浅析碳纤复合材料泵在硫酸磷酸装置的应用前景

雷长青

(云南云天化股份有限公司装备技术中心，云南 昆明)

云南云天化股份有限公司旗下有五个硫酸、磷酸分子公司，主要采用硫黄制酸法和二水物湿法工艺生产硫酸和磷酸。多年来，硫酸、磷酸装置的机泵故障，特别是磷酸装置的机泵过流部件(叶轮和泵壳等)频繁发生腐蚀磨损故障，从装置投产以来就一直困扰着我公司的相关技术人员，同时，机泵易腐蚀磨损也是国内外磷化工行业长期解决不了的痛点。为了解决这个技术难题，我们联合五个分子公司的相关技术人员，成立相关课题组进行技术攻关。

1 硫磷化工装置机泵使用现状

1.1 磷精矿矿浆泵

介质条件：磷矿浆，pH值约为5，含固质量分数为65%，温度 60 ℃，密度 1700 kg/m3。

介质固体颗粒含量极高，且原生矿棱角分明对过流部件磨损严重，必须用极端抗磨的高铬铸铁才能应对，因此在该工位一般都选用A05材质的渣浆泵，即使这样，过流部件的寿命只有2～3个月。

1.2 磷石膏渣浆泵

介质条件：磷石膏，P2O5质量分数为0.3%，SO42-质量分数为3%，F-、Cl-微量，含固30%，温度 50 ℃，密度 1300 kg/m3。

磷石膏含少量酸有一定腐蚀性，虽然固含量高，但不能选A05，而只能选A33，牺牲部分耐磨性，强化部分耐蚀性。另外，磷石膏湿排一般输送距离较远所需扬程高，因此，很多磷石膏湿排输送都是几台泵串联，泵腔压力普遍较高，进一步加剧了过流部件的磨蚀。多个装置的统计结果显示，湿排渣浆泵护套以及前护板的寿命很难超过3个月。

1.3 磷酸料浆泵

介质条件：磷酸料浆，P2O5质量分数为30%，SO42-质量分数为3.5%，F-质量分数为2%，含固32%，温度 90 ℃，密度 1500 kg/m3。

标准的高温高酸高固三高工况，要求过流部件既耐腐又耐磨，大部分装置都是用Cr30Mo高碳铁素体不锈钢材质的耐腐耐磨离心泵。该工位过流部件的寿命很短，特别是叶轮，考核结果显示较长的也只有 2120 h[1]。

1.4 系统清洗高温稀硫酸泵

介质条件：稀硫酸10%～15%，含固20%， 温度 85 ℃，密度：1250 kg/m3。

不仅是典型三高工况，且清洗液的酸度和温度越高清洗效果越好，但对泵的腐蚀越严重。云天化天安公司目前使用襄阳525的合金泵，流量 250 m3/h，扬程 25.5 m，材质CD4MCu。每天换一次新液，一天运行8 h，每天清洗频率3～4次。过流部件寿命4～5月，机封寿命则只有1～3月。

2 机泵故障原因及解决方案分析

磷化工机泵故障的原因是很明确的，主要是因为工艺介质的高酸、高固、高温三高工况。以上这种恶劣工况下过流部件的寿命为2～3月，其它磷酸工艺泵的过流部件寿命也就一年左右。机泵长期处于这样的运行状态会给相关企业带来如下几方面的后果：

1)机泵过流部件，如叶轮、泵壳、前后护板、护套等频繁腐蚀磨损，消耗了大量的备品备件费用。

2)因机泵过流部件(特别是叶轮)的磨蚀，泵的效率在有限的寿命里一直会下降，特别是中后期，效率会急剧下降，从而多消耗了大量的电费。

3)磨蚀后的叶轮会产生不平衡，导致泵的振动变大，因此机械密封和轴承等备件的消耗费用都会变大。

4)机泵的频繁维修，给维修人员、工艺操作人员带来了巨大的工作量，同时频繁倒泵置换及排放也给环保带来了较大压力。

解决方案，就是要找到一种既能耐腐蚀又能耐磨损的材料。

课题组经过前期的各种调研了解到：国内外杂质泵的各个制造厂与国内外相关大学及钢铁研究院的材料专家一直在各种合金材料中寻找解决方案。从最早的316L到后来的Mo2Ti，近些年再从CD4MCu到2507、Cr30Mo，三十多年来机泵寿命也从早期的几周发展到目前的几个月。也就是说，目前国内外的传统金属材料既能耐强腐蚀又能耐强磨损的材料几乎没有。非金属材料中陶瓷太脆，工程塑料耐温较低且耐磨性能较差。经过课题组的不断努力，跳出传统材料的思维，紧跟新材料的进展，在国内某泵厂找到一种新型材料：碳纤复合材料(TQ3、TQ4)。TQ3比TQ4强度更高，耐磨性能更好，而TQ4比TQ3耐高温腐蚀性能更优。

