好坏首先决定于所用的PTFE原料(树脂)的品级及加工过程中的诸多因素的控制。因为制造PTFE 薄层内衬件，对PTFE原料的要求特别严。目前市场上PTFE原料很多“j，有日本的、美国 的、俄罗斯的与中国各厂家的。还有正品、次品、回收再生之分，其价格相差很大。美、 目进口的一吨约十万元，国产的6万元左右，而回收再生的只有二、三万元，其性能质量 与技术指标也相差悬殊。如果选用便宜的劣质料，加工出来的PTFE内衬件，有微孔，易脆 裂。生产使用时不但会渗漏，甚至还会开裂，发生事故。除原料外，加丁亦很重要。聚四 氟乙烯由于它的热成型温度高，范围窄，熔融粘度大，还需有相应的压力同时存在等特性， 使PTFE内衬件的加工成型难度很大，从我国目前的加工状况来看，做个产品的样子出来可 以说很容易，谁都会。但想制造出密度大、致密性好、表面平整光滑、质量可靠，性能优 异，能在各种生产条件F长期稳定使用的PTFE内衬件就不那么容易了。要获得上述产品， 除采用优质的PTFE原料外，还需要有高素质、并能熟练掌握专业技术的生产人员，足够舍 用的生产装备与测试仪器，严把整个加工制造过程中的质量管理与质量检验人员。否则，即使用优等原料，生产出的产品也会是次品、废品，有砂眼、裂缝，用上即漏。 另一方面，PTFE衬里防腐产品，其专业性与技术性非常强，作者从多年来所接触到的用户情况来看，般人对它不甚了解。好多蕈位过去没有用过这种产品，有的甚至连看都 未看到过。因此缺乏对此类产品质量好坏的鉴别经验往往把它当成与般的塑料产品或 普通的钢制设备那样来对待，以为大家都一样。甚至还有人说，他们的条件不苛刻，温度不高，压力不大，质量差点也可以 等等。于是他们只从价格角度来考虑选购结果安装 使用了这种低价的劣质产品后，很快就发生了PTFE内衬泄漏现象而停止使用。因为这种产 品不像电视机那样，进口的价格贵，质量好，清晰好看，而国产的价格便宜，质量差些， 但也能看，不会出问题。可PTFE产品就不一样了，质量好的能长期用，质量差的哪怕只有 一个微孔，也不能用，如果用上，就会渗漏出问题，这个概念必须清楚，72目前国内加工PTFE衬里防腐产品的单位还不少，由于该产品的特殊性与市场竞争的 复杂性，订购时要小心谨慎。要对生产单位进行考察，进行比较。亲眼看看他们的原材料 品级、技术水平、生产装备与检测仪器、质量管理执行情况，还要看看实际的产品及其质 量等等，最后做出选择。只有这样，才能获得质量可靠的产品。2z热胀冷缩问题 有关资料记载，PTFE材料本身的热膨胀系数20C250。C的平均值为169510一”1，而钢铁则为128101c。1”FE比钢铁大13倍。作者将PTFE材料加工成管子，其规格为050ram，厚2，5mm，长1000mm，数量3条，同时进行热胀冷缩试验。其结果列于下表。升温 20-80140 200 250试件1 9919530442 0伸长试件2 98194299411量试件3 1012043024l_5into平均值 9 9319773017 4153平均伸长率 099198302415从试验结果看出，PTFE管子的热胀量近似值从20C80C为1，到140。C为2，到2JOC为3，250C为4。从250C冷却到室温，其收缩率基本与此相似。可见温度变化对PTFE的影响是相当大的“”。 钢衬PTFE制品在生产使用中，当温度升高时，假定钢外壳膨胀lmmPTFE内衬就要膨胀13mm，相差极大。制品在使用过程中，PTFE内衬两端的翻边被法兰压紧，无法向两 端延伸，其结果只能向内变形，轻者鼓包，重者瘪死。