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塑料阀门与塑料衬里阀门的开发

来源: 上海阀门 时间: 2012-05-05 点击: 2,047

1.引言

早在50年前,塑料问世不久,就有人预言,塑料阀门的需求量将会大幅上升,目前,塑料阀门不仅广泛用于建材工业、汽车工业、宇航工业、给排水工业,在石油化工业中更是被大量使用。

2.阀门行业几种常用塑料材料的性能特点

2.1 聚氯乙烯(PVC)塑料

2.1.1 物理机械性能

聚氯乙烯分为硬质聚氯乙烯和软质聚氯乙烯,石化行业经常使用的是硬质聚氯乙烯塑料,其物理机械性能见表l。聚氯乙烯的密度小,易于安装;导热系数小,介质温度不太高时可不用保温层;线膨胀系数较大,管道安装时应考虑膨胀问题;使用温度较低,一般在70℃以下。

2.1.2耐腐蚀性能

聚氯乙烯主链由非极性共价键C-C联结而成,不含活性较大的基团,化学性质比较稳定。硬质聚氯乙烯除了强氧化剂(如浓硝酸、发烟硫酸等)、芳香族碳氢化合物及酮类外,能耐大部分酸、碱、盐、碳氢化合物、有机溶剂等介质的腐蚀,见表2。

表1 聚氯乙烯物理机械性能
项目 密度/
(g·cm-3)
导热系数/
(W·m-1·K-1)
线膨胀系数/
(10-4K-1)
最高耐热温度/
短期抗拉强度
(20℃)/MPa
硬聚氯乙烯 1.4~1.6 0.14~0.15 0.5~0.6 70 50~60
普通碳钢 7.81~7.85 45~70 0.10~0.14 - 250~300
表2 硬质聚氯乙烯耐化学腐蚀性能数据
介质 质量分数/% 温度/℃ 耐蚀评价等级
氢氧化钠 25 60
硝酸

50~70
>70

20
22
不耐
盐酸 0~35
>35
60
60

不耐
硫酸 90~95
96~98
20
20

不耐

2.1.3 应用

硬质聚氯乙烯能耐大部分酸、碱、盐和碳氢化合物的腐蚀,在炼油化工防腐中应用广泛。但硬质聚氯乙烯的使用温度比较低,一般为70℃以下,而且由于聚氯乙烯线膨胀系数较大,为普通碳钢的5~6倍,故在温度相对较高且温度变化较大的生产工艺条件下不能使用。

2.2 聚乙烯(PE)塑料

2.2.1 物理机械性能

聚乙烯是乙烯的高分子聚合物,可分为高密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯分子结构中含有较多的支链,结晶度较小;高密度聚乙烯支链很少,结晶度比较大。聚乙烯是结晶性聚合物,结晶度多其物理机械性能影响比较大。聚乙烯的物理机械性能见表3。

表3 聚乙烯物理机械性能
项目 密度/
(g·cm-3)
导热系数/
(W·m-1·K-1)
线膨胀系数/
(10-4K-1)
最高耐热温度/
短期抗拉强度
(20℃)/MPa
低密度聚乙烯 0.91~0.93 0.55 1.6~1.8 50~100 7~16.2
高密度聚乙烯 0.94~0.95 0.55 1.1~1.3 50~100 21.8~28.2

2.2.2 耐腐蚀性能

聚乙烯的耐腐蚀性能与聚氯乙烯相比要好一些,主要体现在除耐腐蚀外,还几乎不溶于任何有机溶剂,在甲酸、氢氟酸介质中的耐腐蚀性也优于聚氯乙烯,见表4。但聚乙烯的环境应力开裂现象较严重,在较低应力或应变下,浸在一些介质中会发生突然开裂。在腐蚀环境下,聚乙烯在不受力的情况下,使用温度可稍高于硬聚氯乙烯,但由于聚乙烯强度较低,在同样应力条件下,允许的使用温度低于硬聚氯乙烯。

