鎳材在制堿工業(yè)上的運(yùn)用
在制堿工業(yè)中， 工作介質(zhì)為強(qiáng)腐蝕性苛性鉀、苛性納時(shí)， 設(shè)備的耐腐蝕性能是生產(chǎn)中ZUI突出的難題。鎳是耐濃堿腐蝕的ZUI好材料， 但是鎳制壓力容器設(shè)計(jì)還沒有國家標(biāo)準(zhǔn)。另一方面， 鎳制設(shè)備價(jià)格昂貴， 應(yīng)用還不廣泛， 所以在使用和設(shè)計(jì)中存在兩個(gè)難題： 一是有關(guān)鎳材機(jī)械性能的資料不易找到； 二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既沒有國家規(guī)定， 又沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和使用經(jīng)驗(yàn)。
1、鎳的化學(xué)性能及耐腐蝕特點(diǎn)
鎳具有高的化學(xué)穩(wěn)定性， 是一種較好的耐蝕材料， 在空氣中， 常溫下它不被腐蝕。在含有二氧化硫和硫化氫的空氣中， 鎳的腐蝕速度為（0. 001～ 0. 004） mm a； 在海洋性大氣中， 鎳的腐蝕速度為（0. 000 1～ 0. 000 13） mm a； 在農(nóng)村大氣中， 一般其腐蝕速度為（0. 000 3～0. 000 18） mm a。干燥氣體（鹵族、氧化氮、二氧化碳和氨） 室溫下與鎳不起反應(yīng)， 但在潮濕的情況下， 其腐蝕速度明顯加快。在蒸餾水中鎳不發(fā)生腐蝕， 只是表面變暗。在含有大量氧離子和二氧化碳的氣體中， 鎳可發(fā)生點(diǎn)蝕。鎳在海水中的平均腐蝕速度為 0. 13mm a.鎳在 500 ℃左右的空氣中輕微氧化， 在750 ℃以上則迅速氧化， 鎳與氧的反應(yīng)生成物是氧化亞鎳 （N iO ） 及氧化鎳（N i 2 O 3）。氧化亞鎳在 230 ℃以上很容易被氫還原， 在 （250～ 300） ℃則開始被Co 還原， 在 （700～ 800） ℃及高于此溫度時(shí)， 該反應(yīng)迅速而完全。
鎳的一個(gè)重要特性是耐堿腐蝕， 它幾乎在所有溫度和濃度下對氫氧化鈉和氫氧化鉀均耐蝕。例如， 鎳在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50% 的高溫苛性堿中， 腐蝕速度為（0. 01～ 0. 003） mm a.鎳耐中性和微酸性溶液 （包括一些稀的非氧化性酸、有機(jī)酸）及有機(jī)溶劑的腐蝕。鎳之所以在許多介質(zhì)中有耐蝕性， 是因?yàn)樵谒砻婺苄纬梢粚永喂痰谋Ｗo(hù)膜， 阻止鎳?yán)^續(xù)被腐蝕。
2、苛性堿介質(zhì)化工設(shè)備用材分析
（1） 碳鋼： 碳鋼（Q 235- A ） 是被用作苛性鈉介質(zhì)化工設(shè)備ZUI早的材料， 在（25～ 50） ℃的低溫、質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于 30% 的工作環(huán)境中， 腐蝕速度為 0. 05mm a.當(dāng)達(dá)到燒堿生產(chǎn)的操作條件， 即溫度（100～ 140） ℃， 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 32%～ 74% 時(shí)， 腐蝕速度則大于 1. 5 mm a， 這就決定了碳鋼材料只適用于燒堿生產(chǎn)中低溫、低濃度的操作條件。
（2） 不銹鋼： 不銹鋼材料是 70 年代被用于燒堿介質(zhì)設(shè)備的， 一般選用 1Cr18N i9T i（18 - 8 鋼）。此材料在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 50%、25 ℃的低溫時(shí)， 腐蝕速度小于 0. 05mm a； 當(dāng)工作溫度升至（50～ 80） ℃時(shí)， 腐蝕速度為（0. 5～ 1. 5） mm a.在上述燒堿生產(chǎn)的操作條件下， 腐蝕速度大于 1. 5 mm a.因此不銹鋼材料也只適用于燒堿生產(chǎn)中溫、中等濃度的操作條件。
