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不锈钢真空泵耐腐蚀的理论基础和市场产品局限性分析

 
导读: 不锈钢真空泵耐腐蚀的理论基础和市场产品局限性 真空泵耐腐蚀为什么这么难? 一、腐蚀种类多种多样,化学、电化学腐蚀和物理腐蚀并存 首先,真空泵大多是用金属材料制作而成,而金属耐腐蚀却是天然的弱

不锈钢真空泵耐腐蚀的理论基础和市场产品局限性


真空泵耐腐蚀为什么这么难?

一、腐蚀种类多种多样,化学、电化学腐蚀和物理腐蚀并存

首先,真空泵大多是用金属材料制作而成,而金属耐腐蚀却是天然的弱势,引用《腐蚀手册》的话来说,腐蚀是材料在环境的作用下引发的破坏,其种类多种多样。在泵运行环境下,金属材料要受到化学、电化学、物理多种交叉腐蚀,而且一个都不少。

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▲泵用金属材料需要面对的腐蚀种类

物理腐蚀指的主要是气蚀,气蚀发生在高流速液体,并有压力变化的环境中。气泡破灭时产生冲击波压力,可以撕裂金属粒子,引发设备变形。无论您选用哪一种材料的真空泵,如果前期选型出现错误的话,选择抽气量过大的真空泵,或者后期使用过程中操作不当,都会出现气蚀!

二、泵内介质高流速加速腐蚀

《腐蚀手册》有个经典案例,用碳钢管道输送浓度为7%的硫酸,管道流速为0.0007~0.0026m/s,碳钢管道可以长期耐受腐蚀,而碳钢泵输送同样的硫酸,泵的使用寿命仅仅为72小时,因为碳钢泵流速已经高达23.08m/s (1500rpm),高流速会极大的加速腐蚀速率!所以,当你查询《腐蚀手册》时,某一种材料耐酸性较好,也仅仅是指在静态浸泡条件下的腐蚀速率,与真空泵高流速工况条件的腐蚀速率,还是存在相当大的差异的! 

三、泵内升温会加速腐蚀

真空泵长期运行后,自身的机械运转会产生热能,抽取的气体也会带来热量,某些情况下,泵腔内部的工作液也会产生汽化热,所以,真空泵升温也是不可避免的。我们以硫酸对灰铸铁腐蚀为例,每增加10℃,硫酸腐蚀灰铸铁速率增加一倍。

而即使是耐腐蚀性优秀的不锈钢316L,随着盐酸温度的增加,盐酸对不锈钢316L的腐蚀速率也起到一个加速的作用

四、浓度变化也会影响腐蚀效率

在温度不变的情况下,介质浓度的变化对腐蚀速率可能是加速或减速。减速主要原因是有的金属会产生钝化膜,从另一个方面来说,金属靠钝化膜防腐是有很大局限性的,必须在一定浓度范围之内,或者是某一类酸,比如,硫酸浓度增加,灰铸铁耐腐蚀性是增强的,而盐酸浓度增加,不锈钢316L的耐腐蚀性反而变弱,如下图:

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五、工况条件的复杂性

前面讲到得还只是一些耐腐蚀的基本困难,它们还仅仅是腐蚀种类多、高流速、温度和浓度加速腐蚀的基本条件,但在实际应用中,我们往往发现你要抽的气体含有的介质,每一家化工单位的工况都与众不同,包罗万象,各有特色,下面一张图比较符合我刚刚入行学做方案时的感受:

问题是,有时候医药厂往往是需要转产的,今年做这个产品,明年可能开始转产另外一个,工况条件发生很大变化,耐腐蚀安全余量小的真空泵往往无法适用与新产品新工况,有时候领导(老板)提出的要求又要耐酸、又要耐碱、又要耐有机溶剂,又要耐磨、又要便宜、又要耐用还好修,还要适应未来工况的变化,想啥好事儿呢?

所以,我们去年几个月的主要工作,就是搜集国内所有耐腐蚀真空泵的专利,经过深入了解和学习之后,我们发现真空泵耐腐蚀技术实际上分为几个流派,分别是衬涂镀、超级合金、复合材料三大门派:

一、衬、涂、镀技术的特点:

衬、涂、镀技术主要思路就像钢铁侠一样,血量不高的人体装上一层耐腐蚀护甲。用陶瓷做衬层、涂料做涂层、哈氏合金做渗层,这种工艺在液环泵、螺杆泵、往复泵、罗茨泵上应用较多。衬、涂、镀技术经历了百家争鸣,百家齐放的阶段,最后实践证明,这种护甲型耐腐蚀技术确实管用,但也有一定的局限性,就是防护周期较短,耐腐蚀安全余量有限。有的客户反映,半年之后防护层就消耗掉了,需要回厂再做衬层,但有的客户需要生产保持连续性和稳定性,还是希望耐腐蚀寿命再长一些。

二、超级合金技术特点:

超级合金耐腐蚀技术,主要是利用钛合金、哈氏合金、双相钢这几种超级合金打造一台超级合金真空泵,在液环泵、螺杆泵、罗茨泵应用较多。它的特点就是耐腐蚀安全余量高,从里到外全都是耐腐蚀的超级合金,相当于变形金刚一样,从里到外都是真金白银,所以,它是土豪专用的!!!

