锆金属及其在化工耐蚀设备领域中的应用_韩继秋

,.& 经济性比较与分析
支 撑 附 件 ，如 卧 式 容 器 的 鞍 座 、支 承 、吊 耳 和 裙 座 类 支 承 等 。
如上所述，采用整体或复合结构两种制造 方 法 有 不 同 的
在中等内压力下，锆等活性金属的壁厚可增加到 &)# 英
优 点 和 复 杂 性 ，这 影 响 决 定 采 用 哪 一 种 方 法 。设 备 的 尺 寸 、介
其尺寸能忍受所有载荷，因为它的强度比锆等活 性 金 属 材 料
需 厚 度 小 ，这 表 明 复 合 结 构 更 经 济 。反 之 ，若 平 衡 点 厚 度 比 所
高的多，所以碳钢厚度比所需的锆的厚度小的多 。 复 合 时 锆
需 厚 度 大 ，则 采 用 整 体 结 构 更 经 济 。
等活性金属复层 厚 度 一 般 为 -)/# 英 寸 至 &)’/ 英 寸（ ,++ 到 -++）。
量 、风 载 荷 或 地 震 载 荷 、支 承 及 起 吊 附 件 等 。只 有 对 上 述 因 素
具 有 相 似 特 点 ，本 文 不 再 赘 述 ）。
进行详细、综合评估后才能在决定锆制压力容器 究 竟 采 用 整
在每条焊缝的全长上用一条锆板覆盖焊缝 ，在 这 条 盖 板
体 结 构 还 是 复 合 结 构 时 ，作 出 最 理 想 、最 经 济 的 选 择 和 设 计 。
结构呈密排六方晶格结构。
锆 合 金 一 般 主 要 由 6:2:>$662"> 的 锆 和 *$)2:> 的 铪
（ ?@）构成。锆合 金 主 要 有 两 种 商 业 等 级 %&;*" 和 %&;*:，它
们都有良好的抗腐蚀性能，在物理和机械性能上略有不同，
如表 $ 和表 " 所示。
表 $ 锆合金化学成分
" 锆在化工耐蚀设备领域的应用
从 $6;* 年起，第一台锆复合板管 板 换 热 器 开 始 投 入 使 用 ，目 前 当 锆 等 活 性 金 属 用 于 特 定 工 艺 环 境 时 ，一 般 说 来 有 两种设备结构选择：一种是压力容器或换热器 用 整 体 活 性 金 属结构制造，另一种是采用低合金钢与活性金 属 的 复 合 板 结 构制造。 "2$ 整体结构
金表面形成致密坚硬且修复能力极强的氧化膜，使 得 锆 在 许
多酸和碱中显示出优良的耐蚀性能，在许多腐蚀 性 介 质 如 醋
酸、硫酸、山梨酸、硝酸、尿素中都能很好地使用，因此 锆 在 化
学工业有着十分广阔的应用前途。锆合金在高温高压（ 5**$
)**!）的 水 和 蒸 汽 中 有 良 好 的 耐 蚀 性 能 、适 中 的 力 学 性 能 以
工时将大面积碳钢暴露于介质中，这些碳钢暴露 区 必 须 衬 上
间 的 权 衡 。 对 锆 制 容 器 ， 壳 体 厚 度 在 &)!!&)# 英 寸（ *.-!
活 性 金 属 防 止 介 质 腐 蚀 。由 于 如 上 所 述 锆 等 活 性 金 属 只 能 与
’*++）范 围 内 时 ，要 进 行 详 细 设 计 比 较 来 决 定 采 用 哪 一 种 结
兖矿集团是国家重点特大型企业集团，在 做 大 做 强 煤 炭 主业的同时，积极实施“ 煤与非煤并重”战略，加强 煤 炭 深 加 工 、煤 化 工 等 煤 炭 下 游 产 品 的 综 合 开 发 利 用 ，力 争 建 成 世 界 一流的洁净煤和煤化工生产基地，向多元化、现代化 、国 际 化 的 大 型 能 化 企 业 集 团 发 展 。目 前 正 在 进 行 的 醋 酸 、甲 醇 、大 焦 化等一批煤化工重点项目在不同程度上都需要性能优良的 化 工 耐 蚀 设 备 来 保 证 工 艺 和 生 产 的 顺 利 进 行 。了 解 和 掌 握 锆 金属及锆合金在化工耐蚀设备中的应用对于当前煤化工项 目的实施有着十分重要的借鉴和指导意义。
对 薄 的 容 器 ，经 济 设 计 一 般 是 整 体 结 构 。对 厚 的 容 器 ，经 济 设 计 一 般 是 复 合 结 构 。这 种 划 分 一 般 是 出 于 对 整 体 结 构 的
以碳钢作为承受强度组成的（ 复合板制）压 力 容 器 在 加
高 材 料 费 、低 制 作 费 以 及 复 合 结 构 的 低 材 料 费 、高 制 作 费 之
$ 金属锆及其合金
锆 ，元 素 符 号 为 %&，在 元 素 周 期 表 中 属 第 ’( 副 族 元 素 ，
原子序数 )*，英文名称 为 %+&,-.+/0。 锆 是 一 种 钢 灰 色 、强 延
性 、难 熔 的 活 性 金 属 ，密 度 12)34,0（5 "657）8熔 点 为 $9:"!"
