尿素造粒的防腐及乙烯基的應(yīng)用

alexwtt · 發(fā)表于 2005-9-20 15:08:29

大型尿素造粒塔新型的腐蝕防護(hù)
 
一、前言 
造粒塔是化肥生產(chǎn)過(guò)程中制造粒狀化肥（如尿素、硝銨）的大型鋼筋混凝土構(gòu)筑物。其結(jié)構(gòu)重要由以下幾部分組成：主體塔身、操作間、刮粒漏斗、集料漏斗。
尿素造粒塔為直立圓筒型鋼筋混凝土設(shè)備。直徑20m，高65m，在高5.8m位置有一刮料平臺(tái)。溫度140℃的熔融尿素從距平臺(tái)50余米高的造粒噴頭噴下。熔融尿液液滴在降落過(guò)程中，被從塔下壁百葉窗進(jìn)入而由塔上壁排出的空氣冷卻，凝結(jié)成Ф1.8mm左右的小顆粒。落到平臺(tái)上的顆粒尿素溫度約60—70℃，隨即被旋轉(zhuǎn)的刮料機(jī)刮板刮入平臺(tái)中部鋼制的小料槽，由槽下皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)往散裝倉(cāng)庫(kù)。
它是粒狀化肥生產(chǎn)中的主要設(shè)備之一，具有使用溫度高、介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、維修難度大等特點(diǎn)。多年來(lái)，一直是捆饒化肥生產(chǎn)的難點(diǎn)問(wèn)題。本文就在各高性能材料在化肥造粒塔中的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行充分的總結(jié)，以供設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家參考使用。
 
二、 造粒塔內(nèi)側(cè)的腐蝕機(jī)理
干燥尿素對(duì)混凝土無(wú)腐蝕。但造粒過(guò)程中常帶微量氨、碳酸鹽和水蒸氣，尿素還會(huì)吸潮。故尿素溶液呈堿性。在梅雨天氣，尿素吸潮更嚴(yán)重。而造粒塔的砼基體為多孔結(jié)構(gòu)，尿素水溶液可發(fā)生滲入---結(jié)晶（膨脹）---潮解滲入—再結(jié)晶（膨脹）……的過(guò)程，當(dāng)熔融態(tài)或吸濕后的尿素或硝銨滲入砼基體的微孔后，會(huì)由于結(jié)晶而發(fā)生體積膨脹，這種膨脹力足以破壞砼基體的強(qiáng)度，影響造粒塔的結(jié)構(gòu)安全。這種結(jié)晶腐蝕作用使混凝土粉化、剝落、開(kāi)裂。氨水對(duì)水泥的滲透力也極強(qiáng)，腐蝕性相當(dāng)嚴(yán)重。含氨和碳酸鹽的尿素水溶液以及從水泥中溶下的鹽份、溶氧，使鋼筋很快銹蝕，鐵銹形成過(guò)程中體積膨脹，也造成混凝土開(kāi)裂。特別是刮料平臺(tái)，雖然刮料機(jī)板下端與平臺(tái)表面保持20mm間隙，生產(chǎn)過(guò)程平臺(tái)表面總積存一層尿素，新鮮尿素顆粒只與這尿素表面接觸。但當(dāng)造粒噴頭發(fā)生故障，熔融尿素不能造成液滴，出現(xiàn)“拉稀”現(xiàn)象時(shí)，平臺(tái)表面將直接與高溫堿性熔融尿素接觸，形成結(jié)疤。
選用塔內(nèi)壁防腐蝕材料，必須具備：自身壽命長(zhǎng)，耐溫度急變性好、抗?jié)B性能強(qiáng)、粘結(jié)強(qiáng)度高、防腐蝕效果突出。塔外表面材料應(yīng)能抗紫外線、耐腐蝕性好、對(duì)刮料平臺(tái)還得考慮具有抗沖擊性能。
 
