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1、硫酸烷基化装置的管道材料设计姜万军;潘晓斐;杨冬伟【摘 要】硫酸烷基化装置是目前生产清洁汽油的主要装置之一,装置中管道的主要 腐蚀类型是硫酸腐蚀和碱应力腐蚀开裂.硫酸对管道的腐蚀主要影响因素有硫酸的 浓度、操作温度、流速和流动状态等.硫酸烷基化装置中含酸管道材料主要为碳钢, 而阀门主体材料为Alloy 20合金或哈氏合金，垫片采用Alloy 20+ PTFE（聚四氟乙 烯）缠绕垫，阀门填料选用PTFE为减缓硫酸对管道的腐蚀，除提高材质外，还应采取控 制操作温度、降低流速、采用大半径弯头、采用对焊连接方式代替承插焊连接（或 螺纹连接）以及选用全通径阀门等措施.期刊名称】石油化工腐蚀与防护年(卷)
2、,期】2017(034)003【总页数】4页（P33-36） 【关键词】 硫酸烷基化;管道材料;腐蚀【作 者】 姜万军;潘晓斐;杨冬伟【作者单位】 中石化洛阳工程有限公司,河南洛阳471003;中石化洛阳工程有限公司,河南洛阳471003;中石化洛阳工程有限公司,河南洛阳471003【正文语种】 中 文烷基化装置一般是以炼油厂中的液态异丁烷、丁烯馏分为原料，以强酸为催化剂，经烷基化反应生产烷基化油的生产装置。烷基化油具有辛烷值高、抗爆性能好、蒸气压低、不含烯烃、不含芳烃及硫含量低等突出优点，是航空汽油和车用汽油的理 想调合组分1。目前，烷基化装置是生产清洁汽油的主要装置之一。 常用的烷基化工艺
3、主要有氢氟酸烷基化和硫酸烷基化两种，其中氢氟酸烷基化是以 氢氟酸为催化剂的烷基化工艺。由于氢氟酸腐蚀性强，对设备、管道材质要求高， 且氢氟酸易挥发、有剧毒,要求安全防护高，因此该工艺实际应用相对较少。目前， 国内大多数烷基化装置都采用硫酸烷基化工艺。1.1 硫酸腐蚀 硫酸烷基化采用硫酸作为烷基化反应的催化剂，同时，硫酸也成为了该装置管道腐 蚀的主要介质。硫酸对金属的腐蚀主要表现为腐蚀环境中金属失去电子而被溶解， 该过程主要是电化学过程,见式(1)。如果处于适宜的硫酸浓度、温度和流速范围内，烷基化装置大部分管道采用碳钢制 造即可满足安全要求。同时，硫酸和原料的混合物(不含水)的腐蚀性一般与硫酸相
4、 当。所以，硫酸烷基化装置应尽可能采用碳钢管道。硫酸对钢制管道的腐蚀反应见 式(2)。硫酸对碳钢的腐蚀速率与硫酸的浓度、温度、流速和流动状态有关。不同条件下硫 酸对碳钢的腐蚀速率见表 12。从表1 中可以看出，硫酸对碳钢的腐蚀速率随温度升高而提高。同时,随着硫酸浓 度提高，对碳钢的腐蚀速率反而有所降低。这是由于浓硫酸与碳钢反应生成致密的 氧化型保护膜，从而抑制了硫酸对碳钢腐蚀。此外，介质流动速度对腐蚀速率影响 较大，这是由于随着流动速度提高，硫酸与碳钢反应生成的氧化型保护膜被冲刷破 坏而失去保护作用，硫酸重新腐蚀新鲜金属从而加剧了碳钢腐蚀。1.2 碱腐蚀硫酸烷基化装置中管道腐蚀的另一种类型是碱
5、腐蚀。这是由于反应流出物需要经过 碱洗等精制过程脱除产物中的硫酸，因此装置内存在碱液管道。碱液对碳钢管道的 腐蚀主要表现为拉应力与碱液共同作用下碳钢的应力腐蚀开裂。碱应力腐蚀开裂通 常与碱液的浓度、温度有关，随着其浓度、温度升高，碳钢对应力腐蚀的敏感性增 大。2.1 管道选材硫酸烷基化装置中硫酸的质量分数一般在93.8%以上，操作温度一般控制在10 C 以下，在此条件下，碳钢的耐蚀性优良，因此，硫酸烷基化装置中管道主要采用碳 钢材料。而丙烷碱洗混合器出入口管道、反应流出物酸洗混合器出入口管道、反应 流出物碱洗混合器出入口管道，由于其局部产生稀酸环境，一般不采用碳钢，应采 用Alloy 20合金
6、或哈氏合金。由于Alloy 20合金价格相对较低，因此硫酸烷基化 装置以上部位的含酸管道常用Alloy 20材质。在反应流出物碱洗部位，由于其流 态复杂、中和过程中也会出现水分偏析，腐蚀情况较为严重，所以此部位管道采用 耐腐蚀性更好的哈氏合金C2763。为避免浓硫酸形成的氧化型保护膜被冲刷掉以后硫酸重新腐蚀新鲜金属，装置中碳 钢管道含酸介质的流速一般要求不大于0.6 m/s。然而，由于管道上工艺阀门结构 相对复杂，容易形成湍流，所以烷基化装置中含酸管道的阀门建议采用Alloy 20 合金。此外，由于调节阀多为缩径结构，调节阀组下游管道内的介质流动状态及流 速往往发生了改变，使介质更容易腐蚀管道