80 年代以來， 超低碳不銹鋼 316 （OCr17N i12M o2） ， 316L （OOCr17N i14M o2） ， 304L（OOCr19N i11） 被用于燒堿介質(zhì)化工設(shè)備。雖然這些材料的各種性能均優(yōu)， 但冶燒困難， 價(jià)格昂貴， 且依靠從國外進(jìn)口。
在純堿 （N a 2 CO 3） 作原料的燒堿生產(chǎn)工藝， 因允許原料中含有 0. 80%～ 1. 2% 的N a2 Cl， 不銹鋼燒堿設(shè)備的工作介質(zhì)中就含有一定濃度的氯離子。在強(qiáng)堿性溶液中， 氯離子的含量和工作溫度對不銹鋼應(yīng)力腐蝕的影響很大， 極易發(fā)生點(diǎn)蝕。此時(shí)， 選用超低碳不銹鋼應(yīng)慎重。
（3） 純鎳： 純鎳（N 6） 對高溫、高濃度苛性堿的耐蝕性是其它金屬無可比擬的。在燒堿生產(chǎn)上述操作條件下， 它的腐蝕速度為（0. 03～ 0. 18） mm a。其機(jī)械性能、冷加工性能及焊接、脹接性能均好， 是用于苛性堿介質(zhì)化工設(shè)備ZUI優(yōu)異的材料。而且我國鎳年產(chǎn)量已達(dá) 5萬 t 左右， 居世界第七位， 可以滿足國內(nèi)需求。但鎳材價(jià)格高， 選用須作經(jīng)濟(jì)分析。
3、鎳在制堿工業(yè)中的應(yīng)用
由鎳和鎳合金的材料性能表可知， 鎳和鎳合金的強(qiáng)度高， 塑性和韌性好， 冷加工性能和焊接性能好， 與其它金屬之間的焊接熔合性好， 適宜制造各種設(shè)備和壓力容器。由于鎳在苛性堿溶液中表面容易形成堅(jiān)固的保護(hù)層， 甚至在高溫、高濃度下也極為穩(wěn)定。因此， 可用于制造燒堿生產(chǎn)中的蒸發(fā)器、加熱器、堿液儲(chǔ)罐、管道、泵和閥等。70 年代末期開始， 在國內(nèi)一些新建氯堿廠引進(jìn)的燒堿蒸發(fā)裝置中， 、效加熱室和閃蒸室均由鎳材制造。從 80 年代開始， 國內(nèi)一些化工設(shè)計(jì)院、所和制造廠家借鑒了引進(jìn)的蒸發(fā)裝置技術(shù)和設(shè)備材料， 結(jié)合國內(nèi)情況研制成功純鎳材、效加熱室， 其管子采用N 6， 規(guī)格為 5 57 mm ×2. 5 mm ×6 000 mm ， 殼體采用Q 235- A ， 管板采用鎳2鋼復(fù)合板， 經(jīng)過運(yùn)行、評價(jià)， 沒有腐蝕現(xiàn)象， 效果十分理想。
3. 1鎳材在燒堿升膜蒸發(fā)加熱器中的應(yīng)用
某廠燒堿三效逆流蒸發(fā)工序的效蒸發(fā)加熱器和升膜加熱器等均采用了純鎳加熱管，碳鋼外殼， 管板和管箱采用鎳2鋼復(fù)合板。
關(guān)于鎳制設(shè)備壓力容器的強(qiáng)度計(jì)算， 我國對鎳材質(zhì)的安全系數(shù)和許用應(yīng)力沒有規(guī)定。美國A SM E和日本 J IS 壓力容器規(guī)范都定入了鎳和鎳基合金壓力容器的內(nèi)容。法國CO 2 DA P 壓力容器規(guī)范對鎳和鎳基合金壓力容器規(guī)定了安全系數(shù)。英國BS 國家標(biāo)準(zhǔn)在壓力容器規(guī)范中沒有提高鎳和鎳基合金壓力容器的內(nèi)容。前蘇聯(lián)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)OCD 262 012858288“鎳基耐蝕合金制焊接容器及設(shè)備一般技術(shù)要求”。各國鎳和鎳基合金的材料標(biāo)準(zhǔn)中， 只有美國的A SM E 中列有 SB 壓力容器用鎳和鎳基合金的專用標(biāo)準(zhǔn)， 其主要內(nèi)容與美國A STM 材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)相同或類似。
