耐硫酸管材的選用

張藝賓 王云（蘭州寰球工程公司，甘肅 蘭州 730060）

1 概述

硫酸作為重要的工業原料，用途非常的廣泛，廣泛應用于石油化工行業的許多方面。但是，同時它也是腐蝕性最強烈酸介質之一。硫酸在石油化工業上主要應用的有稀硫酸、濃硫酸和發煙硫酸。由于硫酸具有強腐蝕性，對生產和使用硫酸的設備造成嚴重腐蝕。為了防止和減輕這種腐蝕，保證裝置的正常平穩運行，并節約設備管材投資，需根據硫酸的工況做合理材質的選擇。

2 幾種常用、典型耐硫酸材質的簡介

2.1 普通碳鋼和鑄鐵

濃硫酸具有氧化性，碳鋼在其中會被鈍化，因此碳鋼可以輸送濃硫酸，一般的氧化劑也不會對其的腐蝕性造成影響，如暴漏在空氣的的濃硫酸依然不會對鋼鐵造成腐蝕。一旦硫酸的濃度低于68%，其不再具有氧化性，碳鋼在稀硫酸環境下因表面不能生成氧化膜而被嚴重腐蝕。因此，這種較為便宜的材料大量使用于80%-100%（wt）濃度的硫酸，溫度也可達到60℃。但是在65%-80%（wt）濃度的硫酸中，腐蝕率則會迅速上升。所以，在65%-80%（wt）濃度的硫酸中，需要考慮其他耐腐蝕的材質。另外溫度對介質的腐蝕性有很大影響，在65℃以上的硫酸環境中，一般不再使用碳鋼來存儲和輸送各種濃度硫酸。

2.2 高硅鐵

高硅鐵主要的成分為含碳和含硅的鐵合金，它不和鉻和鎳等貴重金屬，并具有很好的奶腐蝕性，這類材質對一切濃度和溫度（至沸點）的硫酸都有優良的耐蝕性，用途相對廣泛，主要用于高溫和輪番接觸稀、濃硫酸的操作。缺點是抗熱震動能力差，機械性能不好，不易加工和焊接，且若硫酸中若含有氟、氟化物、亞硫酸等時，腐蝕嚴重加劇。

圖1.濃度、溫度對碳鋼的耐硫酸腐蝕性的影響曲線

圖2.濃度、溫度對高硅鐵的耐硫酸腐蝕性的影響曲線

2.3 不銹鋼（主要指鉻18鎳9不銹鋼）

可以使用于常溫下5%（wt）濃度以下的稀硫酸和90%（wt）濃度以上的濃硫酸，鉻鎳鋼的耐蝕性和機械性能都超過單純鉻鋼。含鉬的鉻鎳鋼耐蝕性則相對更好，但使用溫度也不宜超過50-70℃。同時它也不適合中等濃度的硫酸和發煙硫酸，且不適合應用于一切濃度的不充氣的硫酸。同時，也要處理好與普通碳鋼接觸時的晶間腐蝕問題。

2.4 高合金鋼不銹鋼（20號合金）

這類合金鋼因鉻、鎳含量較高（均≧20%），所以耐蝕性比普通不銹鋼更高。對常溫下任何濃度的硫酸和發煙酸都具有良好的耐蝕性。但是隨著溫度的升高，腐蝕率升高很快。但是在高溫下操作，需要小心維護。20號合金的耐蝕性雖不及高硅鐵，且價格昂貴，但是強度高，加工性良好，故實際應用也相對比較廣泛。

2.5 鉛和鉛合金

對室溫、96%（wt）以下濃度的硫酸都有較好的耐蝕性，對80%以下的稀酸，適用溫度也可達210℃。但是不耐濃硫酸，因為硫酸鉛會在濃酸中溶解。且鉛比較軟，實際工業中主要應用于鉛室制硫酸。但是它軟而強度低,易于磨損,因此高速酸或含有固體雜質的介質往往會破壞其表面的硫酸鉛保護膜,使鉛加速腐蝕,所以鉛不宜制作泵,也很少用作閥。

2.6 銅和銅合金

銅及銅合金在還原性的稀硫酸中是十分穩定的,因為它們具有較氫高得多的電極電位,在稀硫酸中就不易發生折氫腐蝕反應,這就使得銅及銅合金在稀硫酸中具有較其他工程合金好得多的耐蝕性。但是銅及銅合金對氧化性雜質比較敏感，當稀硫酸中含有氧、硝酸、鉻酸氯氣次氯酸鹽、氯化亞銅氯化鐵硫化鐵以及氨鹽時都會加速銅及銅合金的腐蝕。在具有氧化性的濃硫酸中銅及銅合金也不耐蝕。

2.7 非金屬材料

很多非金屬材料對硫酸的具有較好的耐腐蝕性，但是其強度不及金屬材料好、如塑料不僅容易老化,而且在稍高溫度時即易產生蠕變破壞。玻璃、陶瓷則很脆。另外也要注意,一些非金屬材料,如塑料和合成橡膠等的耐蝕性也和金屬材料一樣受它們的成份、增塑劑和填料等的影響而變化。因此不同牌號的非金屬材料的耐蝕性能應該在給定的腐蝕條件下試驗確定。

3 耐硫酸管道材質及壁厚的確定

以山東某煉廠烷基化項目為例，濃硫酸作為烷基化反應的催化劑是重要的操作介質，所用的硫酸質量分數需≥98%。其主要性能參數要達到如下指標:

