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電磁流量計與流體接觸部件材料的(de)選擇

發布時(shí)間:2012-12-27 15:13:59

電磁流量計與流體接觸部件材料的(de)選擇
    與流體接觸的(de)傳感器零部件有襯裏(或絕緣材料制成的(de)測量管)、電極、接地環和(hé)密封墊片,其材料的(de)耐腐濁型、耐磨耗性和(hé)使用(yòng)溫度上限等影(yǐng)響儀表對(duì)流體的(de)适應性。由于零部件少,形狀簡單,材料選擇靈活,電磁流量傳感器對(duì)流體的(de)适應性強。
    (1) 襯裏材料(或直接與介質接觸的(de)測量管)
    常用(yòng)襯裏材料有氟塑料、聚氨酯橡膠、氯丁橡膠和(hé)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(hé)六氟丙烯共聚物(wù),F-46;國外商品名Teflon FEP,習(xí)稱FEP)、四氟乙烯和(hé)乙烯共聚物(wù)(F-40)和(hé)全氟烷基乙烯基醚共聚物(wù)(改性聚四氟乙烯,國外商品名Teflon FEP)玻璃鋼有用(yòng)作襯裏的(de),也(yě)有單獨制成測量管的(de)。今年有采用(yòng)高(gāo)純氧化(huà)鋁(99.7%A12O3)陶瓷制成陳立的(de),但隻限中小口徑傳感器。
    氯丁橡膠和(hé)玻璃鋼用(yòng)于非腐蝕性或弱腐蝕性液體,如工業用(yòng)水(shuǐ)、廢污水(shuǐ)及若酸堿,價格最爲低廉。氟塑料具有優良的(de)耐化(huà)學腐濁性液體,但耐磨性差,不能用(yòng)于測量礦漿液。氟塑料中最早引用(yòng)的(de)是聚四氟乙烯,因與測量管間僅靠壓貼,無粘結力,不能用(yòng)于負壓管道,後開發各種改性品種,實現注塑成型,與測量管有較強結合力,可(kě)用(yòng)于負壓,其品種爲:

材料名稱(括号内爲略稱或習(xí)稱)
性能特點
适用(yòng)流體例
注意事項
氟塑料
整體
·内表面光(guāng)滑,不易附著(zhe)沉澱物(wù)
·耐酸性能優越
·流體使用(yòng)溫度範圍寬
·氫氟酸、鹽酸、醋酸等高(gāo)滲透性液體
·硫酸、燒堿、電解質等強附著(zhe)性液體
·容易産生結垢、沉積、附著(zhe)、固化(huà)的(de)液體
·有衛生要求的(de)液體
·耐磨耗性差
·不耐一些氧化(huà)物(wù)和(hé)少數種液體腐蝕或侵濁
聚四氟乙烯(F-4)
Polytecrafluoroethylene(PTFE)
商業名:Teflon(Dupount公司)
·氟塑料中有最優的(de)耐化(huà)學腐蝕,除注意事項所列不耐腐外,幾乎抗所有化(huà)學介質
·與測量管間不能粘結,不能注塑,隻能緊貼套配,不能用(yòng)于負壓
 
·三氟化(huà)氯,高(gāo)溫下(xià)三氯化(huà)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(wù) tetrafluoroethylene-perfuorinatedalkalivinvlether copolymer
改性聚四氟乙烯,又名聚全氟化(huà)烷氧基 Perfluoralkoxy(PFA)
商業名:Teflon PFA(Dupount公司)
·耐化(huà)學腐蝕性略遜于PTFE
·可(kě)采用(yòng)注塑成型,與測量管間有較強粘結力
·能用(yòng)于較高(gāo)的(de)負壓
·有替代PTFE的(de)趨勢
 
·同PTFE不耐的(de)介質
全氟乙丙烯(F-46)
Perfluorinated ethylene-propylene copolymer(FEP)
·耐化(huà)學腐蝕型略遜于PTFE
·可(kě)采用(yòng)注塑成型,與測量管間有較強粘結力
·能用(yòng)于較高(gāo)的(de)負壓
 