三、腐蝕與防護(hù)
3．1外壁防護(hù)
由于煙囪、造粒塔是化肥生產(chǎn)中的兩大重要建筑物，外壁均受著重腐蝕性的工業(yè)大氣腐蝕作用，同時(shí)也會(huì)由于地域原因等可能受酸雨、紫外光線等作用，容易導(dǎo)致直接裸露在大氣中的砼基礎(chǔ)煙囪會(huì)發(fā)生粉化等現(xiàn)象，因此有必要對(duì)于外壁進(jìn)行良好的耐腐蝕防護(hù)，這一般情況下通過(guò)選用涂料形式解決，要求涂料具有耐化工大氣腐蝕、耐候性能均優(yōu)良的品種，下面就羅列了幾種比較常用的涂料。一般情況下，選擇下列任何一種均可，但在實(shí)際應(yīng)用中，聚氨酯涂料、高氯化聚乙烯（HCPE）等采用的較多。
3．2內(nèi)壁防護(hù)
考慮到尿素顆粒的腐蝕屬鹽的結(jié)晶、溶脹，因此首先提高塔體的抗?jié)B等級(jí)（抗?jié)B等級(jí)≧1.2Mpa），防止尿液滲透就可進(jìn)行防護(hù)。主要措施是在澆塔過(guò)程中，對(duì)混凝土加減水劑、密實(shí)性、阻銹劑等水泥外加劑。個(gè)別的對(duì)塔內(nèi)表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，或局部刷些涂料，以利提高塔身的防腐蝕效果。但由于密實(shí)劑等化工材料的生產(chǎn)技術(shù)以及施工過(guò)程比較復(fù)雜，加之操作等原因，往往容易造成缺陷，影響塔體使用壽命和效果，因此有必要對(duì)尿素造粒塔進(jìn)行充分的防腐蝕，下面就幾種常見(jiàn)的防腐蝕形式并結(jié)合我們的產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)： 
3．2．1涂料形式
涂料品種包括：氯磺化聚乙烯、聚氨基甲酸酯、環(huán)氧氨基涂料、PAPI、氨乙烯-偏氯乙烯等。主要目的在于依靠有機(jī)涂層，在塔壁表面形成連續(xù)、致密的涂膜，防止尿液滲透，但因涂層薄，抗?jié)B效果差，不耐沖刷，而且需要經(jīng)常重涂，尤其是聚氨基甲酸酯等涂料，雖然耐尿素腐蝕，但與混凝土的膨脹系數(shù)有較大差距，涂膜柔韌性欠佳，所以易產(chǎn)生細(xì)微裂紋，引起尿液腐蝕，同時(shí)有些涂料配套又存在問(wèn)題，故成功的事例很少。
另外，屬有機(jī)非金屬材料類(lèi)的各種涂料，基本上為室溫成型，同時(shí)含有大量的可揮發(fā)性的溶劑。眾所周知，凡是有機(jī)非金屬材料在室溫條件下成型，均為非致密體，其中存在大量的空穴及孔隙，更為嚴(yán)重的是幾乎所有的材料均是在揮發(fā)性溶劑稀釋條件下施工并成型的，而溶劑的揮發(fā)使缺陷量一步增大，這就為介質(zhì)的滲透提供了通道，導(dǎo)致抗?jié)B性較差。當(dāng)介質(zhì)沿襯里滲透進(jìn)入襯里后，因環(huán)境狀態(tài)的變化，聚集在空穴、孔隙或襯里層間重新結(jié)晶，同時(shí)體積膨脹，膨脹力導(dǎo)致襯里受力拉伸，進(jìn)而使原有的缺陷因受力而擴(kuò)大，甚至產(chǎn)生新的微裂紋。此時(shí)由于結(jié)晶膨脹體積增大，而介質(zhì)聚集空間內(nèi)的蒸汽壓卻下降，從而導(dǎo)致虹吸作用形成。介質(zhì)在虹吸作用下沿通道加速滲透，進(jìn)而再結(jié)晶、再膨脹、再微破壞、再滲透。而且塔體一旦經(jīng)過(guò)尿液腐蝕污染，會(huì)在很深的部位形成結(jié)晶、殘留液，直接影響涂層的附著力，同時(shí)對(duì)新涂層產(chǎn)生背面腐蝕壓力。而引起剝離，因此修復(fù)非常困難。所以在現(xiàn)代防腐蝕材料的發(fā)展中，很少采用防腐蝕涂料的形式對(duì)內(nèi)壁腐蝕防護(hù)。
 
