镍材在制碱工业上的运用
在制碱工业中， 工作介质为强腐蚀性苛性钾、苛性纳时， 设备的耐腐蚀性能是生产中ZUI突出的难题。镍是耐浓碱腐蚀的ZUI好材料， 但是镍制压力容器设计还没有国家标准。另一方面， 镍制设备价格昂贵， 应用还不广泛， 所以在使用和设计中存在两个难题： 一是有关镍材机械性能的资料不易找到； 二是结构设计既没有国家规定， 又没有行业标准和使用经验。
1、镍的化学性能及耐腐蚀特点
镍具有高的化学稳定性， 是一种较好的耐蚀材料， 在空气中， 常温下它不被腐蚀。在含有二氧化硫和硫化氢的空气中， 镍的腐蚀速度为（0. 001～ 0. 004） mm a； 在海洋性大气中， 镍的腐蚀速度为（0. 000 1～ 0. 000 13） mm a； 在农村大气中， 一般其腐蚀速度为（0. 000 3～0. 000 18） mm a。干燥气体（卤族、氧化氮、二氧化碳和氨） 室温下与镍不起反应， 但在潮湿的情况下， 其腐蚀速度明显加快。在蒸馏水中镍不发生腐蚀， 只是表面变暗。在含有大量氧离子和二氧化碳的气体中， 镍可发生点蚀。镍在海水中的平均腐蚀速度为 0. 13mm a.镍在 500 ℃左右的空气中轻微氧化， 在750 ℃以上则迅速氧化， 镍与氧的反应生成物是氧化亚镍 （N iO ） 及氧化镍（N i 2 O 3）。氧化亚镍在 230 ℃以上很容易被氢还原， 在 （250～ 300） ℃则开始被Co 还原， 在 （700～ 800） ℃及高于此温度时， 该反应迅速而完全。
镍的一个重要特性是耐碱腐蚀， 它几乎在所有温度和浓度下对氢氧化钠和氢氧化钾均耐蚀。例如， 镍在质量分数为50% 的高温苛性碱中， 腐蚀速度为（0. 01～ 0. 003） mm a.镍耐中性和微酸性溶液 （包括一些稀的非氧化性酸、有机酸）及有机溶剂的腐蚀。镍之所以在许多介质中有耐蚀性， 是因为在它表面能形成一层牢固的保护膜， 阻止镍继续被腐蚀。
2、苛性碱介质化工设备用材分析
（1） 碳钢： 碳钢（Q 235- A ） 是被用作苛性钠介质化工设备ZUI早的材料， 在（25～ 50） ℃的低温、质量分数不大于 30% 的工作环境中， 腐蚀速度为 0. 05mm a.当达到烧碱生产的操作条件， 即温度（100～ 140） ℃， 质量分数 32%～ 74% 时， 腐蚀速度则大于 1. 5 mm a， 这就决定了碳钢材料只适用于烧碱生产中低温、低浓度的操作条件。
（2） 不锈钢： 不锈钢材料是 70 年代被用于烧碱介质设备的， 一般选用 1Cr18N i9T i（18 - 8 钢）。此材料在质量分数小于 50%、25 ℃的低温时， 腐蚀速度小于 0. 05mm a； 当工作温度升至（50～ 80） ℃时， 腐蚀速度为（0. 5～ 1. 5） mm a.在上述烧碱生产的操作条件下， 腐蚀速度大于 1. 5 mm a.因此不锈钢材料也只适用于烧碱生产中温、中等浓度的操作条件。
80 年代以来， 超低碳不锈钢 316 （OCr17N i12M o2） ， 316L （OOCr17N i14M o2） ， 304L（OOCr19N i11） 被用于烧碱介质化工设备。虽然这些材料的各种性能均优， 但冶烧困难， 价格昂贵， 且依靠从国外进口。
在纯碱 （N a 2 CO 3） 作原料的烧碱生产工艺， 因允许原料中含有 0. 80%～ 1. 2% 的N a2 Cl， 不锈钢烧碱设备的工作介质中就含有一定浓度的氯离子。在强碱性溶液中， 氯离子的含量和工作温度对不锈钢应力腐蚀的影响很大， 极易发生点蚀。此时， 选用超低碳不锈钢应慎重。
（3） 纯镍： 纯镍（N 6） 对高温、高浓度苛性碱的耐蚀性是其它金属无可比拟的。在烧碱生产上述操作条件下， 它的腐蚀速度为（0. 03～ 0. 18） mm a。其机械性能、冷加工性能及焊接、胀接性能均好， 是用于苛性碱介质化工设备ZUI优异的材料。而且我国镍年产量已达 5万 t 左右， 居世界第七位， 可以满足国内需求。但镍材价格高， 选用须作经济分析。
3、镍在制碱工业中的应用