·同PTFE不耐的(de)介質
·不耐發煙(yān)硝酸、丁基锂
乙烯-四氟乙烯共聚物(wù)(F-40)
ethylene tetrafluoro ethylenecopolymer(E-TFE);商業名;Tefzel(Dupount公司)
·耐化(huà)學腐蝕性和(hé)加工工藝和(hé)FEP相近
·耐核輻射輻照(zhào)性能優于其他(tā)氟塑料
·美(měi)國食品和(hé)要管理(lǐ)局(FDA)認可(kě)食品安全
 
·同FEP不耐的(de)介質
聚氨酯橡膠
Polyurethane
·耐磨耗性優越,爲天然橡膠的(de)10倍,适用(yòng)于含有泥沙、石礫等固體顆粒的(de)漿液
·耐腐蝕性差,隻能用(yòng)于弱酸弱堿等液體
·海水(shuǐ)、泥漿、污泥水(shuǐ)、礦漿、煤漿
·不能用(yòng)于酸、堿液和(hé)有機溶劑混合液
·适用(yòng)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(hé)耐化(huà)學液性好
·上水(shuǐ)、下(xià)水(shuǐ)、海水(shuǐ)、工業用(yòng)水(shuǐ)、泥水(shuǐ)
·對(duì)有機溶劑和(hé)部分(fēn)酸、堿液耐腐性弱
氧化(huà)鋁陶瓷
ceramic
·耐磨性約爲聚氨酯橡膠的(de)10倍
·高(gāo)溫高(gāo)壓下(xià)不變性
·性脆,不耐液體溫度巨變
·内表面光(guāng)滑,不易附著(zhe)結垢
·硬質漿液
·腐蝕性液
·易附著(zhe)結垢液
·耐熱(rè)沖擊性(即溫度急劇變化(huà))差
·耐機械沖擊性差,性脆易碎,防止夾裝受力不勻
·應用(yòng)于氟酸、磷酸、強堿液,應充分(fēn)注意
各種電磁流量計襯裏耐溫    聚氨酯橡膠有極好的(de)耐磨耗性,但耐酸堿的(de)腐蝕性較差。它的(de)耐磨性相當于天然橡膠的(de)10倍,适用(yòng)于煤漿、礦漿等;介質溫度要低于40~60/70℃。氧化(huà)鋁陶瓷有極好的(de)耐磨耗性和(hé)對(duì)強酸堿的(de)耐腐蝕性,耐磨性約爲聚氨酯橡膠的(de)10倍,适用(yòng)于具有腐蝕性的(de)礦漿;但性脆,安裝夾緊時(shí)疏忽易碎,可(kě)用(yòng)于較高(gāo)溫度(120~140/180℃),但要防止溫度劇變,如通(tōng)蒸汽滅菌,一般溫度突變不能大(dà)于100℃,升溫150 ℃要有10min時(shí)間。
    襯裏材料的(de)選擇及其特點和(hé)不适用(yòng)流體請參閱上圖,s.2,通(tōng)用(yòng)型電磁流量計幾種材料的(de)壓力溫度大(dà)體适用(yòng)範圍可(kě)看右圖。
    (2)電極和(hé)接地環材料
    電極對(duì)測量介質的(de)耐腐是選擇材料首先考慮的(de)因素,其次考慮是否會産生鈍化(huà)等表面效應和(hé)所形成的(de)噪聲。
    1) 選擇耐腐蝕材料電磁流量計
    電極的(de)耐腐蝕性要求很高(gāo),不允許腐蝕或者嚴格地說隻允許極低的(de)腐蝕速率,否則會破壞電極與襯裏間密封性。介質洩漏,輕則破壞絕緣而儀表無法工作,直至毀壞整台電磁流量傳感器。常用(yòng)金屬材料有含耐酸鋼1Cr18Ni12Mo2Ti,哈氏合金(耐蝕鎳基合金)B、C,钛、钽、鉑銥合金,幾乎可(kě)覆蓋全部化(huà)學液。此外還(hái)有适用(yòng)于漿液等的(de)低噪聲電極,它們是導電橡膠電極、導電氟塑料電極和(hé)多(duō)孔性陶瓷電極,或包覆這(zhè)些材料的(de)金屬電極。下(xià)表格所展示的(de)是這(zhè)些材料的(de)大(dà)體使用(yòng)範圍。