3．2．2玻璃鋼（FRP）形式
玻璃鋼襯里是目前使用最普遍的造粒塔防腐蝕襯里，但在多年的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)鼓泡、脫粘，甚至大面積脫落等損壞現(xiàn)象，使用效果并不能令人滿(mǎn)意，究其原因，這是由玻璃鋼自身的固有性質(zhì)、基體材料的選擇及施工工藝所決定的：
1、由于砼基體為多孔結(jié)構(gòu)，在玻璃鋼襯里施工中，會(huì)將大量的空氣封閉在接觸界面，形成空泡，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，空泡中的空氣會(huì)發(fā)生體積膨脹，使襯里與砼基體局部脫離，出現(xiàn)鼓泡、起殼等現(xiàn)象，在國(guó)內(nèi)外的多年防腐蝕中，這個(gè)情況經(jīng)常出現(xiàn)，所以一般情況不推薦玻璃鋼（FRP）襯里的使用溫度高于70℃，而在造粒塔內(nèi)側(cè)的高溫區(qū)的溫度一般為80-120℃；
2、玻璃鋼在固化成型過(guò)程中，樹(shù)脂所產(chǎn)生的固化收縮力會(huì)沿著玻璃纖維連續(xù)傳導(dǎo)并疊加，應(yīng)力方向和襯里與砼基體粘接力方向相反，此外，結(jié)晶產(chǎn)生的膨脹力與襯里的固化收縮應(yīng)力作用方向相同，而均和襯里與基體間的粘接力相反。他們疊加后共同作用于表面，從而使界面的粘接強(qiáng)度降低，在圓筒形的造粒塔內(nèi)壁上，這種負(fù)作用尤為明顯。當(dāng)積累到一定程度，大于粘接強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致襯里鼓泡、脫粘，進(jìn)而開(kāi)裂、剝落，使介質(zhì)直接對(duì)砼基體造成腐蝕。
3、如同在3.2.1所提到的，玻璃鋼施工時(shí)膠液中含有較多的溶劑，在施工過(guò)程中，溶劑的揮發(fā)會(huì)在襯里層中形成氣泡和針孔等缺陷，降低襯里的抗介質(zhì)滲透性，腐蝕介質(zhì)首先從缺陷處開(kāi)始滲透，一旦到達(dá)砼基體的表面，不但會(huì)導(dǎo)致砼基體腐蝕，降低砼基體的強(qiáng)度，影響建筑物的結(jié)構(gòu)安全，而且會(huì)發(fā)生擴(kuò)散性底蝕，造成襯里大面積脫粘、起殼，從而使防腐蝕襯里失效。
4、另外，由于前幾年防腐蝕樹(shù)脂的選擇有限，一般情況下會(huì)選用環(huán)氧樹(shù)脂，而在常溫下施工的環(huán)氧樹(shù)脂中會(huì)加入大量的可揮發(fā)性的工業(yè)溶劑，這不僅會(huì)帶來(lái)人身傷害和環(huán)境污染的問(wèn)題，同時(shí)更易出現(xiàn)上面提到的幾點(diǎn)，但隨著防腐蝕材料的發(fā)展，這方面得到了很好的克服，尤其是乙烯基樹(shù)脂的應(yīng)用。乙烯基酯樹(shù)脂是綜合性能非常優(yōu)越的一類(lèi)高度耐蝕材料，國(guó)際上從20世紀(jì)60年代末開(kāi)發(fā)此類(lèi)材料至今一直處于高耐蝕樹(shù)脂材料的領(lǐng)先地位。用環(huán)氧樹(shù)脂作為骨架與甲基丙烯酸聚合制得乙烯基酯樹(shù)脂，綜合了環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)，固化后的性能比環(huán)氧樹(shù)脂提高很多。它不僅改進(jìn)了環(huán)氧樹(shù)脂的操作性、工藝性，其突出特點(diǎn)還在于耐蝕性、韌性、對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)性能優(yōu)良。耐溫度性能較環(huán)氧樹(shù)脂（E44）有較大提高，氣態(tài)甚至可達(dá)到180-200℃。
5、由于常規(guī)的玻璃鋼的耐磨損特性相對(duì)較差，在尿素液的長(zhǎng)期沖刷作用下，可能導(dǎo)致表面等的磨損而最后導(dǎo)致耐腐蝕失效。
由此可見(jiàn)，由于玻璃鋼襯里的本身固有特性，不能很好地解決造粒塔的防腐蝕問(wèn)題。
 
