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电磁流量计与流体接触部件材料的选择

电磁流量计与流体接触部件材料的选择
    电磁流量计与流体接触的传感器零部件有衬里(或绝缘材料制成的测量管)、电极、接地环和密封垫片,其材料的耐腐浊型、耐磨耗性和使用温度上限等影响仪表对流体的适应性。由于零部件少,形状简单,材料选择灵活,电磁流量传感器对流体的适应性强。
    (1) 衬里材料(或直接与介质接触的测量管)
    常用衬里材料有氟塑料、聚氨酯橡胶、氯丁橡胶和陶瓷等。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-46;国外商品名Teflon FEP,习称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,国外商品名Teflon FEP)玻璃钢有用作衬里的,也有单独制成测量管的。今年有采用高纯氧化铝(99.7%A12O3)陶瓷制成陈立的,但只限中小口径传感器。
    氯丁橡胶和玻璃钢用于非腐蚀性或弱腐蚀性液体,如工业用水、废污水及若酸碱,价格最为低廉。氟塑料具有优良的耐化学腐浊性液体,但耐磨性差,不能用于测量矿浆液。氟塑料中最早引用的是聚四氟乙烯,因与测量管间仅靠压贴,无粘结力,不能用于负压管道,后开发各种改性品种,实现注塑成型,与测量管有较强结合力,可用于负压,其品种为:

 

材料名称(括号内为略称或习称) 性能特点 适用流体例 注意事项
氟塑料 整体

·内表面光滑,不易附着沉淀物
·耐酸性能优越
·流体使用温度范围宽

·氢氟酸、盐酸、醋酸等高渗透性液体
·硫酸、烧碱、电解质等强附着性液体
·容易产生结垢、沉积、附着、固化的液体
·有卫生要求的液体
·耐磨耗性差
·不耐一些氧化物和少数种液体腐蚀或侵浊
聚四氟乙烯(F-4)
Polytecrafluoroethylene(PTFE)
商业名:Teflon(Dupount公司)

·氟塑料中有最优的耐化学腐蚀,除注意事项所列不耐腐外,几乎抗所有化学介质
·与测量管间不能粘结,不能注塑,只能紧贴套配,不能用于负压

  ·三氟化氯,高温下三氯化氧、液氧、臭氧等不耐腐蚀
四氟乙烯-全氟烷基乙烯 基醚共聚物 tetrafluoroethylene-perfuorinated alkalivinvlether copolymer
改性聚四氟乙烯,又名聚全氟化烷氧基 Perfluoralkoxy(PFA) 
商业名:Teflon PFA(Dupount公司)
·耐化学腐蚀性略逊于PTFE
·可采用注塑成型,与测量管间有较强粘结力
·能用于较高的负压
·有替代PTFE的趋势
  ·同PTFE不耐的介质
全氟乙丙烯(F-46)
Perfluorinated ethylene-propylene copolymer(FEP)
·耐化学腐蚀型略逊于PTFE
·可采用注塑成型,与测量管间有较强粘结力
·能用于较高的负压
  ·同PTFE不耐的介质
·不耐发烟硝酸、丁基锂
乙烯-四氟乙烯共聚物(F-40)
ethylene tetrafluoro ethylenecopolymer(E-TFE);商业名;Tefzel(Dupount公司)
·耐化学腐蚀性和加工工艺和FEP相近
·耐核辐射辐照性能优于其他氟塑料
·美国食品和要管理局(FDA)认可食品安全
  ·同FEP不耐的介质
聚氨酯橡胶
Polyurethane
·耐磨耗性优越,为天然橡胶的10倍,适用于含有泥沙、石砾等固体颗粒的浆液
·耐腐蚀性差,只能用于弱酸弱碱等液体
·海水、泥浆、污泥水、矿浆、煤浆 ·不能用于酸、碱液和有机溶剂混合液
·适用较低温度
氯丁橡胶
Neoprene chloroprene gum
·耐磨性中等
·与其它橡胶比,耐油性和耐化学液性好
·上水、下水、海水、工业用水、泥水 ·对有机溶剂和部分酸、碱液耐腐性弱
氧化铝陶瓷
ceramic
·耐磨性约为聚氨酯橡胶的10倍
·高温高压下不变性
·性脆,不耐液体温度巨变
·内表面光滑,不易附着结垢
·硬质浆液
·腐蚀性液
·易附着结垢液
·耐热冲击性(即温度急剧变化)差
·耐机械冲击性差,性脆易碎,防止夹装受力不匀
·应用于氟酸、磷酸、强碱液,应充分注意

 

 

    聚氨酯橡胶有极好的耐磨耗性,但耐酸碱的腐蚀性较差。它的耐磨性相当于天然橡胶的10倍,适用于煤浆、矿浆等;介质温度要低于40~60/70℃。氧化铝陶瓷有极好的耐磨耗性和对强酸碱的耐腐蚀性,耐磨性约为聚氨酯橡胶的10倍,适用于具有腐蚀性的矿浆;但性脆,安装夹紧时疏忽易碎,可用于较高温度(120~140/180℃),但要防止温度剧变,如通蒸汽灭菌,一般温度突变不能大于100℃,升温150 ℃要有10min时间。
    衬里材料的选择及其特点和不适用流体请参阅上图,s.2,通用型电磁流量计几种材料的压力温度大体适用范围可看下图。