"，比 热 为 *2";<437，膨 胀 系 数 为 :29（: #$*14!）=室 温 下 晶 体
从上表可以看出，锆 ;*" 中不含有铌，锆 ;*: 中含有 ">
$5>的铌，铌的存在增强了锆 ;*: 的强度和可锻性。锆 ;*"
和 锆 ;*: 中 都 含 有 铪 ，但 铪 的 存 在 对 两 种 材 料 的 物 理 、机 械
及抗腐蚀性能没有显著的影响。与其它工业合金 相 比 ，锆 合
金 强 度 高 ，在 低 温 下 亦 显 示 出 很 好 的 延 展 性 ，另 外 由 于 锆 合
·!"·
煤矿现代化
,%%# 年第 & 期
总第 /% 期
构使用锆制作，而不能采用低价钢材为材料。根 据 设 备 性 质
在这些松衬结构中，所有衬里层材料厚度 与 复 合 板 复 层
和 附 件 尺 寸 的 变 化 ，这 种 影 响 也 变 化 较 大 。
的 活 性 金 属 材 料 厚 度 一 致 。当 使 用 较 厚 的 钢 制 元 件 和 焊 缝 来
的下面空间中通常嵌入铜板，使盖板不致因压力载荷而变
参考文献
形。在几条焊缝相碰或盖板上需要有焊缝时，盖 板 下 面 空 间
［ ’］ 罗 方 承 等《. 化 工 进 展 》.,%%, 年 第 ,’ 卷 第 & 期.’*/
必 须 嵌 入 活 性 金 属 ，使 盖 板 完 全 密 封 ，并 且 与 复 合 板 上 锆 复
采用锆等活性金属制造整体结构设备， 大 致 与 碳 钢 、不 锈 钢 或 镍 材 设 备 的 制 造 相 同 。但 由 于 锆 等 活 性 金 属 只 能 与 其 自 身 焊 接 ，不 能 与 其 它 金 属 材 料 进 行 焊 接 ，即 锆 只 能 与 锆 进 行焊接。该特点对内件结构影响不大，但要求 外 部 附 件 和 结
*25:
*255
密度，34,0（5= 在温度 "*!）
12:$
121)
屈服强度（ 最小），POB
"*;
5;6
拉伸强度（ 最小），POB 机械性能
弯曲试验半径（ 最小）
5;6
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5Q
延伸率>（ *2">偏置）
$1
$1
锆在地壳中的丰度居第 "* 位，属中等丰度的元素。锆最 初 由 德 国 人 克 拉 普 洛 兹（ 7ABC&-DE）于 $;96 年 发 现 ，$9") 年 瑞典化学家伯齐利厄斯（ FG&HGA+/I）首次分离出了（ 非纯 ）锆 金属。目前全球探明可采储量 ")** 万 D 左右，总储量可开采 ") 年。锆主要以化合物的形式广泛存在于 锆 石（ 又 称 锆 英 石 ）和 二 氧 化 锆 矿 中 ，滨 海 砂 矿 是 生 产 锆 石 的 主 要 矿 床 类 型 之一。世界上主要的锆石资源分布在澳大利亚 东 海 岸 、南 非 里查兹湾、美国佛罗里达、俄罗斯、印度南部海岸 及 斯 里 兰 卡 北部等地区。我国探明储量占全球的 "J，主要分布在海南、 广 东 、山 东 半 岛 和 辽 东 半 岛 等 沿 海 地 带 。
煤矿现代化
"**) 年第 5 期
总第 1* 期
锆金属及其在化工耐蚀设备领域中的应用
兖矿集团国际经贸公司煤化工项目部 韩继秋
摘 要 本文主要介绍了金属锆的性能特点、赋存状况及其用途，并对锆合金的元素成 分和材料特性做了分析，在此基础上阐述了锆在化工耐蚀设备领域中两种不同结构的应用 和分析比较，对苛刻工况下化工耐蚀设备的设计和制造有一定的参考和借鉴意义。
费之间的平衡点。
强度的材料上。这种思路将导致用钢作为外部松 式 结 构 ，最
对某一特定容器决定采用整体结构或复合 结 构 ，首 先 要
终采用复合结构。
确 定 ，如 果 全 部 采 用 活 性 金 属 制 造 ，容 器 的 壳 体 所 需 厚 度 是
,., 复合结构
多 少 。对 某 一 特 定 容 器 ，根 据 它 的 尺 寸 和 复 杂 程 度 ，存 在 一 个
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层表面焊接。盖板下面空间必须设有排气孔连通 到 外 面 ，以
［ ,］ 张委佗《. 化工设备与防腐蚀 》.,%%, 年. 第 - 卷 第 /
用作检漏和焊接试验。
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锆等活性金属复合结构的设备不同于整体金属结构的
活性金属厚度，这个厚度的整体结构设备价格等 于 复 合 结 构
设备，也不同于不锈钢或镍合金复合结构设备。 爆 炸 复 合 工
设备的价格。这个厚度被认为是平衡点厚度，是 经 济 的 整 体
艺能将不同材料的板材复合在一起，基层材料一般为碳钢，
结 构 及 经 济 的 复 合 结 构 之 间 的 分 界 点 。如 果 平 衡 点 厚 度 比 所
大 ；但 是 对 于 大 的 工 艺 塔 或 反 应 容 器 ，支 撑 或 吊 耳 若 用 锆 就