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電磁流量計與流體接觸部件材料的選擇

發(fā)布時間:2012-12-27 15:13:59

電磁流量計與流體接觸部件材料的選擇
    與流體接觸的傳感器零部件有襯里(或絕緣材料制成的測量管)、電極、接地環(huán)和密封墊片,其材料的耐腐濁型、耐磨耗性和使用溫度上限等影響儀表對流體的適應性。由于零部件少,形狀簡單,材料選擇靈活,電磁流量傳感器對流體的適應性強。
    (1) 襯里材料(或直接與介質接觸的測量管)
    常用襯里材料有氟塑料、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠和陶瓷等。氟塑料包括聚四氟乙烯(F-4)、全氟乙丙烯(四氟乙烯和六氟丙烯共聚物,F(xiàn)-46;國外商品名Teflon FEP,習稱FEP)、四氟乙烯和乙烯共聚物(F-40)和全氟烷基乙烯基醚共聚物(改性聚四氟乙烯,國外商品名Teflon FEP)玻璃鋼有用作襯里的,也有單獨制成測量管的。今年有采用高純氧化鋁(99.7%A12O3)陶瓷制成陳立的,但只限中小口徑傳感器。
    氯丁橡膠和玻璃鋼用于非腐蝕性或弱腐蝕性液體,如工業(yè)用水、廢污水及若酸堿,價格最為低廉。氟塑料具有優(yōu)良的耐化學腐濁性液體,但耐磨性差,不能用于測量礦漿液。氟塑料中最早引用的是聚四氟乙烯,因與測量管間僅靠壓貼,無粘結力,不能用于負壓管道,后開發(fā)各種改性品種,實現(xiàn)注塑成型,與測量管有較強結合力,可用于負壓,其品種為:

材料名稱(括號內為略稱或習稱)
性能特點
適用流體例
注意事項
氟塑料
整體
·內表面光滑,不易附著沉淀物
·耐酸性能優(yōu)越
·流體使用溫度范圍寬
·氫氟酸、鹽酸、醋酸等高滲透性液體
·硫酸、燒堿、電解質等強附著性液體
·容易產生結垢、沉積、附著、固化的液體
·有衛(wèi)生要求的液體
·耐磨耗性差
·不耐一些氧化物和少數(shù)種液體腐蝕或侵濁
聚四氟乙烯(F-4)
Polytecrafluoroethylene(PTFE)
商業(yè)名:Teflon(Dupount公司)
·氟塑料中有最優(yōu)的耐化學腐蝕,除注意事項所列不耐腐外,幾乎抗所有化學介質
·與測量管間不能粘結,不能注塑,只能緊貼套配,不能用于負壓
 
·三氟化氯,高溫下三氯化氧、液氧、臭氧等不耐腐蝕
四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物 tetrafluoroethylene-perfuorinatedalkalivinvlether copolymer
改性聚四氟乙烯,又名聚全氟化烷氧基 Perfluoralkoxy(PFA)
商業(yè)名:Teflon PFA(Dupount公司)
·耐化學腐蝕性略遜于PTFE
·可采用注塑成型,與測量管間有較強粘結力
·能用于較高的負壓
·有替代PTFE的趨勢
 
·同PTFE不耐的介質
全氟乙丙烯(F-46)
Perfluorinated ethylene-propylene copolymer(FEP)
·耐化學腐蝕型略遜于PTFE
·可采用注塑成型,與測量管間有較強粘結力
·能用于較高的負壓
 
·同PTFE不耐的介質
·不耐發(fā)煙硝酸、丁基鋰
乙烯-四氟乙烯共聚物(F-40)
ethylene tetrafluoro ethylenecopolymer(E-TFE);商業(yè)名;Tefzel(Dupount公司)
·耐化學腐蝕性和加工工藝和FEP相近
·耐核輻射輻照性能優(yōu)于其他氟塑料
·美國食品和要管理局(FDA)認可食品安全
 