電極材料
特點及适用(yòng)範圍
耐酸鋼ICrl8Ni9Ti
含钼耐酸鋼
OCrl8Ni12MoTi(相當于316L)
主要用(yòng)于生活工業用(yòng)水(shuǐ)、原水(shuǐ)、下(xià)水(shuǐ)、廢物(wù)水(shuǐ)及稀酸、稀堿等弱腐蝕性酸、堿、鹽液,價格最低
哈氏合金B
低濃度鹽酸等非氧化(huà)性酸和(hé)非氧化(huà)性鹽液适用(yòng),硝酸等氧化(huà)性酸不适用(yòng)
哈氏合金C
對(duì)常溫硝酸、其他(tā)氧化(huà)性酸、氧化(huà)性鹽液有耐腐蝕性,鹽酸等還(hái)原性酸和(hé)氯化(huà)物(wù)不适用(yòng)
耐腐蝕性略優于耐酸鋼,對(duì)氯化(huà)物(wù)、次氯酸鹽、海水(shuǐ)有優良的(de)耐腐蝕性,對(duì)常溫硝酸等氧化(huà)性酸有耐腐蝕性,鹽酸、硫酸等還(hái)原性酸不适用(yòng)
具有和(hé)玻璃相似的(de)優越耐腐蝕性,除氫氟酸、發煙(yān)硫酸等少數酸(參見下(xià)表)外,大(dà)部分(fēn)酸液适用(yòng),氫氧化(huà)鈉等堿液不适用(yòng)
鉑、鉑銥合金
對(duì)幾乎所有酸堿液耐腐蝕,王水(shuǐ)、铵鹽以及少數介質(參見下(xià)表)不适用(yòng),價格昂貴
碳化(huà)鎢硬質合金
漿液專用(yòng)電極材料,可(kě)降低漿液噪聲,耐腐蝕性較差,腐蝕性液體不适用(yòng)
導電橡膠、導電氟塑料多(duō)孔性陶瓷
低噪聲電極材料,抗漿液噪聲和(hé)流動噪聲;導電氟塑料耐化(huà)學品性能好
    上述表中所展示的(de)耐腐蝕性适用(yòng)範圍隻是個(gè)概貌。各種介質對(duì)不同材料的(de)腐蝕性可(kě)查閱有關的(de)“腐蝕手冊”.,例如《腐蝕數據和(hé)選材手冊》集中了(le)大(dà)量數據,可(kě)作選用(yòng)電極材料時(shí)參考,以确定初步方案。但這(zhè)隻能是初步方案,是否适應現場(chǎng)使用(yòng)條件,還(hái)需進一步調查。因爲從手冊查閱的(de)數據大(dà)部分(fēn)是在實驗室比較“純”的(de)條件下(xià)取得(de)的(de),而實際使用(yòng)的(de)流體,往往含有微量雜(zá)質,也(yě)常是幾種介質的(de)混合液,它們的(de)腐蝕性與純粹或單一介質的(de)腐蝕性有顯著差别;液體是否含有溶解氣體以及流動速度也(yě)相當程度上影(yǐng)響著(zhe)腐蝕速度。例如哈氏合金B對(duì)80% 10%濃度,不充氣鹽酸耐腐蝕,而對(duì)充氣的(de)鹽酸卻不耐腐。所以在原則上電極材料的(de)選擇應從使用(yòng)者借鑒該介質在其他(tā)設備的(de)應用(yòng)實際和(hé)以往的(de)經驗來(lái)确定。有時(shí)候要作必要的(de)實驗,如現場(chǎng)取液體樣品在實驗室做(zuò)待用(yòng)材料的(de)腐蝕性試驗。最好的(de)實驗是現場(chǎng)挂片,這(zhè)是最接近實際應用(yòng)條件的(de)腐蝕性試驗,可(kě)以得(de)出比較可(kě)靠能否适用(yòng)的(de)結論。
    钽耐化(huà)學介質腐蝕的(de)面很廣,鉑銥合金對(duì)各類酸堿鹽液也(yě)有很好的(de)耐腐蝕性,但它們也(yě)有一些不耐腐蝕的(de)化(huà)學介質,下(xià)表中列出若幹不耐腐蝕的(de)介質,兩者之間有互補性。
    2)避免電極表面效應
    電極的(de)耐腐蝕性是選擇材料的(de)重要因素,但有時(shí)候電極材料對(duì)被測介質有很好的(de)耐腐蝕性,卻不一定就是适用(yòng)的(de)材料,還(hái)要避免産生電極表面效應。
    電極表面效應分(fēn)爲表面化(huà)學反應、電化(huà)學和(hé)極化(huà)現象以及電極的(de)觸媒作用(yòng)三個(gè)方面。
    化(huà)學反應效應如電極表面與被測介質接觸後,形成鈍化(huà)膜或氧化(huà)層。它們對(duì)耐磨腐蝕性能可(kě)能起到積極保護作用(yòng),但也(yě)有可(kě)能增加表面接觸電阻。例如钽與水(shuǐ)接觸就會被氧化(huà),生成絕緣層。