因为这些超级合金实在是太贵了,谨慎选择!因为即使是超级合金,也存在自身的弱点,我们引用论坛大神的一段观点:

钛金属材料广泛应用于氯碱、氯酸盐、盐酸等车间部门,是由于钛耐腐蚀性强,化学性质稳定,几乎不与任何物质反应,机械性能也相当优异。

但唯独不能用于干氯气场合。在干氯气条件下,即使低温低于0度的条件下,氯气和钛金属也会发生剧烈的化学反应,生成四氯化钛,四氯化钛再分解成二氯化钛,反应剧烈时出现钛金属燃烧现象。氯碱部门,以前呈出现过氯气换热器中的列管被燃烧掉的事故。

比较奇妙的是当氯气中含水量高于0.5%时,两者根本不反应,钛材料表现的相当稳定,这也是为什么钛料广泛应用于氯碱、氯酸盐、盐酸部门的原因。

并且钛材料较轻,强度大,使用的钛设备壁厚通常较钢材、不锈钢等材料要小很多,在航天上也被广泛应用。

双相钢作为一种添加了特殊添加物的新型合金,自身造价在超级合金里面,是非常亲民的了,这几年在很多厂家也有应用,目前也在等待市场的使用反馈。

三、复合材料特点:

复合材料耐酸具有天生的优势,因为它本身不受化学腐蚀和电化学腐蚀的困扰,它往往与酸不发生反应,但是它是不耐碱的,有的复合材料还会被有机溶剂溶解,发生溶胀、溶缩、失重、增重或丧失强度的问题,所以复合材料的选择也是比较严苛的。

  除此之外,还有难点,就是复合材料的强度;

例如,聚丙烯材料的拉伸强度在20M~30MPa之间,弯曲强度在25M~50MPa之间。如果要想把PP用在工程结构件上,就必须使用玻璃纤维进行增强。玻纤增强改性PP,通过玻璃纤维增强的PP产品的机械性能能够得到成倍甚至数倍的提高。具体来说,拉伸强度达到了65MPa~90MPa,弯曲强度达到了70MPa~120MPa。

但是,这还远远不够,要知道,泵用金属的拉伸强度都在200-550MPa之间,所以,我们花费二十多年,将一种纤维增强塑料的强度做了三次升级,它是一种玻璃纤维和酚醛树脂的复合材料,升级后的强度达到了315MPa,比泵用灰铸铁强度要高,比泵用不锈钢强度低,可以应用于真空泵的正常运行。

在解决材料强度问题之后,我们又做了大量浸泡实验,在盐酸、硫酸、硝酸、苄醇、甲苯、对二甲苯、氯乙酸乙酯、氯化苄、四氢呋喃等各种酸类、有机溶剂中,做了长期的浸泡,之后测试材料的强度变化,观察是否出现溶胀、失强等现象,如下图:

 在材料满足了耐酸、强度的要求后,进一步的工作就是最大化的用复合材料制作一台真空泵,我们实现了90%以上配件都使用同一种材料的目标,这样做的好处是,材料同种同源,制作配件时材料应力相同,各种配件契合度较好,制作工艺较为方便,而且让真空泵具有了最大化的耐腐蚀安全控件,如下图:

在很多客户多年的信任和帮助下,这种纤维增强塑料真空泵经过了实践的检验,在各种工况条件下,表现出了优秀的耐腐蚀性能,平均使用周期3-5年,最长使用周期有的客户甚至用到了8年以上,我们将几种经典的工况条件的使用案例,放在下面作为参考

 ▲氯化氢、二甲苯、甲苯 - 使用8年

 ▲硫酸 - 使用10年

 ▲醋酸 浓度80% - 使用8年

可能有的朋友会说,还有水喷射泵啊,用很多年都没问题的,耐腐蚀超好的,说的也没错,但真空泵效率是有分层和排序的,我们以11KW真空泵做一个横向的对比,你会发现各种类型的真空泵分别从多个层面覆盖了整个市场需求,既有干式泵与液环泵的干湿搭配,适用于含水分或不含水分的工况;既有螺杆泵这种要求清洁气源的,也有水喷射、液环泵这种不怕灰尘,胃口好不挑食的;既有螺杆泵占地小,真空度高,也有罗茨泵搭配液环泵、往复泵、水喷射实现高真空的,但占地面积大,两者在价格也是高低搭配;

所以说,只用一款真空泵满足整个耐腐蚀真空泵市场需求是不现实的,每一款泵存在都有它的道理,都有市场对它的需求;而耐腐蚀真空泵也是在传统真空泵基础上设计优化而来的,耐腐蚀真空泵不可能跳出三界之外,不在五行之中;而水喷射一方面受到国家环保政策的限制,很多园区禁止使用,另一方面,水喷射的工作原理是一个汽水混合的文丘里结构,冬季水喷射泵运行1个小时之后,水箱工作液温度高于35℃左右,真空度便以肉眼可见的速度迅速降低至0.07~0.08MPa左右;而夏季更快,仅仅运行20-30分钟,真空度也快速降低,而想想中国南方漫长夏季高温,对一部分要求长时间高真空的客户来说,就很难接受。



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