表4 聚乙烯耐化学腐蚀性能数据
介质 质量分数/% 温度/℃ 耐蚀评价等级
氢氧化钠 0~20
>20
60
20

不耐
硝酸

0~30
>30

60
20

不耐
盐酸 <37
>37
60
20

不耐
硫酸 0~75
>75
60
20

不耐

2.2.3 应用

由于聚乙烯的环境应力开裂现象较严重,在较低应力或应变下,浸在一些介质中会发生突然开裂,另外其机械性能不及聚氯乙烯,所以其在石油化工腐蚀环境中的综合性能不如聚氯乙烯,应用也没有聚氯乙烯广泛。

2.3 聚丙烯(PP)塑料

2.3.1 物理机械性能

聚丙烯是丙烯的高分子聚合物,是目前工程塑料中最轻的一种,其物理机械性能见表5。与聚氯乙烯相比,它的缺点是线膨胀系数大、弹性模量小、成型收缩率大、低温下的脆性大;优点是具有较高的使用温度,软化点较高(180℃)。在70℃以下,硬聚氯乙烯的强度高出聚丙烯许多,但随着温度上升,聚丙烯强度下降趋势较小。当超过硬聚氯乙烯玻璃化温度(80℃时)时,聚氯乙烯完全丧失强度,而聚丙烯仍保持强度(120~150kg/cm2),所以高温度使用性能良好是聚丙烯最大的优点。

表5 聚丙烯物理机械性能
项目 密度/
(g·cm-3)
导热系数/
(W·m-1·K-1)
线膨胀系数/
(10-4K-1)
最高耐热温度/
短期抗拉强度
(20℃)/MPa
聚丙烯 0.90~0.91 0.087~0.14 0.9~1.5 80~120 32~34

2.3.2 耐腐蚀性能

聚丙烯除了强氧化剂如浓硝酸、发烟硫酸、绿磺酸等以外,可以耐大多数无机酸、碱、盐的腐蚀,而且常温下几乎所有的有机溶剂均不能溶解聚丙烯,见表6。由于具有良好的耐高温、耐腐蚀性能,聚丙烯广泛应用于石油化工耐腐蚀管道、阀门贮槽等构件中。

表6 聚乙烯耐化学腐蚀性能数据
介质 质量分数/% 温度/℃ 耐蚀评价等级
氢氧化钠 52 100
硝酸

30~50
>50

20
20

不耐
盐酸 30
>36
80
80

不耐
硫酸 96~98 20
80

不耐

2.3.3 应用

聚丙烯具有线膨胀系数大的特点,在加热时管线受热伸长,温度下降时收缩,在生产过程中长时间温变拉伸、压缩应力载荷作用下,管线易出现塑性弯曲变形。由于聚丙烯管材线膨胀系数大、弹性模数小、低温下的脆性大,不适用于温度很高且温度变化较大的生产工艺环境。

2.4 氯化聚氯乙烯(CPVC)塑料

2.4.1 氯化聚氯乙烯的性能

氯化聚氯乙烯的氯质量分数由PVC中的56.7%提高到63%~69%,氯含量的增加,使得氯化聚氯乙烯的结构上分子的不规整性增强,结晶度下降,分子链的极性增强,因而使其热变形温度显著上升。CPVC产品的使用温度最高可达93~100℃,比PVC提高30~40℃,氯含量的增加还会使得氯化聚氯乙烯的硬质脆化温度Tg显著升高。又由于单体PVC的分子质量的增加,也会使Tg在相同的氯含量水平时有小比率的增加。氯化聚氯乙烯的这些特点改善了PVC的抗化学性及抗腐蚀能力,能抗酸、碱、盐、脂肪酸盐、氧化剂及卤素等的化学腐蚀;同时,CPVC的抗张强度、抗弯强度较PVC也有改进。CPVC具有优越的耐高温、耐老化、耐化学腐蚀性能、高阻燃性和较高的机械强度等特点。氯化聚氯乙烯材料的耐化学腐蚀性能数据见表7。