當(dāng)時(shí)， 在加熱器設(shè)計(jì)中參考了美國A SM E 標(biāo)準(zhǔn)及 GB150- 89。對承受內(nèi)壓部件的設(shè)計(jì)， 是根據(jù)A SM E 規(guī)定的ZUI大許用拉應(yīng)力值， 按照安全系數(shù)n b≥4、n s≥1. 5 確定的。鎳和高鎳合金基體基本上都是奧氏體， 在容器允許稍大變形的場合下， 大部分牌號允許許用應(yīng)力值達(dá)到 2 3Ρ0. 2， 但不超過 0. 9Ρ0. 2。這個(gè)規(guī)定與奧氏體不銹鋼的規(guī)定是一致的。對于承受外壓部件的設(shè)計(jì)， ZUI大許用壓應(yīng)力值是從A SM E 所規(guī)定的相關(guān)表中查出的， 其它設(shè)計(jì)計(jì)算采用GB150- 89.鎳材用于苛性堿介質(zhì)設(shè)備， 腐蝕裕量取零。
關(guān)于管板與換熱管的連接方式， 采用焊接工藝和脹接工藝都是可行的。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的連接方式采用脹接， 使用多年來沒有發(fā)現(xiàn)漏液。通過設(shè)計(jì)計(jì)算可知， 脹接工藝， 管板厚度較大； 焊接能承受較大的拉脫力， 采用焊接工藝， 管板可以減薄， （焊條選用可參照HGJ15- 89 附錄F） 降低成本。
3. 2對鎳制燒堿蒸發(fā)加熱器的經(jīng)濟(jì)分析
?。?） 上述燒堿蒸發(fā)升膜加熱器， 選用全碳鋼材料時(shí)， 使用一個(gè)月， 就發(fā)生堿脆， 出現(xiàn)裂紋、漏液， 設(shè)備報(bào)廢?，F(xiàn)用鎳管（N 6） 代替碳鋼（Q 235- A ） 換熱管， 用鎳2鋼復(fù)合板代替原碳鋼板（Q 235- A ） 作管板， 使用壽命提高到七年。鎳制加熱器設(shè)備投資是碳鋼加熱器的 22 倍， 而設(shè)備壽命卻是碳鋼加熱器的 80 多倍。
（2） 某廠燒堿效蒸發(fā)加熱器為全不銹鋼（1Cr18N i9T i） 材料， 使用壽命為兩年。現(xiàn)用4 臺鎳管加熱器代替原 8 臺不銹鋼加熱器， 已使用六年， 設(shè)備減薄僅 0. 2mm.鎳制加熱器設(shè)備投資是相同能力不銹鋼加熱器的 1. 5 倍， 而使用壽命現(xiàn)已超過 3 倍， 預(yù)計(jì)可達(dá) 5 倍（以年產(chǎn)燒堿（8. 5～ 11） t 規(guī)模計(jì)算）。
4、鎳材使用注意事項(xiàng)
（1） 鎳不耐硫化物腐蝕， 高溫硫氣體能使鎳腐蝕變脆。堿中含有硫化物（如硫化氫、硫醇或硫化納） 也會(huì)使鎳產(chǎn)生晶間和應(yīng)力腐蝕。
（2） 鎳不耐強(qiáng)氧化性酸（硝酸） 的腐蝕。鎳也不耐含有氧化劑的溶液及多數(shù)熔融堿金屬鹽的腐蝕。
?。?） 鎳材的焊接工藝必須選用氬弧焊。在鎳材料焊條中加入鈮元素可增加焊接的流動(dòng)性， 提高焊接質(zhì)量。
（4） 鎳和鎳基合金在制堿工業(yè)壓力容器中的應(yīng)用， 主要利用其在高溫、高濃度強(qiáng)腐蝕性苛性堿中比碳鋼、不銹鋼和銅鎳合金具有更好的耐蝕性。因此， 只有在碳鋼、不銹鋼及銅鎳合金（B30） 不能滿足要求的場合， 才考慮使用鎳和鎳基合金。鎳制設(shè)備一次性投資比銅鎳合金（B30） 高得多， 比不銹鋼、碳鋼高得更多。在選用時(shí)必須作經(jīng)濟(jì)分析。