3．2．3玻璃鱗片膠泥形式
玻璃鱗片襯里技術(shù)是專(zhuān)門(mén)為解決非金屬襯里的物理腐蝕而研制的，鱗片的平行排列結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的抗?jié)B透性能、特有的施工工藝使其具有孔隙率低、結(jié)構(gòu)致密、成型殘余力小、與砼基體的界面粘接強(qiáng)度高等特點(diǎn)，因此我們認(rèn)為玻璃鱗片襯里技術(shù)是解決造粒塔腐蝕問(wèn)題的最佳方法。用乙烯基酯樹(shù)脂作為主要成膜物質(zhì)，開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的乙烯基酯樹(shù)脂玻璃鱗片涂料(Vinyl Ester Glass Flake Compound,簡(jiǎn)稱(chēng)“VEGF”)，不僅抗?jié)B耐磨，而且保留了成膜樹(shù)脂的耐蝕特性和力學(xué)性能，一次成膜厚度可以達(dá)到100μm，以上。乙烯基酯樹(shù)脂與鱗片涂料復(fù)合，可以解決單一材料難以對(duì)付的腐蝕問(wèn)題。這種復(fù)合技術(shù)，國(guó)外有過(guò)不少報(bào)道，表3.2中列出了乙烯基酯玻璃鱗片膠泥（VEGF）與玻璃鋼形式的對(duì)比：
表3.2 鱗片膠泥復(fù)合構(gòu)造防護(hù)特點(diǎn)
 玻璃鋼（FRP）結(jié)構(gòu)VEGF鱗片膠泥結(jié)構(gòu)基體樹(shù)脂環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂等乙烯基酯樹(shù)脂增強(qiáng)材料玻璃布/氈玻璃鱗片（片徑：2-3mm）施工方法間歇式手糊成型鏝涂、刮涂、滾涂、刷涂、噴涂等施工周期成型慢，要求施工人員素質(zhì)高，陰陽(yáng)角處理復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)非常適合結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的場(chǎng)合，容易成型，施工周期較短粘結(jié)力FRP成型太厚收縮應(yīng)力大，易引起起殼而破壞粘結(jié)片狀填料使橫向應(yīng)力很小，粘力強(qiáng)抗?jié)B透性較好比普通環(huán)氧FRP高4倍耐溫度沖擊性一般好，可達(dá)180-200℃耐磨耗性一般好修復(fù)性不易修復(fù)修復(fù)容易，操作簡(jiǎn)單 
根據(jù)造粒塔內(nèi)溫度的分布情況和介質(zhì)狀態(tài)的不同，我們將塔內(nèi)壁分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，分別采用不同的腐蝕結(jié)構(gòu)。
1、高溫區(qū)
噴淋頭以上2米至噴淋頭以下8米的塔內(nèi)壁及操作間外壁為高溫區(qū)，該區(qū)域溫度在80-120℃之間，腐蝕介質(zhì)主要為高溫物料及蒸汽，因而也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的熱應(yīng)力，影響腐防腐內(nèi)襯的本體強(qiáng)度和與砼基體的粘接強(qiáng)度，同時(shí)由于該區(qū)域溫度高、介質(zhì)活性大、腐蝕性強(qiáng)、熱應(yīng)力影響大，因此在底部加一道玻璃短氈增強(qiáng)層，以提高整個(gè)襯里層的整體強(qiáng)度。之所以采用能夠短切氈作為增強(qiáng)層，采用VEGF-1型高溫玻璃鱗片膠泥與短切氈的復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1。
 


