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耐硫酸管道材质及壁厚的确定

以山东某炼厂烷基化项目为例,浓硫酸作为烷基化反应的催化剂是重要的操作介质,所用的硫酸质量分数需≥98%。其主要性能参数要达到如下指标:

 山东某炼厂烷基化项目

在整个烷基化反应中主要存在以下三种浓度的硫酸:-98%的浓硫酸,-93%(wt)的废浓硫酸以及≤1%(wt)的稀硫酸。

普通碳钢就能可用于贮存、装运和输送93%-98%(wt)的浓硫酸,故可选取20#材质的碳钢钢管进行密闭输送。但是≤1%(wt)浓度的微量硫酸虽然浓度非常低,但是却具有一定的腐蚀性。若选用20#的管材,则在实际连续生产的过程中管道腐蚀是非常的厉害,例如国内某大型炼化公司烷基化装置中这类浓度的管道材质选用的就是20#,而在实际生产过程中,两三年之后管道的内外壁腐蚀都变得很严重(管道外壁腐蚀是应为装置内不可避免存在浓硫酸泄漏,弥漫一定浓度硫酸雾气),甚至产生了穿孔,必须进行更换,严重影响装置的正常运行,且给操作和维护人员带来较大的安全隐患。

铬镍不锈钢则可以使用于常温下≤5%(wt)浓度的稀硫酸。故在设计中选取普通不锈钢06Cr19Ni10替代20#作为输送这类介质管道的主要材质。

依据处理量需求,设计中主要涉及公称直径在DN50-200之间的管道。针对20#和06Cr19Ni10这两种材质,我们进行管道壁厚计算,并进行数据比较。

确定管道材质后,根据《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)6.2中规定,当直管计算壁厚ts小于管子外径D0的1/6时,承受内压直管的计算壁厚不应小于下式计算的值。

 承受内压直管的计算壁厚公式

依据业主提供的基础设计输入资料:上式中设计压力P取0.73MPa(G),设计温度T取40℃,[σ]t根据《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)附录A金属管道材料的许用应力表A.0.1进行选取,20#为130MPa,06Cr19Ni10为114MPa。

Ej取值是根据《压力管道规范-工业管道 第2部分:材料》(GB/T20801.2-2006)表A.3,故20#和06Cr19Ni10的取值都为1。

Y根据《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000)表6.2.1进行选取,故20#和06Cr19Ni10的取值都为0.4。

依据公式(1)、(2)、(3)进行壁厚计算,其结果如下:

20#材质壁厚计算结果如下:

 20#材质壁厚计算结果

06Cr19Ni10材质壁厚计算结果如下:

 06Cr19Ni10材质壁厚计算结果

由以上的计算结果可知:使用06Cr19Ni10材质的管道壁厚约为20#材质的管道壁厚的一半,相对耗材量也减少了近一半。但是当时市场上20#的管材市价约为6800元/吨,而06Cr19Ni10的管材市价约为32000元/吨之多,是前者的价格将近五倍。在设计过程中,业主多次强烈要求使用20#材质的管材,以节约一次投资成本。本着对设计负责的态度,及装置的长周期运行、安全角度考虑,项目组与业主进行了反复沟通,最终选择06Cr19Ni10材质作为这类管道的主材。


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