·同F(xiàn)EP不耐的介質
聚氨酯橡膠
Polyurethane
·耐磨耗性優(yōu)越,為天然橡膠的10倍,適用于含有泥沙、石礫等固體顆粒的漿液
·耐腐蝕性差,只能用于弱酸弱堿等液體
·海水、泥漿、污泥水、礦漿、煤漿
·不能用于酸、堿液和有機溶劑混合液
·適用較低溫度
氯丁橡膠
Neoprene chloroprene gum
·耐磨性中等
·與其它橡膠比,耐油性和耐化學液性好
·上水、下水、海水、工業(yè)用水、泥水
·對有機溶劑和部分酸、堿液耐腐性弱
氧化鋁陶瓷
ceramic
·耐磨性約為聚氨酯橡膠的10倍
·高溫高壓下不變性
·性脆,不耐液體溫度巨變
·內表面光滑,不易附著結垢
·硬質漿液
·腐蝕性液
·易附著結垢液
·耐熱沖擊性(即溫度急劇變化)差
·耐機械沖擊性差,性脆易碎,防止夾裝受力不勻
·應用于氟酸、磷酸、強堿液,應充分注意

各種電磁流量計襯里耐溫    聚氨酯橡膠有極好的耐磨耗性,但耐酸堿的腐蝕性較差。它的耐磨性相當于天然橡膠的10倍,適用于煤漿、礦漿等;介質溫度要低于40~60/70℃。氧化鋁陶瓷有極好的耐磨耗性和對強酸堿的耐腐蝕性,耐磨性約為聚氨酯橡膠的10倍,適用于具有腐蝕性的礦漿;但性脆,安裝夾緊時疏忽易碎,可用于較高溫度(120~140/180℃),但要防止溫度劇變,如通蒸汽滅菌,一般溫度突變不能大于100℃,升溫150 ℃要有10min時間。
    襯里材料的選擇及其特點和不適用流體請參閱上圖,s.2,通用型電磁流量計幾種材料的壓力溫度大體適用范圍可看右圖。
    (2)電極和接地環(huán)材料
    電極對測量介質的耐腐是選擇材料首先考慮的因素,其次考慮是否會產生鈍化等表面效應和所形成的噪聲。
    1) 選擇耐腐蝕材料電磁流量計
    電極的耐腐蝕性要求很高,不允許腐蝕或者嚴格地說只允許極低的腐蝕速率,否則會破壞電極與襯里間密封性。介質泄漏,輕則破壞絕緣而儀表無法工作,直至毀壞整臺電磁流量傳感器。常用金屬材料有含耐酸鋼1Cr18Ni12Mo2Ti,哈氏合金(耐蝕鎳基合金)B、C,鈦、鉭、鉑銥合金,幾乎可覆蓋全部化學液。此外還有適用于漿液等的低噪聲電極,它們是導電橡膠電極、導電氟塑料電極和多孔性陶瓷電極,或包覆這些材料的金屬電極。下表格所展示的是這些材料的大體使用范圍。

電極材料
特點及適用范圍
耐酸鋼ICrl8Ni9Ti
含鉬耐酸鋼
OCrl8Ni12MoTi(相當于316L)
主要用于生活工業(yè)用水、原水、下水、廢物水及稀酸、稀堿等弱腐蝕性酸、堿、鹽液,價格最低
哈氏合金B(yǎng)
低濃度鹽酸等非氧化性酸和非氧化性鹽液適用,硝酸等氧化性酸不適用
哈氏合金C
對常溫硝酸、其他氧化性酸、氧化性鹽液有耐腐蝕性,鹽酸等還原性酸和氯化物不適用
耐腐蝕性略優(yōu)于耐酸鋼,對氯化物、次氯酸鹽、海水有優(yōu)良的耐腐蝕性,對常溫硝酸等氧化性酸有耐腐蝕性,鹽酸、硫酸等還原性酸不適用
具有和玻璃相似的優(yōu)越耐腐蝕性,除氫氟酸、發(fā)煙硫酸等少數(shù)酸(參見下表)外,大部分酸液適用,氫氧化鈉等堿液不適用
鉑、鉑銥合金
對幾乎所有酸堿液耐腐蝕,王水、銨鹽以及少數(shù)介質(參見下表)不適用,價格昂貴
碳化鎢硬質合金
漿液專用電極材料,可降低漿液噪聲,耐腐蝕性較差,腐蝕性液體不適用
導電橡膠、導電氟塑料多孔性陶瓷
低噪聲電極材料,抗?jié){液噪聲和流動噪聲;導電氟塑料耐化學品性能好