其中采用短切氈玻璃鋼層的原因：
A、短切氈中的玻璃纖維是不連續(xù)的短纖維，不會(huì)產(chǎn)生固化收縮影力和熱應(yīng)力的連續(xù)傳導(dǎo)；
B、短切氈的吸樹(shù)脂能力很強(qiáng)，成型后的結(jié)構(gòu)樹(shù)脂飽滿(mǎn)、致密度高；
C、與砼基體的貼合性好，不易產(chǎn)生氣泡等缺陷。
 在施工中VEGF鱗片層的施工厚度為2.0±0.2mm，這樣可以有效地防止介質(zhì)的滲透，鱗片膠泥層完成后，應(yīng)對(duì)表面的流淌痕、料滴等進(jìn)行打磨處理，使表面平整，然后涂刷面漆兩道，以提高整個(gè)襯里層的表面光潔度，這樣能大大減輕尿素掛壁現(xiàn)象而防止運(yùn)行時(shí)塔壁粘料對(duì)襯里層的影響。
 
2、 低溫區(qū)
高溫區(qū)以外的溫度均低于80℃，定為低溫區(qū)，因此均采用VEGF-2型中溫玻璃鱗片膠泥，施工厚度為2.5±0.2mm.
在玻璃鱗片膠泥施工中，在應(yīng)力集中的陰陽(yáng)角區(qū)域，襯里容易因尖角應(yīng)力產(chǎn)生開(kāi)裂，所以應(yīng)在玻璃鱗片膠泥層上加兩道玻纖進(jìn)行局部增強(qiáng)。
采用樹(shù)脂鱗片膠泥涂層的方案，不但兼顧了貼布、復(fù)合材料等特點(diǎn)，而且在提高施工可操作性、加速工程進(jìn)度、有利控制工程質(zhì)量等方面，顯出優(yōu)越性。
 
3．3塔底防護(hù)
在尿素造粒塔的底部，由于沖刷、偏堿性尿素的作用等作用，所以也應(yīng)該對(duì)底部進(jìn)行防腐蝕，考慮到各方面的因素，可以采用整體砂漿地坪形式或者塊材砌筑的形式，基體樹(shù)脂一般采用低收縮型高防腐蝕的乙烯基樹(shù)脂等，如891樹(shù)脂等。
 
4、總結(jié)
尿素作為一種優(yōu)質(zhì)氮肥，同時(shí)作為動(dòng)物飼料、樹(shù)脂、醫(yī)藥、增塑劑的原料，在我國(guó)具有特別重要的地位，隨著農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，尿素的需求量會(huì)不斷增加，從而應(yīng)用前景十分廣闊。而尿素造粒塔的防腐蝕是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要內(nèi)容，應(yīng)引起足夠的重視，因此對(duì)于造粒塔內(nèi)外壁的防腐蝕的設(shè)計(jì)及施工中，采用新材料、新工藝、新產(chǎn)品、新技術(shù)是重要措施，文中所涉及的材料等各方面可能于設(shè)計(jì)者、廠方和施工部位均有參考意義。