2.1 新型碳纤复合材料

2.1.1 材料耐蚀性能

材料在不同酸碱浓度的溶液中能够耐受的温度都是不同的，一般随着酸碱浓度的增加耐受的温度更低。从表1可见，碳纤复合材料的耐酸碱腐蚀已经完全超越了包括蒙乃尔、哈氏合金等几乎所有金属材料。

表1 碳纤复合材料的酸碱极限耐受温度

2.1.2 材料耐磨性能

由于碳纤维的强度较高，复合的耐磨硬质相非常稳固，因此碳纤复合材料的耐磨性也是无与伦比的，特别是在高温工况下。虽然各种工程塑料也有一定的耐温性，但普遍随温度的上升而变软，在固体颗粒的冲刷之下会很快磨损失效。一般，杂质泵所输送的介质都不会是常温工况，相反，大多数化学反应是温度越高反应越剧烈。表2是碳纤复合材料与各种工程塑料在一定温度下磨耗实验的数据。从数据看，碳纤复合材料的磨耗较传统工程塑料小很多，有成倍乃至数十倍的优势。

2.1.3 材料力学性能

强度、刚性，以及韧性是评价一种材料力学性能的重要指标。新型碳纤复合材料，作为一种非金属材料，它与各种工程塑料以及工业陶瓷相比的优势见表3。

表2 碳纤复合材料(TQ3、TQ4)与各种工程塑料材料的磨耗指数

表3 碳纤复合材料与工程塑料和陶瓷材料的力学性能对照[2]

极高的弹性模量显示碳纤复合材料刚性好，远超工程塑料；抗拉强度是工业陶瓷的两倍以上，说明碳纤复合材料强度好；最重要的是，虽然只有0.53%的断裂伸长率，却避开了像工业陶瓷脆性材料的所有问题。

2.1.4 材料综合性能

金属材料的耐磨与耐腐是一对矛盾体。一般而言，耐腐材料都比较软而不耐磨，而耐磨材料的富含碳化物而不耐腐。碳纤复合材料兼具耐腐又抗磨。非金属材料耐温和抗磨也是一对矛盾体。一般而言，耐磨的材料不耐高温，而耐高温的材料耐磨性能又差。碳纤复合材料兼具耐磨耐高温。如图1所示。

3 碳纤复合材料泵

用碳纤复合材料可以制作各种杂质泵，包括：耐腐耐磨离心泵、轴流泵、混流泵、渣浆泵。其中，只有耐腐耐磨离心泵为全部本体材料成型，其他泵型都是金属材料内衬或外包碳纤复合材料的成型方式，如图2～图5所示。

3.1 碳纤复合材料泵

碳纤复合材料泵的技术参数及特点如下：

1)DCS离心泵参数：流量Q=15～1400 m3/h，扬程H=15～125 m；ZWT轴流泵参数：流量Q=500～15000 m3/h， 扬程H=2.5～6.5 m；HLT混流泵参数：流量Q=800～15000 m3/h，扬程H=20～27 m；ZJT渣浆泵参数：流量Q=700～3800 m3/h，扬程H=18～80 m。

2)高效扭曲叶片的型线精度和表面光洁度极高，效率普遍高出直叶片的工程塑料泵7%以上[3]。

3)机封采用与介质接触部位全部为非金属材料的设计理念，杜绝腐蚀的发生。就连机封结构件都是采用无压烧结碳化硅或改性PEEK。

4)由于叶轮长时间不会磨损腐蚀，没有平衡失衡造成的振动问题，机封的寿命得以大大提升。超过5年以上的使用验证：机封无泄漏运行时间不低于金属泵2倍，至少是工程塑料泵的3倍以上。

3.2 典型运用

经调研，瓮福马场坪工厂的磷酸料浆泵，较传统二水磷酸萃取最大的区别是氟硅酸含量很高，腐蚀破坏严重，合金泵在该工位的寿命要缩短一半以上。为了装置的长周期稳定运行，于2016年6月开始用碳纤复合材料泵125DCS-350替换，经过近6年的运行验证，过流件及密封件的寿命都得到了6倍以上的提升。详见表4。

表4 碳纤复合材料泵与合金泵在磷酸料浆工位的寿命对照表

金正大诺泰尔化学有限公司磷矿选矿泵,于2021年，将原A33材质的高铬铸铁泵更换为碳纤复合材料泵100ZJT-50。过滤进料泵的寿命得到大幅提升，过去三个月就要检修一次，现在可以用到一年以上。

4 结语

高温、高酸、高固工况是合金泵和工程塑料泵的噩梦，却正好是碳纤复合材料泵的优势所在。新型碳纤复合材料泵，作为一种非金属材料泵，基本隔绝了酸碱腐蚀的发生。相较传统非金属泵，它一方面没有陶瓷泵的脆性，抗冲击还抗热振；另一方面也没有工程塑料泵随温升变软所导致的密封泄漏和过流件磨蚀问题。新型碳纤复合材料泵在硫磷化工装置的应用效果已得到初步验证，应用范围正在扩展。我们相信，越来越多的应用成果，将让硫磷化工装置三高工况长周期稳定运行逐渐变成现实。