    (2)电极和接地环材料
    电极对测量介质的耐腐是选择材料首先考虑的因素,其次考虑是否会产生钝化等表面效应和所形成的噪声。
    1) 选择耐腐蚀材料电磁流量计
    电极的耐腐蚀性要求很高,不允许腐蚀或者严格地说只允许极低的腐蚀速率,否则会破坏电极与衬里间密封性。介质泄漏,轻则破坏绝缘而仪表无法工作,直至毁坏整台电磁流量传感器。常用金属材料有含耐酸钢1Cr18Ni12Mo2Ti,哈氏合金(耐蚀镍基合金)B、C,钛、钽、铂铱合金,几乎可覆盖全部化学液。此外还有适用于浆液等的低噪声电极,它们是导电橡胶电极、导电氟塑料电极和多孔性陶瓷电极,或包覆这些材料的金属电极。下表格所展示的是这些材料的大体使用范围。

 

电极材料 特点及适用范围
耐酸钢ICrl8Ni9Ti
含钼耐酸钢
OCrl8Ni12MoTi(相当于316L)
主要用于生活工业用水、原水、下水、废物水及稀酸、稀碱等弱腐蚀性酸、碱、盐液,价格最低
哈氏合金B 低浓度盐酸等非氧化性酸和非氧化性盐液适用,硝酸等氧化性酸不适用
哈氏合金C 对常温硝酸、其他氧化性酸、氧化性盐液有耐腐蚀性,盐酸等还原性酸和氯化物不适用
耐腐蚀性略优于耐酸钢,对氯化物、次氯酸盐、海水有优良的耐腐蚀性,对常温硝酸等氧化性酸有耐腐蚀性,盐酸、硫酸等还原性酸不适用
具有和玻璃相似的优越耐腐蚀性,除氢氟酸、发烟硫酸等少数酸(参见下表)外,大部分酸液适用,氢氧化钠等碱液不适用
铂、铂铱合金 对几乎所有酸碱液耐腐蚀,王水、铵盐以及少数介质(参见下表)不适用,价格昂贵
碳化钨硬质合金 浆液专用电极材料,可降低浆液噪声,耐腐蚀性较差,腐蚀性液体不适用
导电橡胶、导电氟塑料多孔性陶瓷 低噪声电极材料,抗浆液噪声和流动噪声;导电氟塑料耐化学品性能好

 

 

    上述表中所展示的耐腐蚀性适用范围只是个概貌。各种介质对不同材料的腐蚀性可查阅有关的“腐蚀手册”.,例如《腐蚀数据和选材手册》集中了大量数据,可作选用电极材料时参考,以确定初步方案。但这只能是初步方案,是否适应现场使用条件,还需进一步调查。因为从手册查阅的数据大部分是在实验室比较“纯”的条件下取得的,而实际使用的流体,往往含有微量杂质,也常是几种介质的混合液,它们的腐蚀性与纯粹或单一介质的腐蚀性有显著差别;液体是否含有溶解气体以及流动速度也相当程度上影响着腐蚀速度。例如哈氏合金B对80% 10%浓度,不充气盐酸耐腐蚀,而对充气的盐酸却不耐腐。所以在原则上电极材料的选择应从使用者借鉴该介质在其他设备的应用实际和以往的经验来确定。有时候要作必要的实验,如现场取液体样品在实验室做待用材料的腐蚀性试验。最好的实验是现场挂片,这是最接近实际应用条件的腐蚀性试验,可以得出比较可靠能否适用的结论。
    钽耐化学介质腐蚀的面很广,铂铱合金对各类酸碱盐液也有很好的耐腐蚀性,但它们也有一些不耐腐蚀的化学介质,下表中列出若干不耐腐蚀的介质,两者之间有互补性。
    2)避免电极表面效应
    电极的耐腐蚀性是选择材料的重要因素,但有时候电极材料对被测介质有很好的耐腐蚀性,却不一定就是适用的材料,还要避免产生电极表面效应。
    电极表面效应分为表面化学反应、电化学和极化现象以及电极的触媒作用三个方面。
    化学反应效应如电极表面与被测介质接触后,形成钝化膜或氧化层。它们对耐磨腐蚀性能可能起到积极保护作用,但也有可能增加表面接触电阻。例如钽与水接触就会被氧化,生成绝缘层。

 