华北菜单位，从国外引进一条015mm， 长约千米的钢衬PTFE防腐管道，安装使用不久，PTFE内衬就热胀瘪死，只得停止使用， 造成很大的损失。当温度下降时PTFE内树的收缩量亦是钢壳的13倍但它两端已被压死，无法自 由收缩，于是就处于拉伸状态，多次或长期拉伸PTFE会产生疲劳、损坏，以及冷却得厉 害，拉力过大，其结果都会使翻边转角处的薄弱部位被拉裂而泄漏。一些单位使用的PTFE 管道、设备其翻边口出现了开裂现象，其原因就是冷却收缩过大所造成构。为了观察到热胀冷缩损坏的真实现象，我们进行了PTFE管的“热损坏试验”，其内容 如下：(1)试件结构：外壳为两端带法兰的01084的无缝钢管，长1000mm，PTFE内衬73为0100X22，其两端蕊边在钢法兰密封面上，用中阃带视孔的钢法兰圈压牢PTFE翻边， 井用蠓栓上紧，不让PTFE内衬自由伸缩，如图】所示，试件数量为5个(2)试验及检查方法：将装配好的5个试件置于电热炉中，温度从常温升到250C， 保温30分钟，从法兰孔中可观察PTFE内衬的变化情况，然后扶炉中取出试件投入水池中 冷却30分钟。检查PTFE有否被拉裂或发生其它现象，然后再加热、冷却，这样反复试验， 直至PTFE内衬被拉裂为止。f3)试验结果：当漏度从室温升到250。C，观察到5个试件PTFE肉衬几乎全部都出现 鼓包、内瘪现象，当将其投入水池中冷却后，内瘪部分基本缩回，但留有变形痕迹随着 加热、冷却次数增多，痕迹越来越明显，并出现扭曲现象。实验进行纠第8次冷却后，有 一个试件在翻边转角处开始出现裂缝，第9次冷却后，有2个被拉裂，第十次冷却后，又 有2个被拉裂，至此5个试件全部损坏。其平均损坏次数为92次。这一试验很好地证明了生产中出现损坏的原因是冷却收缩所致。23负压问题 PTFE薄层衬里的勖腐管道、设备，其使用性能与单一钢制设备不样，当生产中出现负压时，单一的钢制设各不要紧，丽衬里设备的PTFE内衬就会被吸扁(鼓包、内瘪)，重者，甚至连PTFE翻边转角部位也会被拉裂，其损坏现象与热胀冷缩造成的现象相似。生 产中产生负压的原因很多，作者多年从用户生产应用中看到有以下几种：(1)设备在安装前或安装卮进行水压试验，试毕放水时没有将进气阀打开，能造成高负压。E口使打开进气阋，若进气量小于或慢于放水量(如进气口太小或管路太长)都会 使器内产生负压。(2)在生产过程中，停车放料时，没有打开进气阀或进气量小于或陉于放料量。 (3)用泵向高处(高位槽或设备内)加料，停泵后，没有关泵出口阀，而关高处的阀门，结果物料倒流，造成管路内高负压。有一单位，泵出口未装止回阀，只在高位槽入口 装闽门，结果出了事故。(4)用抽负压的办法向设备内加料。 (5)反应过程中气体反应体积缩小，气体冷凝或高温冷却等等均能产生负压。 (6)减压蒸馏操作。 以上备种产生负压的原因，有的连操作人员、主管工程师都没有意识到。有的知道，但不了解PTFE衬里产品的使用性能，把它当作普通钢制设备一样看待，没有及时采取措施， 以致造成事故。所有这些，开始，使用单位都说PTFE产品不行，后经我们到现场找到原因 后，才信以为真。由此可见凡使用该产品者，必须重视其特殊性。要制订操作规程，组74-织有关人员学习，并严格执行，才能杜绝由于负KSI起的损坏，以保证该产品在生产应用 中，能长期稳定运转。3优质高效产品的研究、制造与应用 要获得优质、高效能在高温商负压条件下长期稳定使用的PTFE衬里防腐产品，首先要彻底解决上述三大问题。