品質主要參數灰分質量分數%≦鉛的質量分數%≦游離的三氧化硫的質量分數%≧------鐵的質量分數%≦砷的質量分數%≦汞的質量分數%≦色度/ml≦透明度/mm≧優等品一等品0.02 0.03 0.005 0.01 0.0001 0.005 0.001 0.01 0.005 0.02 80 50 2.0 2.0

在整個烷基化反應中主要存在以下三種濃度的硫酸:-98%的濃硫酸，-93%（wt）的廢濃硫酸以及≦1%（wt）的稀硫酸。

普通碳鋼就能可用于貯存、裝運和輸送93%-98%（wt）的濃硫酸，故可選取20#材質的碳鋼鋼管進行密閉輸送。但是≦1%（wt）濃度的微量硫酸雖然濃度非常低，但是卻具有一定的腐蝕性。若選用20#的管材，則在實際連續生產的過程中管道腐蝕是非常的厲害，例如國內某大型煉化公司烷基化裝置中這類濃度的管道材質選用的就是20#，而在實際生產過程中，兩三年之后管道的內外壁腐蝕都變得很嚴重（管道外壁腐蝕是應為裝置內不可避免存在濃硫酸泄漏，彌漫一定濃度硫酸霧氣），甚至產生了穿孔，必須進行更換，嚴重影響裝置的正常運行，且給操作和維護人員帶來較大的安全隱患。

鉻鎳不銹鋼則可以使用于常溫下≦5%（wt）濃度的稀硫酸。故在設計中選取普通不銹鋼06Cr19Ni10替代20#作為輸送這類介質管道的主要材質。

依據處理量需求，設計中主要涉及公稱直徑在DN50-200之間的管道。針對20#和06Cr19Ni10這兩種材質，我們進行管道壁厚計算，并進行數據比較。

確定管道材質后，根據《工業金屬管道設計規范》（GB50316-2000）6.2中規定，當直管計算厚度ts小于管子外徑Do的1/6時，承受內壓直管的計算厚度不應小于下式計算的值。

依據業主提供的基礎設計輸入資料:上式中設計壓力P取0.73MPa(G)，設計溫度T取40℃根據《工業金屬管道設計規范》（GB50316-2000）附錄A金屬管道材料的許用應力表A.0.1進行選取，20#為130MPa，06Cr19Ni10為114MPa。

Ej取值是根據《壓力管道規范-工業管道第2部分:材料》（GB/T20801.2-2006）表A.3，故20#和06Cr19Ni10的取值都為1。

Y根據《工業金屬管道設計規范》（GB50316-2000）表6.2.1進行選取，故20#和06Cr19Ni10的取值都為0.4。

依據公式（1）、（2）（、3）進行壁厚計算，其結果如下:

20#材質壁厚計算結果如下:

材質 2公稱直徑 5 0設計內壓計算壁厚0.73 1.0管子外徑0.4 0#2 0.4 60.3許用應力88.9溫度系數130 0#80 130最大負偏差12.5%12.5%腐蝕余量 3 3螺紋深度 0 0焊縫系數1.0 0.73 0.16 9 0.24 9最終壁厚3.56 5 3.65 5

20#20#20#100 114.3 168.3 219.1 0.73 0.73 130 150 0.4 130 3 3 3 0.4 0 0 0 0.73 1.0 1.0 200 130 0.4 12.5%12.5%12.5%1.0 0.32 0 0.47 1 0.61 4 3.73 5 3.90 5 4.06 5

06Cr19Ni10材質壁厚計算結果如下:

材質 2設計內壓最終壁厚許用應力公程直徑 5 0管子外徑計算壁厚0.4 1.5 0.73 60.3 0#2 1.0 0#0#2 0.73 114 0.4 80 1.5 114 1.0 0.4 100 1.5 1.0 0#2 114 114 0.4 0#2 150 1.5 88.9 114.3 168.3 219.1 1.0 0.73溫度系數0.4 114 0.73最大負偏差12.5%12.5%12.5%12.5%12.5%0.73腐蝕余量1.5 200螺紋深度 0 0 0 0 0焊縫系數1.0 0.19 3 0.28 4 0.36 5 0.53 7 0.70 0 1.90 4 2.00 7 2.09 9 2.29 3 2.47 5

由以上的計算結果可知:使用06Cr19Ni10材質的管道壁厚約為20#材質的管道壁厚的一半，相對耗材量也減少了近一半。但是當時市場上20#的管材市價約為6800元/噸，而06Cr19Ni10的管材市價約為32000元/噸之多，是前者的價格將近五倍。在設計過程中，業主多次強烈要求使用20#材質的管材，以節約一次投資成本。本著對設計負責的態度，及裝置的長周期運行、安全角度考慮，項目組與業主進行了反復溝通，最終選擇06Cr19Ni10材質作為這類管道的主材。

4 結語

正確選材是最重要也是最常用的防腐蝕方法。硫酸最為一類比較特殊的腐蝕性介質，在煉油化工中尚有一定的應用。故在選材過程中，要從材料的化學性能、耐蝕性、物理、力學、加工工藝及經濟效果的優越等多方面綜合考慮，最終選出既能夠滿足工藝需求又物美價廉的材質，這也是我們設計選材的最高追求。

[1]左景伊,左禹.腐蝕數據與選材手冊[M]，化學工業出版社，1995.10:99-115.

[2]GB/T8163-2008輸送流體用無縫鋼管[S].

[3]GB/T14976-2002流體輸送用不銹鋼無縫鋼管[S].