化学液体介质
铂-铱合金
其他材料
氟化铝(Aluminum fluoride)
A
×
 
硝酸铝(Aluminum nitrate)
A
×
 
氯化铵(Aluminum nitrate)
A
×
B(哈氏合金C)
氢氧化钡(Baritml hydroxide)
A
×
 
二氧化氯(Chlorine dioxide)
×
A
 
氟化铜(Copper fluoride)
A
×
 
氯化铜(Copper chloride) 40%
×
A
 
氯氧铜(Copper oxychloride)
A
×
 
氯化铁(Fernc chloride)
×
A
B(哈氏合金C)
氯化锌(Zinc chloride) 50%
A
×
 
氟硅酸(Fluosicic acid) 10%~40%
A
×
 
氢溴酸(Hydrobromic acid) 50%
×
A
 
氢氟酸(Hydrofluoric acid) 10%~20%
A
×
B(哈氏合金C)
氢氟硅酸(Hypochlorous acid) 35%
A
×
B(哈氏合金C)
次氯酸(Hypochlorous acid) 10%~20%
×
A
B(哈氏合金C)
乙酸铅(lead acetate)
×
A
 
氢氧化镁(Magnesium hydroxide)
A
×
 
氨氧化钾(Potassium hydroxide)10%~40%
A
×
 
氰化钠(Sodium cyanide)
×
A
 
氰铁酸钠(Sodium ferrocyanide)
×
B
 
氰亚铁酸钠(Sodium ferricyanide)
×
B
 
氟化钠(Sodium fluoride) 5%~50%
A
×
 
氢氧化钠(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
×
 
硫代硫酸钠(Sodium thiosulfate)
×
×
A(哈氏合金C)

 

符号说明:A——优先选用的材料(实际上有极长的使用寿命);
      B——令人满意的材料(在大多数条件下又较长的使用寿命);
      ×——不能使用

    电化学电势变化和极化现象会产生干扰电势而形成噪声。浆液噪声和流动噪声即是电极表面噪声的表现。极化电势是电极感生电动势在两电极极性不同,导致电解质在电极表面产生极化。低频矩形波激磁结合了直流激磁和交流激磁的优点,虽然交变激磁将极化电势减弱了几个数量级,但不能完全消除极化电势干扰的影响。极化电势与液体介质性质以及电极材料性质有关。
    浆液噪声是在测量泥浆纤维浆等液固双相导电液体流量时,固体颗粒(或液体中气泡)擦过电极表面,电极表面接触电化学电势突然变化,输出流量信号出现尖峰脉冲状噪声。
    流动噪声是在测量较低电导率(100 x 10-6S/cm附近及以下)液体流量时,电极的电化学电势定期变化,产生随流速增加而频率增加的随机噪声j;引起仪表输出出现波动现象。
    对于电极表面噪声可选配与被测液体电化学和极化电势作用小的材料以及低噪声电极。
    被测介质在电极的触媒作用下产生化学反应而影响测量。例如铂电极电磁流量计在测量双氧水时会在电极表面生成气雾,流量为零时输出也会波动。
    对于避免或减轻电极表面效应的介质——电极材料匹配,还没有像腐蚀性那样有充足的资料可杳,只有一些有限经验,尚待在实践中积累。下文列举若干实例。
    钽对水是耐腐蚀的。但若使用钽电极电磁流量计测量水流量,钽电极表面会形成绝缘层,使仪表失灵或运行一段时期后出现很大噪声。氢氧化钠等碱液亦不能选用钽电极。在工艺流程中即使是极短时间钽电极与水或“非酸”液接触(如清洗管系),均会影响仪表正常使用。
    铂铱合金电极或铂电极对盐酸有良好的耐腐性,铂电极电磁流量计多处用于测量盐酸获得满意的结果。然而测量浓度较高的盐酸(10%以上)却产生严重的噪声。铂电极用于测量低压过氧化氢(压力低于0.3MPa)时,由于触媒作用而在电极表面产生气雾,阻断了电气通路而影响工作。    
    哈氏合金B对温度、浓度不高的盐酸是有耐腐蚀性的,已有若干应用良好的实例,然而浓度超过某值时会产生噪声。在现场改变盐酸浓度试验表明,浓度逐渐增加超过15%~20%时仪表输出随之晃动起来,浓度到25%输出晃动高达20%。硝酸硫酸等酸液也有相似效应的实践经验。
    水厂用硫酸铝液与原水混合以凝聚悬浮体,混合配比常用电磁流量计测量硫酸铝液,选用耐酸钢电极即可获得满意的结果。我们曾遇到测量15%硫酸铝的哈氏合金B电极电磁流量计,使用过程中也出现输出晃动现象,后改用耐酸钢电极即工作正常。
    铂、钽电极对各种浓度硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸,大部分均有较好的测量效果,但其中铂电极对浓度大于10%的盐酸会产生噪声,钽电极对浓度大于10%的氢氟酸则不耐腐。
    铂铱合金和钽虽有较好的耐腐蚀性,但价格昂贵,一对钽电极高达数百到近千元,铂铱电极比钽电极还要贵一倍以上。
    接地环连接在塑料管道或衬绝缘衬里金属管道的流量传感器两端,它们的耐腐蚀要求比电极低,允许有一定腐蚀,定期更换。通常选用耐酸钢或哈氏合金。因体积大从经济上考虑较少采用钽铂等贵重金属。如金属工艺管道直接与流体接触就不需要接地环。