7、，所以对调节阀组下游管道应设置适当 长度的直管段,直管段长度一般不小于5倍的管道外径，调节阀组及直管段材质宜 采用Alloy 20合金。含酸管道法兰和阀门垫片一般采用Alloy 20+PTFE（聚四氟乙 烯）缠绕垫，其中垫片内环和主体金属带材料应采用Alloy 20合金材料，阀门填料 材料通常选用PTFE等有机材料，从而使这些管道元器件更耐硫酸腐蚀。同时，对 于大口径阀门和管道，为降低成本，阀门的阀体可采用碳钢内衬PTFE，管道也可采用 碳钢内衬PTFE耐蚀衬里制造，为避免焊接破坏PTFE内衬层，衬里管道及阀门应 采用法兰连接。在含酸管道中，阀门的选型对腐蚀也会产生较大影响。由于截止阀、蝶阀对
8、流体的 流动状态影响较大，所以烷基化装置中含酸管道不宜采用截止阀和蝶阀。由于阀门 结构也存在全通径、标准型和缩径等结构，而标准型和缩径结构的阀门流通性较差， 因此，含酸管道建议选用全通径结构的球阀或旋塞阀，从而使阀门对流体的流动状 态影响降至最小。由于球阀的成本较高，而闸阀作为一种流通性能及经济性相对较 好的产品更适合于硫酸烷基化装置的工况条件，所以,在硫酸烷基化装置中一般采 用全通径闸阀。此外，由于硫酸的黏度较大，含酸管道的放空阀、排凝阀应选用DN40的阀门代替常规DN20的阀门。尽管纯的PTFE和玻璃钢等有机材料对硫酸耐腐蚀性优良，但考虑到防火性能、耐候性能以及管道支撑等原因，在烷基化装置
9、中一般不单独采用这些材料，但金属母 材内衬有机材料是经济可行的方法。2.2 其他防腐蚀措施为减缓硫酸对烷基化装置的含酸管道腐蚀，除合理选材以外，还应采取以下工艺防 腐蚀措施:(1) 控制温度。在操作过程中，应严格控制操作温度，不得超温操作。同时，应注 意夏季环境温度对介质温度的影响。由于烷基化反应为低温放热反应，为保证产品 质量，同时考虑温度对硫酸环境腐蚀的影响，含酸管道外应设置绝热层，避免介质 温度因环境温度升高而升高。地处北方的装置，为防止冬季环境温度过低，工艺要 求管道设置伴热，这时宜采用热水伴热而不应采用蒸汽伴热，并应严格控制伴热温 度，避免温度过高。在条件允许时，建议采用电伴热，以保
10、证精准控制伴热温度。(2) 控制流速。应控制含酸管道的介质流速不超过0.6 m/s，同时最低流速也不宜 低于0.3 m/s。当需要调整装置加工量时，建议增大管径，而不是提高流速。(3) 减少介质冲刷。异径管、三通和弯头等部位流速、流态的变化对金属冲刷较为严重，可以通过合理选用管道元件的形式以减少冲刷。如采用大半径弯头，特别是泵出口管道，建议采用曲率半径为3倍直径的长半径弯头代替常规1.5倍直径的长 半径弯头。(4) 流动状态的影响。烷基化装置含酸管道的对接焊缝焊接时必须采用氩弧焊打底， 并且使焊缝内表面与管道内壁保持平滑，避免在焊缝处产生湍流。小口径管道的连 接方式建议采用对焊连接代替承插焊连
11、接，不得采用螺纹连接。阀门宜选用全通径 球阀或全通径旋塞阀，而不采用缩径阀门。(5) 设置双阀。重点部位及要求可靠切断的管道，建议设置双阀，且至少一个阀门 采用全通径阀门。阀门宜安装在水平管道上，且阀杆垂直朝上安装。2.3 碱腐蚀的防护 硫酸烷基化装置中管道的碱应力腐蚀开裂主要受碱液浓度和温度影响。由于该装置 所用的碱液温度(设计温度60 C)和质量分数(最高40%)均不高，处于碳钢在碱液 中使用温度和质量分数极限曲线的下方(见图1)，因此，管道材料选用碳钢即可。 为避免碱环境下应力腐蚀开裂，要求对碳钢管道的所有焊缝进行消除应力热处理。 碱液管道阀门、阀体材质一般采用碳钢，阀芯材质通常采用MO
12、NEL合金。同时， 碱液管道操作过程中也应避免受环境等影响而出现超温现象。硫酸烷基化装置管道的腐蚀类型主要是硫酸腐蚀和碱应力腐蚀开裂，为减缓硫酸腐 蚀，除重点部位采用Alloy20合金或哈氏合金外，还应从工艺操作、管道元器件 选型及布置等方面采取措施，提高管道的耐硫酸腐蚀能力。硫酸烷基化装置的碱液管道可采用碳钢材质，要求对其焊缝进行消除应力热处理。【相关文献】1 赵敏洁硫酸烷基化技术进展几河南化工，2014，31(6):25-27.2 American Petroleum Institute.Risk-Based Inspection Technology ：API RP 581-2008S.U.S.Washington：API Publishing Services ，2 0 08 .3 欧阳健，郑明光，张绍良，等.DUPONT工艺硫酸烷基化装置的腐蚀与防护J.石油化工腐蚀与 防护，2012， 29(6):31-35.
