硫酸烷基化廢酸再生處理裝置管道材料的選擇

王曉偉

（中石化廣州工程有限公司，廣東廣州510620）

隨著國內(nèi)環(huán)保要求日益嚴(yán)格，以及油品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷升級，烷基化油作為一種理想的高辛烷值汽油調(diào)合組分，具有不含芳烴、烯烴等非理想組分及不含硫等有害雜質(zhì)的特點(diǎn)，已成為現(xiàn)階段油品質(zhì)量升級中最具競爭力的產(chǎn)品之一。目前生產(chǎn)烷基化油的主要工藝裝置為硫酸烷基化裝置，伴隨著裝置的運(yùn)行，硫酸作為催化劑在反應(yīng)后就成為廢酸，為了降低成本及滿足環(huán)保的要求，需要將廢酸進(jìn)行再生處理。在廢酸再生處理裝置中，硫酸對管道和設(shè)備的腐蝕影響裝置的安全運(yùn)行。通過分析廢酸再生處理裝置中硫酸對管道的腐蝕情況及影響因素，提出有針對性的選材方案，有效地保障了裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 廢酸再生處理裝置的腐蝕

在廢酸再生處理裝置中，發(fā)生的腐蝕主要是硫酸腐蝕和煙氣露點(diǎn)腐蝕。該裝置中既有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～5%的稀硫酸，也有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸，同時還有質(zhì)量分?jǐn)?shù)在87%左右的廢酸。硫酸對金屬材料的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，原因是硫酸中含有大量氫離子，對金屬材料的陰極有很強(qiáng)的去極化作用，可以迅速溶解金屬［1］。硫酸在特定條件下可對管道和設(shè)備產(chǎn)生很嚴(yán)重的腐蝕，其中硫酸的濃度和溫度是影響其腐蝕的兩個最重要的因素。由于硫酸在水中分兩級離解，所以其腐蝕具有一個明顯的特點(diǎn)，即當(dāng)硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜85%時，其腐蝕性隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增強(qiáng)；當(dāng)硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞85%時，其腐蝕性隨著硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而迅速減弱。在室溫下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸對金屬的腐蝕性很小，但隨著溫度的升高其腐蝕性逐漸增強(qiáng)。此外，隨著溫度和硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，硫酸表現(xiàn)出不同的特性，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～65%時，在高低溫下均呈還原性；當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～85%時，在低溫下呈還原性，在高溫或沸點(diǎn)溫度下則呈現(xiàn)出氧化性；當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%～100%時，在任何溫度下都呈氧化性［2］。此外，介質(zhì)的流速、流動狀態(tài)以及酸中雜質(zhì)（特別是氧氣或氧化劑）的存在對腐蝕也有顯著影響。

2 管道選材

在廢酸再生處理裝置中，管道材質(zhì)應(yīng)根據(jù)不同的工況條件進(jìn)行選擇，目前常用的管道材質(zhì)主要有以下四種：襯塑鋼、高硅不銹鋼、奧氏體不銹鋼（結(jié)合陽極保護(hù)）和玻璃鋼。

2.1 襯塑鋼

在廢酸再生處理裝置中，輸送質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸的管道，其操作溫度最高可達(dá)75℃，在此工況下，常用的金屬材料如碳鋼和不銹鋼等的耐硫酸腐蝕能力較弱，而聚四氟乙烯（PTFE）則對硫酸有很好的耐腐蝕能力，因此，一般優(yōu)先選用襯塑鋼管，即以鋼管為基管，內(nèi)襯聚四氟乙烯。

襯塑鋼管的優(yōu)點(diǎn)是既具有金屬管道的強(qiáng)度和剛度，又具有聚四氟乙烯的良好的耐硫酸腐蝕性能，且相對于其他耐高溫硫酸腐蝕的金屬材料來說，其制造成本較低，性價比高。但是襯塑鋼管也有其自身的缺點(diǎn)：（1）襯塑鋼管內(nèi)襯層的加工需要強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，否則在使用過程中會出現(xiàn)襯里層與鋼管剝離的情況，造成管道的腐蝕泄漏。（2）襯塑鋼管不能直接焊接，直管、管件和閥門等元件均需采用法蘭連接，顯著增加了現(xiàn)場法蘭連接的數(shù)量，從而增加了介質(zhì)泄漏的潛在風(fēng)險。（3）襯塑鋼管的生產(chǎn)制造比較麻煩，需要生產(chǎn)制造單位依據(jù)設(shè)計單位的管段圖進(jìn)行二次設(shè)計轉(zhuǎn)化，依據(jù)管道分段圖紙進(jìn)行制造，以方便現(xiàn)場的安裝，但是在現(xiàn)場施工中，由于施工的誤差，會出現(xiàn)與設(shè)計圖紙不符的情況而需要設(shè)置調(diào)節(jié)段，而這部分調(diào)節(jié)段在現(xiàn)場無法加工，只能在制造廠內(nèi)加工生產(chǎn)再發(fā)至現(xiàn)場，增加了工期的不確定性。（4）對于大口徑管道，襯塑鋼管的生產(chǎn)制造也會出現(xiàn)襯里層與鋼管剝離的問題，從而限制了其在大口徑管道上的應(yīng)用。