表7 氯化聚乙烯耐化学腐蚀性能数据
介质 质量分数/% 温度/℃ 耐蚀评价等级
氢氧化钠 任意 100
20
硝酸

0~70
100

20
20

不耐
盐酸 0~38

38
85
100

不耐
硫酸 0~80
>80
85
85

不耐

2.4.2氯化聚氯乙烯应用

氯化聚氯乙烯具有低成本、高硬质脆化温度、高热弯曲温度、稳定的化学性质、优异的机械性能等特性,在发达国家被广泛用于工艺条件苛刻的腐蚀环境,国内也在近几年开始引进这种非金属材料,在一些腐蚀比较严重的石化生产装置应用,取得了良好的应用效果。

3.塑料阀门

由于上述几种塑料具有的特殊性能,因而广泛用来生产石油化工管道阀门。塑料阀门的生产工艺主要是注塑成型的。

又因塑料阀门的主要元件是由注塑模具制造的。近些年来,数控机床快速发展、不断更新,促进了模具制造业的发展,精密模具、大型模具、以及精密注塑设备的出现,使塑料阀门的生产得到快速发展。

塑料阀门发展的另一个原因是市场需求,给排水工业上使用了大批塑料阀门,这是因为塑料材质的某些特性决定的:

其一,给排水管道用阀门使用温度不高(常温),使用的压力不高(0.4~0.6MPa),而且管道阀门内不易结垢,没有污染,塑料阀门很适合。

其二,连接方便,除去法兰连接外,还有螺纹连接卡套连接和承插焊连接,某些塑料材质可以简单地承插粘合连接,而有些塑料需要熔焊,即使熔焊,也比金属对金属的焊接简单很多,所以受到使用者的欢迎。

其三,塑料价格便宜,生产阀门成本低。

由于以上原因,塑料阀门的发展非常迅速,随着工程塑料新品种的出现,耐温、耐压、耐腐蚀性能不断提高,塑料阀门的应用范围还将进一步拓展。

4.塑料衬里阀门

我们知道塑料的使用温度是有限的,通常在70℃左右,适应压力大多在O.6MPa左右。

单纯用塑料制作的阀门是难以胜任在较高温度、较高压力工况下工作的,必须另辟蹊径。人们在不断试验和实践中,利用塑料的可塑性加工原理,用钢铁作外壳,将塑料衬于壳体内,以隔绝钢铁金属与强腐蚀性介质的直接接触,这既解决了塑料的强度低,而不能承受较高压力的问题,又解决了钢铁材料不耐腐蚀的问题。塑料衬里阀门将适用压力由0.6MPa提高到PNl.6MPa,扩大了使用范围。

塑料衬里阀门的设计,生产工艺与氟塑料衬里阀门基本相同。除了模压成型和注塑成型生产阀门之外,滚塑成型工艺对于某些大口径阀门生产是一种既实用又经济的好方法。

滚塑加工工艺最早起始于上个世纪40年代的欧、美等发达国家,是继塑料加工、挤出、吹塑、注塑、拉伸等工艺后新出现的塑料加工工艺。它的特点:一是大型的制品,二是形状怪异、产品无内应力。滚塑技术作为一种新工艺,应用于阀门生产还是近几年的事,最开始用于大型化工管道和工业弯头,以及储罐。

塑料衬里阀门的生产工艺较氟塑料衬里阀门容易些,适用范围宽广些,大部分氟塑料不能采用滚塑工艺制造阀门和储罐的耐腐衬里。然而大部分塑料都能采用滚塑工艺衬里,滚塑工艺特别适合于大口径阀门的衬里,不需要笨重的衬里模具和大型加热炉设备,可直接在滚塑机内进行滚塑加工。这样,不仅减少了设备费和模具费,降低了生产成本,为塑料衬里阀门的生产开辟了节能降耗的新途径。

5.结束语

由于塑料阀门优异的耐腐蚀性、不沾性、保温性、电绝缘性和生产成本低、安装简便等特点,塑料阀门在石化工业,给排水工业中已经被广泛使用。

随着新型塑料品种的不断出现,塑料阀门的生产工艺不断改进和完善,塑料阀门的品种规格不断增加和品质的不断提高,塑料阀门的应用前景无比广阔。

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