作者花了近三年时闻，进行了大量的试验研究、生产裁作与现场应用工作，最终获得满意的结果，现分述于下。31制作优质产品 PTFE原料品质的好坏，直接影响到产品的质量，作者根据多年的经验，要想得到质量好的产品原料品质一定要好。为此，我们多年来一直选用日本大金公司的M12牌号的PTFE 树脂来制造PTFE薄层内村件。同时在生产制造过程中，严把质量管理与质量检测关。半成 品、成品都全部检查，对出厂产品，不论数量多少，都全部进行10000V高频电火花检测与 水压试验，以保证出厂产品质量绝对可靠。32降低PTFE内衬件的热胀冷缩 PTFE的热膨胀系数比钢铁大13倍“，欲使其降低，谈何容易。世界各国对此都十分重视，多年来进行了不少研究例如在PTFE树脂中添加玻璃纤维、石英粉、石墨及其它 各种填充剂，想降低PTFE衬里层热膨胀系数，美国某公司将钢壳内表面打出很多凹孔，欲藉此来吸收PTFE衬里层的膨胀量。不少人将PTFE内衬管外径做得比铡壳内径稍大一点，然后加热将其拉入钢壳内(所谓紧衬)，想靠树紧的摩擦力来阻止PTFE的热胀冷缩，结果 都未达到目的。有人甚至将PTFE管处表面用药物处理后，用粘结剂与钢壳内壁粘合+结果 也无济于事，当温度升高耐，PTFE的膨胀力大于粘台力，将粘合点剪断而迅速伸延；一客 户向驻上海约家外国公司询问，如何解决钢壳内PTFE内衬热胀冷缩引起的损坏时，对方回答说，我们的办法是，两端的钢法兰不要将PTFE翻边压紧松一点，这样它就可以由此 自由伸缩。这不是笑话吗，难道这样的密封不漏?总之，多年来，各国对此束手无策，它成 为世界上一大难题，人们称它为防腐领域里的哥德巴赫猜想。作者经过多年的探索研究最后采用了特殊技术，将金属网引入PTFE薄层内部，尤如 水泥加钢筋。网格能使PTFE各点的热应力分散，不能重叠集中，故能牢牢地控制PTFE内 衬的自由伸缩。其热胀冷缩量可降低到L_j钢外壳相一致”“。现将“法国国家实验室”对 金属网PIFE管子与无网PTFE管子热胀量测试报告的主要内容摘录如下：(1)试件规格：管子内径约48mm，外径53mm，长度615ram (2)加热设备：“INSTRON”，手动测微仪为“MITTJTOYO”(000110mm)，测试结果： (3)测试结果：75原始长度 开始温度 终点温度 膨胀量 线膨胀指数 实验(mR)(m) () (11111)()首孜通过 615022 5 1226833nE一05第二次通过 614019 1207 676 12E一05平均谴 115一05原始长度 开始强度 终点温度 膨胀量 线膨胀指数 实验(millj【)() ()(。)首敬通过 615O22 3 120 045476E一06 第二次运过 6“5 223 120 0500 100一06 平均值 88E一06(4)结论：金属网PTFE管比无网PTFE管热膨胀量降低了13倍。 金属网的材质、网格结构、网丝的粗细、PTFE层的厚度以及它在PTFE层中的所处位置等等参数，对控制PTFE制品的热膨胀量都存在着一定的关系。试验初期，制品的热膨胀 量只降低到50*左右(即比钢铁还丈65倍)，经多次试验，逐步探索改进，掌握了各参数 的规律后，才得到最佳效果，其热膨胀量降低到与钢铁相一致。加金属网的PTFE制品，其抗渗透性到底如何?是用户普遍关心的问题。介质的渗透性， 是与PTFE制品的密度大小有关。经测试其密度达判22 gcm3左右，远超过各手中等压(液 压)成型的PTFE制品。腐蚀性介质不可能渗透到PTFE层内部将金属网腐蚀。