由镍和镍合金的材料性能表可知， 镍和镍合金的强度高， 塑性和韧性好， 冷加工性能和焊接性能好， 与其它金属之间的焊接熔合性好， 适宜制造各种设备和压力容器。由于镍在苛性碱溶液中表面容易形成坚固的保护层， 甚至在高温、高浓度下也极为稳定。因此， 可用于制造烧碱生产中的蒸发器、加热器、碱液储罐、管道、泵和阀等。70 年代末期开始， 在国内一些新建氯碱厂引进的烧碱蒸发装置中， 、效加热室和闪蒸室均由镍材制造。从 80 年代开始， 国内一些化工设计院、所和制造厂家借鉴了引进的蒸发装置技术和设备材料， 结合国内情况研制成功纯镍材、效加热室， 其管子采用N 6， 规格为 5 57 mm ×2. 5 mm ×6 000 mm ， 壳体采用Q 235- A ， 管板采用镍2钢复合板， 经过运行、评价， 没有腐蚀现象， 效果十分理想。
3. 1镍材在烧碱升膜蒸发加热器中的应用
某厂烧碱三效逆流蒸发工序的效蒸发加热器和升膜加热器等均采用了纯镍加热管，碳钢外壳， 管板和管箱采用镍2钢复合板。
关于镍制设备压力容器的强度计算， 我国对镍材质的安全系数和许用应力没有规定。美国A SM E和日本 J IS 压力容器规范都定入了镍和镍基合金压力容器的内容。法国CO 2 DA P 压力容器规范对镍和镍基合金压力容器规定了安全系数。英国BS 国家标准在压力容器规范中没有提高镍和镍基合金压力容器的内容。前苏联有行业标准OCD 262 012858288“镍基耐蚀合金制焊接容器及设备一般技术要求”。各国镍和镍基合金的材料标准中， 只有美国的A SM E 中列有 SB 压力容器用镍和镍基合金的专用标准， 其主要内容与美国A STM 材料试验协会标准相同或类似。
当时， 在加热器设计中参考了美国A SM E 标准及 GB150- 89。对承受内压部件的设计， 是根据A SM E 规定的ZUI大许用拉应力值， 按照安全系数n b≥4、n s≥1. 5 确定的。镍和高镍合金基体基本上都是奥氏体， 在容器允许稍大变形的场合下， 大部分牌号允许许用应力值达到 2 3Ρ0. 2， 但不超过 0. 9Ρ0. 2。这个规定与奥氏体不锈钢的规定是一致的。对于承受外压部件的设计， ZUI大许用压应力值是从A SM E 所规定的相关表中查出的， 其它设计计算采用GB150- 89.镍材用于苛性碱介质设备， 腐蚀裕量取零。
关于管板与换热管的连接方式， 采用焊接工艺和胀接工艺都是可行的。当时设计的连接方式采用胀接， 使用多年来没有发现漏液。通过设计计算可知， 胀接工艺， 管板厚度较大； 焊接能承受较大的拉脱力， 采用焊接工艺， 管板可以减薄， （焊条选用可参照HGJ15- 89 附录F） 降低成本。
3. 2对镍制烧碱蒸发加热器的经济分析
（1） 上述烧碱蒸发升膜加热器， 选用全碳钢材料时， 使用一个月， 就发生碱脆， 出现裂纹、漏液， 设备报废。现用镍管（N 6） 代替碳钢（Q 235- A ） 换热管， 用镍2钢复合板代替原碳钢板（Q 235- A ） 作管板， 使用寿命提高到七年。镍制加热器设备投资是碳钢加热器的 22 倍， 而设备寿命却是碳钢加热器的 80 多倍。
（2） 某厂烧碱效蒸发加热器为全不锈钢（1Cr18N i9T i） 材料， 使用寿命为两年。现用4 台镍管加热器代替原 8 台不锈钢加热器， 已使用六年， 设备减薄仅 0. 2mm.镍制加热器设备投资是相同能力不锈钢加热器的 1. 5 倍， 而使用寿命现已超过 3 倍， 预计可达 5 倍（以年产烧碱（8. 5～ 11） t 规模计算）。
4、镍材使用注意事项
（1） 镍不耐硫化物腐蚀， 高温硫气体能使镍腐蚀变脆。碱中含有硫化物（如硫化氢、硫醇或硫化纳） 也会使镍产生晶间和应力腐蚀。
（2） 镍不耐强氧化性酸（硝酸） 的腐蚀。镍也不耐含有氧化剂的溶液及多数熔融碱金属盐的腐蚀。
（3） 镍材的焊接工艺必须选用氩弧焊。在镍材料焊条中加入铌元素可增加焊接的流动性， 提高焊接质量。
（4） 镍和镍基合金在制碱工业压力容器中的应用， 主要利用其在高温、高浓度强腐蚀性苛性碱中比碳钢、不锈钢和铜镍合金具有更好的耐蚀性。因此， 只有在碳钢、不锈钢及铜镍合金（B30） 不能满足要求的场合， 才考虑使用镍和镍基合金。镍制设备一次性投资比铜镍合金（B30） 高得多， 比不锈钢、碳钢高得更多。在选用时必须作经济分析。