化(huà)學液體介質
鉑-銥合金
其他(tā)材料
氟化(huà)鋁(Aluminum fluoride)
A
×
 
硝酸鋁(Aluminum nitrate)
A
×
 
氯化(huà)铵(Aluminum nitrate)
A
×
B(哈氏合金C)
氫氧化(huà)鋇(Baritml hydroxide)
A
×
 
二氧化(huà)氯(Chlorine dioxide)
×
A
 
氟化(huà)銅(Copper fluoride)
A
×
 
氯化(huà)銅(Copper chloride)40%
×
A
 
氯氧銅(Copper oxychloride)
A
×
 
氯化(huà)鐵(Fernc chloride)
×
A
B(哈氏合金C)
氯化(huà)鋅(Zinc chloride)50%
A
×
 
氟矽酸(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)
氫氟矽酸(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(huà)鎂(Magnesium hydroxide)
A
×
 
氨氧化(huà)鉀(Potassium hydroxide)10%~40%
A
×
 
氰化(huà)鈉(Sodium cyanide)
×
A
 
氰鐵酸鈉(Sodium ferrocyanide)
×
B
 
氰亞鐵酸鈉(Sodium ferricyanide)
×
B
 
氟化(huà)鈉(Sodium fluoride)5%~50%
A
×
 
氫氧化(huà)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)
符号說明(míng):A——優先選用(yòng)的(de)材料(實際上有極長(cháng)的(de)使用(yòng)壽命);
      B——令人(rén)滿意的(de)材料(在大(dà)多(duō)數條件下(xià)又較長(cháng)的(de)使用(yòng)壽命);
      ×——不能使用(yòng)
    電化(huà)學電勢變化(huà)和(hé)極化(huà)現象會産生幹擾電勢而形成噪聲。漿液噪聲和(hé)流動噪聲即是電極表面噪聲的(de)表現。極化(huà)電勢是電極感生電動勢在兩電極極性不同,導緻電解質在電極表面産生極化(huà)。低頻(pín)矩形波激磁結合了(le)直流激磁和(hé)交流激磁的(de)優點,雖然交變激磁将極化(huà)電勢減弱了(le)幾個(gè)數量級,但不能完全消除極化(huà)電勢幹擾的(de)影(yǐng)響。極化(huà)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(shí),固體顆粒(或液體中氣泡)擦過電極表面,電極表面接觸電化(huà)學電勢突然變化(huà),輸出流量信号出現尖峰脈沖狀噪聲。
    流動噪聲是在測量較低電導率(100 x 10-6S/cm附近及以下(xià))液體流量時(shí),電極的(de)電化(huà)學電勢定期變化(huà),産生随流速增加而頻(pín)率增加的(de)随機噪聲j;引起儀表輸出出現波動現象。
    對(duì)于電極表面噪聲可(kě)選配與被測液體電化(huà)學和(hé)極化(huà)電勢作用(yòng)小的(de)材料以及低噪聲電極。