为了获得可 靠的结论，现将“法国国家实验室”的耐渗透试验报告主要内容摘录如下：(1)试件规格：金属网PTFE管(金属网位置于距内壁23处)，外径53IIlm，壁厚3】In， 离150maa(2j试验分质：36的“Normapar”盐酸(装在管内) (3)试验温度：701(4)试验时间：2000小时 (5)外表观察：试样没有发生变形现象，其内外表面没有出现渗漏各种颜色及任何锈蚀现象。漂冼及干燥后，内表面呈光滑洁白状与试验前相同。 (6)电火花检测：根据美国标准，As俅F423-82进行10000V高频电火花猫试，4件样品均观察不到有任何电弧现象。为将所获结果进行比较，在故意刻有裂纹的样品内壁进行电火花溉试，则存在击穿电76-弧。在化工生产中，许多设备，特别是反应釜经常是间断生产，在高温骤冷骤热或冷热交 替条件下操作。为查明金属网PTFE制品在这种条件下使用是否稳定可靠。“化工部化工设 备监督检验中心”对其进行了热稳定性试验。现将试验结果摘录于下：(1)试件规格；锯衬金属网PTFE管制品0150X 1009mm，数量2件，钢衬PTFE弯头(0150，90。)1个，PTFE厚度为3mm。 (2)试验结果：钢管内PTFE内衬件无丝毫变形、鼓包、内瘪、断裂、脱层等损坏现象，其表面仍平整光滑如前，用10000V高频电火花检查，无击穿电弧发生。热性能稳定性良好。 法国国家试验室和化工部化工设备质量监督检验中心是NYE与国内两家权威的质量检 测机构。它的测试结果得到世界几十个国家所承认。此岁卜。我们由此项技术制造的钢衬PTFE管道与设备，在数百单位250C以下的任伺强腐蚀性化学介质中长期稳定使用，PTFE衬里 层从未发生鼓包、内瘪或开裂等现象。使这项由热胀冷缩引起的国际难题获得圆满的解决。 这项发明获中、美、欧等国发明专利，国家发明奖，尤里卡金奖与骑士勋章等殊荣。如安 东尼奥教授所言，此一难题的解决。是氟塑料防腐领域里的一场革命，它必将促进世界工 业的发展。33提高制品抗负压性能 解决负压的办法有两种，一种是操作不当，生产中偶然出现的负压，只要操作人员与管理者引起注意，防止其发生即可。另一种是生产中需要有负压存在，有的甚至需要全真 空。但产品的耐负压大小是与直径大小及温度的高低有关。直径大，温度高，萁耐负压的 性能就低，反之则高。PTFE层中加金属网其主要作用是降低热胀冷缩，但其强度也有所增 加，抗负压性能相对提高了约50左右，也就是说，OlOOmm的PTFE管子，20耐负压为005Mpa，雨加了金属网，耐负压提高到0075Mpa同样管子，80C，耐负压为004,Ypa， 加金属网后，则提高到006Mpa0200mm的PTFE管子，20C耐00311pa，加金属网后则可 能提高到0045Mpa由此可见，PTFE层中加金属网，还没有完全解决负压问题，作者对此又作了大量研究， 并获得了发明专利，最终还是在PTFE层中盘上钢丝(像弹簧样)，就很好地解决了负压 问题(对于特大型高真空操作的设备，需配以其它特殊技术。)。钢丝有细有粗，从00，12Ou根据制品尺寸大小，使用温度高低与生产所需的负压大小，来选用不同粗细的钢丝，以满足使用者的需求。 “化工部化工设备质量监督检验中心”对此产品的耐负压性能进行了测试，其主要内容摘录如下：77-(1)试件规格：钢衬PTFE管子与弯头(90。)，0150X2000mm管子1条，02002000mm的管子1条，0150弯头1只，PTFE内衬件厚度3mm，钢丝(Olmm)位置在距内壁23处， (2)试验温度：200 (3)试验结果：管