    上述表中所展示的耐腐蝕性適用范圍只是個概貌。各種介質對不同材料的腐蝕性可查閱有關的“腐蝕手冊”.,例如《腐蝕數(shù)據(jù)和選材手冊》集中了大量數(shù)據(jù),可作選用電極材料時參考,以確定初步方案。但這只能是初步方案,是否適應現(xiàn)場使用條件,還需進一步調查。因為從手冊查閱的數(shù)據(jù)大部分是在實驗室比較“純”的條件下取得的,而實際使用的流體,往往含有微量雜質,也常是幾種介質的混合液,它們的腐蝕性與純粹或單一介質的腐蝕性有顯著差別;液體是否含有溶解氣體以及流動速度也相當程度上影響著腐蝕速度。例如哈氏合金B(yǎng)對80% 10%濃度,不充氣鹽酸耐腐蝕,而對充氣的鹽酸卻不耐腐。所以在原則上電極材料的選擇應從使用者借鑒該介質在其他設備的應用實際和以往的經(jīng)驗來確定。有時候要作必要的實驗,如現(xiàn)場取液體樣品在實驗室做待用材料的腐蝕性試驗。最好的實驗是現(xiàn)場掛片,這是最接近實際應用條件的腐蝕性試驗,可以得出比較可靠能否適用的結論。
    鉭耐化學介質腐蝕的面很廣,鉑銥合金對各類酸堿鹽液也有很好的耐腐蝕性,但它們也有一些不耐腐蝕的化學介質,下表中列出若干不耐腐蝕的介質,兩者之間有互補性。
    2)避免電極表面效應
    電極的耐腐蝕性是選擇材料的重要因素,但有時候電極材料對被測介質有很好的耐腐蝕性,卻不一定就是適用的材料,還要避免產生電極表面效應。
    電極表面效應分為表面化學反應、電化學和極化現(xiàn)象以及電極的觸媒作用三個方面。
    化學反應效應如電極表面與被測介質接觸后,形成鈍化膜或氧化層。它們對耐磨腐蝕性能可能起到積極保護作用,但也有可能增加表面接觸電阻。例如鉭與水接觸就會被氧化,生成絕緣層。

化學液體介質
鉑-銥合金
其他材料
氟化鋁(Aluminum fluoride)
A
×
 
硝酸鋁(Aluminum nitrate)
A
×
 
氯化銨(Aluminum nitrate)
A
×
B(哈氏合金C)
氫氧化鋇(Baritml hydroxide)
A
×
 
二氧化氯(Chlorine dioxide)
×
A
 
氟化銅(Copper fluoride)
A
×
 
氯化銅(Copper chloride)40%
×
A
 
氯氧銅(Copper oxychloride)
A
×
 
氯化鐵(Fernc chloride)
×
A
B(哈氏合金C)
氯化鋅(Zinc chloride)50%
A
×
 
氟硅酸(Fluosicic acid)10%~40%
A
×
 
氫溴酸(Hydrobromic acid)50%
×
A
 
氫氟酸(Hydrofluoric acid)10%~20%
A
×
B(哈氏合金C)
氫氟硅酸(Hypochlorous acid)35%
A
×
B(哈氏合金C)
次氯酸(Hypochlorous acid)10%~20%
×
A
B(哈氏合金C)
乙酸鉛(lead acetate)
×
A
 
氫氧化鎂(Magnesium hydroxide)
A
×
 
氨氧化鉀(Potassium hydroxide)10%~40%
A
×
 
氰化鈉(Sodium cyanide)
×
A
 
氰鐵酸鈉(Sodium ferrocyanide)
×
B
 
氰亞鐵酸鈉(Sodium ferricyanide)
×
B
 
氟化鈉(Sodium fluoride)5%~50%
A
×
 
氫氧化鈉(S0dium hydroxide)5%~50%
A
×
B(哈氏合金C)
硫酸(Sulfuric acid)10%~50%
A
A
 
硫酸(Sulfuric acid)100%
A
×
 
硫代硫酸鈉(Sodium thiosulfate)
×
×
A(哈氏合金C)

