在化工领域,如果选择的输送管道不正确可能会带来毁灭性的灾难。炙热的、高浓度的酸性液体要求使用耐腐蚀材料制造的流程设备,而聚丙烯材料或者GFK(玻璃纤维增强热固塑料)材料制造的管道在这种工况下会显得“力不从心”,而此时能够代替带有PTFE内衬钢管材料的就是带有热塑性合成橡胶的GFK管道。
由热塑性合成橡胶增强的GFK管道反映了合成材料在流程工业设备设计中的一个重要侧面,而且代表了两个界限分明的不同功能:在管道的内部有一层耐热、耐腐蚀的氟聚合物橡胶,起到了防止介质扩散的作用,使得GFK合成橡胶管有着很好的耐化学腐蚀的性能。各个管道都是利用焊接工艺连接在一起的,从而实现了无法兰连接的管道系统。由于GFK材料没有足够的附着力保持氟聚合物牢固地贴合在其表面,因此要对氟聚合物材料进行增强处理,改善表面附着性,或者使用包络物(三维包络物,有一定的可延展性能)。焊接的氟聚合物管材毛坯最后穿上一层GFK外衣,从而通过不同品种和厚度的GFK热塑性合成橡胶来提高整个管道的机械强度和耐压性能,生产出不同等级的GFK热塑性合成橡胶管(图1)。
由于这样的结构,使得GFK氟聚合物增强的管道满足了抗腐蚀性保护的要求:与流程介质接触的表面有着很好的耐渗透、抗腐蚀的涂层,而在不接触的表面则没有这样的防护涂层。从而也实现了对整个管道的保护。少量的渗透性介质能够透过GFK的渗透层向外渗透,从而保护了腐蚀性强的流程介质在保护层内可靠的传输,避免了进一步的腐蚀。
与钢质管道相比GFK管道的优点
与钢质管道相比较带有防护涂层材料的钢材有着非常明显的不同:钢质内部的管道比内部涂覆有氟聚合物涂层的管道更加抗渗透,但是它只能承受少数几种化学介质的腐蚀。若钢质钢材内壁涂覆了氟聚合物涂层,则会因渗透物质在防护涂层与钢质管道之间的沉积而在后期引起钢质钢材的腐蚀,带来恶劣的后果。而锈蚀的开始从外部还很难发现,一旦锈蚀到断裂的情况,就会引起极为严重的后果,造成停工停产。
氟聚合物涂层的GFK热塑性合成橡胶管与钢质钢材相比较另一个优点是:管件的连接无需法兰。由于钢质聚四氟乙烯防护涂层管道的焊接性能较差,且由于生产条件所决定的每一根管道的长度仅能达到6m,因此不得不用法兰把一根根的管道连接成一体。而法兰往往是管道系统泄露的薄弱环节,需要定期地进行检查从而使得流程工艺设备的运行成本增加。同时,聚四氟乙烯钢管加上法兰之后的重量也明显加重。另外,补偿管道热胀冷缩的U型伸缩补偿管道通常至少要有8个法兰才能完成连接,这样在管道直径较大时重量非常之大。相应的,管道的支承部件的尺寸规格也要增大,这又增加了流程设备的生产制造费用。
在负压的管道中,或者管道的压力差变化很大时,GFK氟聚合物涂层的合成橡胶管道则显现出了自己的另一个优点:管道外层材料不会疲劳、脱落,因为它与GFK材料是“咬合”在一起的。当承受非常高的压力时,钢质管道因其良好的机械性能还是有优势的。
防止脱落
由于管道几何形状和尺寸的原因,GFK热塑性塑料管与外层防护涂层之间的附着性要求比承受损伤性负荷的平板形压层板的要求要低。但为了保证外层防护涂层有足够的防脱落能力,还是采用了高质量的表面涂覆技术。而很高的工作温度也要求在GFK热塑性塑料基材与氟聚合物外层防护材料之间有着很高的结合力,并且有相当于树脂般的硬度和聚合物般的柔软。另外,GFK基材和外部防护涂层还必须能够承受所出现的纵向膨胀和应力。因为从应用条件来看有些使用场合中采用带有表面防护涂层的钢管虽然看起来有着很好的经济性,但是与高温环境下的应用是不相适宜的(图2)。通过化学和热学处理的聚合物材料能够得到理想的硬度,使其能够在适当的温度范围内使用。在更高的温度范围内使用时,实践中使用的是编织物的防护涂层。编织物的材料可以是棉纱或者玻璃纤维,涂覆方式与聚合物加工温度有关。
目前,只有DIN标准对PVDF(聚偏氟乙烯)管材的热塑性氟聚合物材料的附着强度做出了规定。标准还没有对使用温度以上聚合物的附着强度做出规定。因此,Quadrant EPP公司在其ECTFE(乙烯三氟氯乙烯共聚物),FEP(氟化乙烯丙烯共聚物),MFA(全氟烷氧基聚合物)或者PFA(可溶性聚四氟乙烯)材料的管道外层防护中设计了很高的附着强度,以保证很高的使用可靠性(参见上表)。
根据使用情况选择合适的聚合物材料
选择管道制造中聚合物材料时有两点要注意:耐化学腐蚀性能和与温度的关系;渗透层的密封性能也随着厚度的增加而增加。因此,Quadrant EPP公司除了提供标准的、厚度为2.3mm的ECTFE(乙烯三氟氯乙烯共聚物),FEP(氟化乙烯丙烯共聚物),MFA(全氟烷氧基聚合物)或者PFA(可溶性聚四氟乙烯)管防护涂层之外,还根据用户的要求提供厚度3mm的无纤维增强的聚合物防护涂层(符合美国ASME RTP-1标准的要求)。
Symalit PVDF 1000型防护管,其适合的工作温度大约130℃,有着耐化学腐蚀和耐高温的防护表面。这种被他们称之为Symalit HV的管材有着很高的附着强度,在所有PVDF(聚偏氟乙烯)管材中属于质量等级最高的管材。
工作温度高达150℃时应使用织物增强的防护管材。Quadrant EPP公司研发生产的Symalit ECTFE 1000型防护管材保障了这一领域中的使用。它同样有着很好的抵抗腐蚀性介质,例如酸、碱介质的能力,有着很高的变型加工性能。
Symalit FEP 1000型、MFA 500型和PFA 1000型管材:它们除了涂有外层防护涂层以外还有涂覆了GGS玻璃纤维增强防护涂层的变型产品。由于它们的聚合物和树脂渗透深度更大,因此也有着很高的附着强度(工作温度范围可达180℃)。
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