    被測介質在電極的(de)觸媒作用(yòng)下(xià)産生化(huà)學反應而影(yǐng)響測量。例如鉑電極電磁流量計在測量雙氧水(shuǐ)時(shí)會在電極表面生成氣霧,流量爲零時(shí)輸出也(yě)會波動。
    對(duì)于避免或減輕電極表面效應的(de)介質——電極材料匹配,還(hái)沒有像腐蝕性那樣有充足的(de)資料可(kě)杳,隻有一些有限經驗,尚待在實踐中積累。下(xià)文列舉若幹實例。
    钽對(duì)水(shuǐ)是耐腐蝕的(de)。但若使用(yòng)钽電極電磁流量計測量水(shuǐ)流量,钽電極表面會形成絕緣層,使儀表失靈或運行一段時(shí)期後出現很大(dà)噪聲。氫氧化(huà)鈉等堿液亦不能選用(yòng)钽電極。在工藝流程中即使是極短時(shí)間钽電極與水(shuǐ)或“非酸”液接觸(如清洗管系),均會影(yǐng)響儀表正常使用(yòng)。
    鉑銥合金電極或鉑電極對(duì)鹽酸有良好的(de)耐腐性,鉑電極電磁流量計多(duō)處用(yòng)于測量鹽酸獲得(de)滿意的(de)結果。然而測量濃度較高(gāo)的(de)鹽酸(10%以上)卻産生嚴重的(de)噪聲。鉑電極用(yòng)于測量低壓過氧化(huà)氫(壓力低于0.3MPa)時(shí),由于觸媒作用(yòng)而在電極表面産生氣霧,阻斷了(le)電氣通(tōng)路而影(yǐng)響工作。    
    哈氏合金B對(duì)溫度、濃度不高(gāo)的(de)鹽酸是有耐腐蝕性的(de),已有若幹應用(yòng)良好的(de)實例,然而濃度超過某值時(shí)會産生噪聲。在現場(chǎng)改變鹽酸濃度試驗表明(míng),濃度逐漸增加超過15%~20%時(shí)儀表輸出随之晃動起來(lái),濃度到25%輸出晃動高(gāo)達20%。硝酸硫酸等酸液也(yě)有相似效應的(de)實踐經驗。
    水(shuǐ)廠用(yòng)硫酸鋁液與原水(shuǐ)混合以凝聚懸浮體,混合配比常用(yòng)電磁流量計測量硫酸鋁液,選用(yòng)耐酸鋼電極即可(kě)獲得(de)滿意的(de)結果。我們曾遇到測量15%硫酸鋁的(de)哈氏合金B電極電磁流量計,使用(yòng)過程中也(yě)出現輸出晃動現象,後改用(yòng)耐酸鋼電極即工作正常。
    鉑、钽電極對(duì)各種濃度硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸,大(dà)部分(fēn)均有較好的(de)測量效果,但其中鉑電極對(duì)濃度大(dà)于10%的(de)鹽酸會産生噪聲,钽電極對(duì)濃度大(dà)于10%的(de)氫氟酸則不耐腐。
    鉑銥合金和(hé)钽雖有較好的(de)耐腐蝕性,但價格昂貴,一對(duì)钽電極高(gāo)達數百到近千元,鉑銥電極比钽電極還(hái)要貴一倍以上。
    接地環連接在塑料管道或襯絕緣襯裏金屬管道的(de)流量傳感器兩端,它們的(de)耐腐蝕要求比電極低,允許有一定腐蝕,定期更換。通(tōng)常選用(yòng)耐酸鋼或哈氏合金。因體積大(dà)從經濟上考慮較少采用(yòng)钽鉑等貴重金屬。如金屬工藝管道直接與流體接觸就不需要接地環。
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