2.2 高硅不銹鋼

在140℃或更高溫度的條件下，高硅不銹鋼對硫酸具有較好的耐蝕性，有研究認(rèn)為，在氧化性介質(zhì)中，鉻在不銹鋼表面生成Cr2O3氧化膜，能提高不銹鋼的耐硫酸腐蝕能力，而硅在不銹鋼表面則形成富硅的SiO2非晶氧化膜，可通過抑制陰極反應(yīng)，減緩硫酸的均勻腐蝕和晶間腐蝕［3］。高硅不銹鋼在高溫濃硫酸環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前應(yīng)用的高硅不銹鋼主要有SANDVIK公司開發(fā)的SX鋼、杜邦MECS公司開發(fā)的Zecor系列鋼及國內(nèi)宣達(dá)實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司開發(fā)的XDS高硅奧氏體不銹鋼，這些高硅不銹鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的硫酸及高溫工況下，腐蝕速率均可控制在0.025 mm／a以下。高硅不銹鋼在MECS公司的廢酸再生處理裝置中得到了廣泛應(yīng)用，與襯塑鋼和普通不銹鋼相比，其主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：（1）高硅不銹鋼耐腐蝕性能好，使用壽命長，即使在硫酸高流速工況下，其腐蝕速率也非常低。（2）可以保證施工質(zhì)量。高硅不銹鋼是金屬材料，可采用焊接連接，同時可對焊縫進(jìn)行無損檢測。（3）可以確保裝置運(yùn)行更加安全和潔凈。由于采用焊接連接，大大減少了現(xiàn)場法蘭連接的數(shù)量，從而減少了管道潛在的泄漏點(diǎn)，降低了介質(zhì)泄漏風(fēng)險。（4）現(xiàn)場施工和后期維護(hù)比較方便。但是高硅不銹鋼在應(yīng)用中也有缺點(diǎn)，由于目前大多數(shù)高硅不銹鋼都屬于專利產(chǎn)品，且本身價格昂貴，某些管道元件如法蘭等成本較高，大量使用會導(dǎo)致裝置投資成本增加，另外，閥門等管道配件不易采購，市場獲得性和經(jīng)濟(jì)性較差。

2.3 奧氏體不銹鋼+陽極保護(hù)

金屬在硫酸中的腐蝕是電化學(xué)腐蝕，其特征是金屬失去電子而被溶解。在腐蝕的過程中，金屬有一個腐蝕電位，相應(yīng)的有一定的腐蝕電流。在外加陽極電流作用下，金屬電位向正方向移動，當(dāng)其正移到致鈍電位或流經(jīng)金屬的外部電流密度達(dá)到致鈍電流密度時，金屬將發(fā)生陽極鈍化現(xiàn)象。當(dāng)電位進(jìn)入穩(wěn)定鈍化區(qū)時，再對金屬施以一個維鈍電流，則陽極腐蝕過程受到抑制，而使金屬的腐蝕速率顯著降低，設(shè)備因此而得到保護(hù)，這種防護(hù)方法稱為陽極保護(hù)［2］。不銹鋼管道陽極保護(hù)系統(tǒng)以管道內(nèi)壁為陽極，在管道上設(shè)置陰極，二者通過電解質(zhì)濃硫酸形成回路；同時通過陽極保護(hù)控制儀對管道施加陽極保護(hù)電流，并在管道上設(shè)置監(jiān)測電極，對管道內(nèi)壁電位進(jìn)行控制和監(jiān)測，使其維持在鈍化電位區(qū)間內(nèi)，從而使金屬表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，降低濃硫酸對不銹鋼管道的腐蝕速率。不銹鋼管道陽極保護(hù)系統(tǒng)主要應(yīng)用于硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 93.0% ～99.2%，操作溫度為 50～72℃的高溫濃硫酸管道。采用陽極保護(hù)系統(tǒng)后，不銹鋼管道的腐蝕速率可控制在0.05 mm／a以下。與高硅奧氏體不銹鋼相比，奧氏體不銹鋼陽極保護(hù)系統(tǒng)除了同樣具有現(xiàn)場法蘭泄漏點(diǎn)較少及管道安裝便利的優(yōu)點(diǎn)之外，還具有投資成本較低的優(yōu)勢；同時，與襯塑鋼管相比，其適用的管道口徑會更大，更有利于現(xiàn)場的施工及維護(hù)。奧氏體不銹鋼陽極保護(hù)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：（1）基本不適用于公稱直徑≤DN80的管道，因?yàn)閷τ谛】趶降墓艿?，采用陽極保護(hù)時，電極的設(shè)置會不方便，而這也正好與襯塑管道形成了互補(bǔ)。（2）陽極保護(hù)系統(tǒng)也需要供貨單位的二次設(shè)計，需要依據(jù)管道的布置及走向、硫酸的濃度和溫度以及流體的流速和流動特性來考慮陽極保護(hù)的分散能力、陽極與陰極的面積比以及陽極的布置與數(shù)量等，同時需要專業(yè)的施工隊(duì)伍來進(jìn)行陽極保護(hù)系統(tǒng)的安裝施工。

