丙烯酸及酯裝置管材的設計選擇

王佳杰

中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設計院 吉林 132002

丙烯酸是非常重要的不飽和有機酸，主要用途是合成各種丙烯酸酯，目前高吸水性樹脂(SAP)是高純丙烯酸下游產品中最有發展前景的深加工產品,其次用于生產丙烯酸鹽。丙烯酸及酯作為有機化工極其重要的原料和中間體，廣泛用于涂料、膠粘劑、紡織、化纖、造紙、塑料、食品加工等領域，一些符合當今低碳和綠色經濟發展要求的產品，則具有更廣闊的市場空間。

1 管道材料選擇

丙烯酸及酯裝置中主要產品丙烯酸和反應產生的副產品醋酸的腐蝕性都比較強，尤其是醋酸會引起奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，因此，輸送腐蝕性工藝介質的管道材料均選用奧氏體不銹鋼(0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2)；二聚物及丙烯酸丁酯重組分的工藝介質管道材料則選用抗腐蝕性非常好的哈氏合金C-276；熱熔鹽(40%NaNO2、7%NaNO3和53%KNO3的混合物)介質因其無腐蝕性，故管道材料選用碳鋼。

由于哈氏合金C-276原材料目前國內不能生產，只能從國外采購，訂貨周期較長，所以應提早開始和完成這種材料的管道設計和采購工作，以免影響后期管道的安裝，延誤裝置開車。哈氏合金C-276價格昂貴，設計時導淋和取樣可更換材質，見圖1。閥前選用哈氏合金C-276材料，閥后選用奧氏體不銹鋼材料。這樣工藝介質的腐蝕性對管道材料既沒有影響又節省了工程費用。

圖1 導淋和取樣材質選用示意圖

2 法蘭設計

由于哈氏合金C-276的價格昂貴，因此應處理好法蘭鍛件的設計。即使口徑不大的管法蘭，也不能按照通常的設計習慣選用整體哈氏合金鍛造，而是選用了ASME B16.5中的對焊環松套法蘭。

裝置中輸送腐蝕性工藝介質的管道材料均選用奧氏體不銹鋼，而且管道公稱直徑較大，最大的管道公稱直徑為DN2000。由于有些地方需要經常拆卸，因此需要法蘭連接，最大的奧氏體不銹鋼管法蘭公稱直徑為DN1800。如果全部選用整體鍛制法蘭，價格相當驚人。通過鋼材原料價格和市場制造加工費用比較，最后得出結論：公稱直徑小于等于DN600的奧氏體不銹鋼管法蘭選用整體鍛制法蘭；公稱直徑大于DN600的奧氏體不銹鋼管法蘭選用松套法蘭，比較經濟合理。但公稱直徑大于DN600的松套法蘭，無論國內還是國外都無標準法蘭。依據這些管道的設計溫度、設計壓力，我們本著合理、安全、節約投資的原則，在保證符合國家和行業標準規范的基礎上，經SW6軟件計算，公稱直徑大于DN600的奧氏體不銹鋼管法蘭的結構形式見圖2。圖中襯環和接管采用奧氏體不銹鋼，而法蘭鍛件采用碳鋼，這樣即能保證結構強度又節省了工程費用。閥門兩端的法蘭是整體的，為解決與法蘭連接的閥門連接問題，法蘭外徑、螺柱規格、數量、孔間距參考HG/T20623-2009 B系列(或ASME B16.47 B系列)設計。但因HG/T20623-2009 B系列(或ASME B16.47 B系列)法蘭標準中最大公稱直徑為DN1500，所以裝置中用到的DN1800的法蘭外徑、螺柱規格、數量、孔間距是自行設計的。

圖2 公稱直徑大于DN600奧氏體不銹鋼管法蘭

曾對某丙烯酸及酯裝置中的奧氏體不銹鋼管法蘭做過統計，公稱直徑大于DN600的法蘭共計90片，采用圖2的結構形式比采用整體鍛制法蘭節約工程費用近100萬元，顯而易見經濟效益頗為可觀。

設計過程中應注意，由于丙烯酸及酯易聚合，所以工藝介質的管道連接不應選用承插焊法蘭。

3 熱熔鹽管道設計

丙烯酸氧化單元熱熔鹽固體儲存在熱熔鹽罐內，由壓力3.5MPa、溫度260℃的蒸汽加熱至200℃后輸送到兩個反應器的殼層，吸收丙烯與氧反應產生的熱量。當停車檢修時，熱熔鹽返回到熱熔鹽罐中，因熱熔鹽低于200℃凝固，因此熱熔鹽管線需要蒸汽夾套，通入壓力1.6MPa(G)、溫度230℃的中壓蒸汽來保證不低于熱熔鹽的凝固點。為方便檢測熱熔鹽管道的泄漏點，沒有采用通常的全夾套設計方式，采用了半管夾套結構方式，見圖3。夾套半管本身節約一半材料，還省去了夾套內管的定位板，安裝既省時又省力，投資僅是全夾套管的三分之一。

圖3 半管蒸汽夾套加熱結構

熱熔鹽的操作壓力0.2MPa(G)、操作溫度320℃～350℃，通常按標準規范規定，美洲體系法蘭壓力等級選用Class150即可，但從熱熔鹽的重要性考慮，為防止法蘭連接處泄漏，壓力等級選用了Class300。

熱熔鹽管道上的閥門只起關閉作用，不需要調節功能，因此選用了Class300的夾套閘閥。夾套閘閥需通入壓力0.2MPa(G)、溫度134℃的低壓蒸汽，保證不低于熱熔鹽的凝固點。

另外，設計過程中應注意，熱熔鹽管道宜選用無縫鋼管。

4 真空管道設計

丙烯酸及酯裝置中有很多真空管道(負壓操作)，有些口徑較大，而且是不銹鋼管道。真空管道的壁厚計算需要考慮外壓。通常管道材料等級規定中的管道壁厚是根據管道承受內壓計算的，此厚度的管子是否能夠承受外壓就需要進行核算，經核算如果不能承受外壓，有兩種解決方式：一種是增加管子的壁厚；另一種是用加強圈來縮短管子的有效長度，選用何種方式取決于經濟性。依據工藝設計條件，按照GB150.3-2011中的4.3外壓圓筒的穩定性計算(包括管子)方法，對丙烯酸及酯裝置中的全部不銹鋼真空管道進行外壓穩定性核算、壁厚經濟性比較，最后得出結論：公稱直徑大于等于1000mm的真空管道，用加強圈來縮短管子的有效長度比較經濟合理。

另外，設計過程中應注意，設置在管道上的加強圈應整圈圍繞在管道的圓周上，加強圈與管道之間可采用連續焊或間斷的焊接，當采用間斷焊時，加強圈每側間斷焊焊縫的總長度應不少于管道外圓周長的1/2，間斷焊可以相互錯開或并排布置，最大間隙為8倍的管道壁厚。

5 結語

上述介紹的幾種丙烯酸及酯裝置中管材的設計方法，已在國內多套丙烯酸及酯裝置工程設計中運用，最長的裝置已平穩運行5年多，管道歷經開車、運行、停車、檢修等生產過程，從未出現過腐蝕、泄漏及失穩現象，實踐證明這些方法是可行的，而且為業主節約了工程投資。