符號說明:A——優(yōu)先選用的材料(實際上有極長的使用壽命);
      B——令人滿意的材料(在大多數(shù)條件下又較長的使用壽命);
      ×——不能使用
    電化學電勢變化和極化現(xiàn)象會產生干擾電勢而形成噪聲。漿液噪聲和流動噪聲即是電極表面噪聲的表現(xiàn)。極化電勢是電極感生電動勢在兩電極極性不同,導致電解質在電極表面產生極化。低頻矩形波激磁結合了直流激磁和交流激磁的優(yōu)點,雖然交變激磁將極化電勢減弱了幾個數(shù)量級,但不能完全消除極化電勢干擾的影響。極化電勢與液體介質性質以及電極材料性質有關。
    漿液噪聲是在測量泥漿纖維漿等液固雙相導電液體流量時,固體顆粒(或液體中氣泡)擦過電極表面,電極表面接觸電化學電勢突然變化,輸出流量信號出現(xiàn)尖峰脈沖狀噪聲。
    流動噪聲是在測量較低電導率(100 x 10-6S/cm附近及以下)液體流量時,電極的電化學電勢定期變化,產生隨流速增加而頻率增加的隨機噪聲j;引起儀表輸出出現(xiàn)波動現(xiàn)象。
    對于電極表面噪聲可選配與被測液體電化學和極化電勢作用小的材料以及低噪聲電極。
    被測介質在電極的觸媒作用下產生化學反應而影響測量。例如鉑電極電磁流量計在測量雙氧水時會在電極表面生成氣霧,流量為零時輸出也會波動。
    對于避免或減輕電極表面效應的介質——電極材料匹配,還沒有像腐蝕性那樣有充足的資料可杳,只有一些有限經(jīng)驗,尚待在實踐中積累。下文列舉若干實例。
    鉭對水是耐腐蝕的。但若使用鉭電極電磁流量計測量水流量,鉭電極表面會形成絕緣層,使儀表失靈或運行一段時期后出現(xiàn)很大噪聲。氫氧化鈉等堿液亦不能選用鉭電極。在工藝流程中即使是極短時間鉭電極與水或“非酸”液接觸(如清洗管系),均會影響儀表正常使用。
    鉑銥合金電極或鉑電極對鹽酸有良好的耐腐性,鉑電極電磁流量計多處用于測量鹽酸獲得滿意的結果。然而測量濃度較高的鹽酸(10%以上)卻產生嚴重的噪聲。鉑電極用于測量低壓過氧化氫(壓力低于0.3MPa)時,由于觸媒作用而在電極表面產生氣霧,阻斷了電氣通路而影響工作。    
    哈氏合金B(yǎng)對溫度、濃度不高的鹽酸是有耐腐蝕性的,已有若干應用良好的實例,然而濃度超過某值時會產生噪聲。在現(xiàn)場改變鹽酸濃度試驗表明,濃度逐漸增加超過15%~20%時儀表輸出隨之晃動起來,濃度到25%輸出晃動高達20%。硝酸硫酸等酸液也有相似效應的實踐經(jīng)驗。
    水廠用硫酸鋁液與原水混合以凝聚懸浮體,混合配比常用電磁流量計測量硫酸鋁液,選用耐酸鋼電極即可獲得滿意的結果。我們曾遇到測量15%硫酸鋁的哈氏合金B(yǎng)電極電磁流量計,使用過程中也出現(xiàn)輸出晃動現(xiàn)象,后改用耐酸鋼電極即工作正常。
    鉑、鉭電極對各種濃度硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸,大部分均有較好的測量效果,但其中鉑電極對濃度大于10%的鹽酸會產生噪聲,鉭電極對濃度大于10%的氫氟酸則不耐腐。
    鉑銥合金和鉭雖有較好的耐腐蝕性,但價格昂貴,一對鉭電極高達數(shù)百到近千元,鉑銥電極比鉭電極還要貴一倍以上。
    接地環(huán)連接在塑料管道或襯絕緣襯里金屬管道的流量傳感器兩端,它們的耐腐蝕要求比電極低,允許有一定腐蝕,定期更換。通常選用耐酸鋼或哈氏合金。因體積大從經(jīng)濟上考慮較少采用鉭鉑等貴重金屬。如金屬工藝管道直接與流體接觸就不需要接地環(huán)。
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