2.4 玻璃鋼

玻璃鋼是由玻璃纖維與合成樹脂復(fù)合而成的材料，屬于玻璃纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，即采用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂基體的材料。在低濃度硫酸環(huán)境中，玻璃鋼具有較好的耐腐蝕能力，所以在廢酸處理裝置中其使用部位為含硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～5%的管道或含SO2和SO3的煙氣管道。玻璃鋼管在制造過程中其原料性能對玻璃鋼管的質(zhì)量有很大的影響。為了滿足廢酸處理裝置長周期安全運(yùn)行的要求，玻璃鋼管的基體樹脂一般選用乙烯基酯樹脂，同時選用無堿玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，此外，還需對其防腐層、增強(qiáng)層和表面層的厚度及樹脂含量做出明確規(guī)定，以保證玻璃鋼管的產(chǎn)品質(zhì)量。

玻璃鋼的優(yōu)點(diǎn)在于：質(zhì)量輕，強(qiáng)度較高，具有良好的耐硫酸腐蝕能力，此外其生產(chǎn)制造周期短，有利于現(xiàn)場施工。玻璃鋼的缺點(diǎn)在于：（1）剛性不足，彈性模量低，在生產(chǎn)制造大口徑管道時材料容易變形，這就需要通過增加加強(qiáng)筋和管道支撐來彌補(bǔ)。（2）長期耐溫性能比較差，一般只適用于100℃以下的場合。（3）容易老化，玻璃鋼長期露天使用，由于紫外線的作用易發(fā)生老化現(xiàn)象，影響其正常使用。（4）玻璃鋼現(xiàn)場施工接口處基本都采用人工手糊連接，無法保證管道連接處的質(zhì)量，因此施工完畢后的質(zhì)量檢查就顯得至關(guān)重要。

3 結(jié) 論

（1）在硫酸烷基化廢酸再生處理裝置的管道中存在稀硫酸和濃硫酸的腐蝕，同時還存在含SO2和SO3煙氣的露點(diǎn)腐蝕。在廢酸再生處理裝置中，含硫酸介質(zhì)管道的選材，主要根據(jù)操作溫度、硫酸濃度及流速等工況條件，同時考慮管道尺寸、施工質(zhì)量的保證、施工的便利性和經(jīng)濟(jì)性等因素，從襯塑鋼、高硅不銹鋼、奧氏體不銹鋼（結(jié)合陽極保護(hù)）和玻璃鋼等四種材料中進(jìn)行選擇。

（2）襯塑鋼強(qiáng)度高、耐蝕性能好，但易泄漏、現(xiàn)場施工不便，且大口徑管道的襯塑質(zhì)量不易保證；高硅不銹鋼耐蝕性能好、施工方便，但價格較高；普通奧氏體不銹鋼結(jié)合陽極保護(hù)，耐蝕性能好、經(jīng)濟(jì)性較好，但不適用于小口徑管道，且施工專業(yè)性要求高；玻璃鋼經(jīng)濟(jì)性好，但剛性、耐溫性及耐紫外線老化性能差，且現(xiàn)場連接質(zhì)量不易保證。

（3）在實(shí)際工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)具體的情況和規(guī)范要求進(jìn)行選材，做到揚(yáng)長避短，從而保證管道選材的合理性和經(jīng)濟(jì)性。