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）

隨著國內環保要求日益嚴格，以及油品質量標準不斷升級，烷基化油作為一種理想的高辛烷值汽油調合組分，具有不含芳烴、烯烴等非理想組分及不含硫等有害雜質的特點，已成為現階段油品質量升級中最具競爭力的產品之一。目前生產烷基化油的主要工藝裝置為硫酸烷基化裝置，伴隨著裝置的運行，硫酸作為催化劑在反應后就成為廢酸，為了降低成本及滿足環保的要求，需要將廢酸進行再生處理。在廢酸再生處理裝置中，硫酸對管道和設備的腐蝕影響裝置的安全運行。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運行。

1 廢酸再生處理裝置的腐蝕

在廢酸再生處理裝置中，發生的腐蝕主要是硫酸腐蝕和煙氣露點腐蝕。該裝置中既有質量分數為1%～5%的稀硫酸，也有質量分數為98%的濃硫酸，同時還有質量分數在87%左右的廢酸。硫酸對金屬材料的腐蝕主要是電化學腐蝕，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備產生很嚴重的腐蝕，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，即當硫酸的質量分數＜85%時，其腐蝕性隨著硫酸質量分數的增大而增強；當硫酸的質量分數＞85%時，其腐蝕性隨著硫酸質量分數的增大而迅速減弱。在室溫下，質量分數為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。此外，隨著溫度和硫酸質量分數的變化，硫酸表現出不同的特性，當硫酸質量分數為0～65%時，在高低溫下均呈還原性；當硫酸質量分數為65%～85%時，在低溫下呈還原性，在高溫或沸點溫度下則呈現出氧化性；當硫酸質量分數為85%～100%時，在任何溫度下都呈氧化性［2］。此外，介質的流速、流動狀態以及酸中雜質（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，管道材質應根據不同的工況條件進行選擇，目前常用的管道材質主要有以下四種：襯塑鋼、高硅不銹鋼、奧氏體不銹鋼（結合陽極保護）和玻璃鋼。

2.1 襯塑鋼

在廢酸再生處理裝置中，輸送質量分數為98%的硫酸的管道，其操作溫度最高可達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，一般優先選用襯塑鋼管，即以鋼管為基管，內襯聚四氟乙烯。

襯塑鋼管的優點是既具有金屬管道的強度和剛度，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：（1）襯塑鋼管內襯層的加工需要強有力的技術支撐，否則在使用過程中會出現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，顯著增加了現場法蘭連接的數量，從而增加了介質泄漏的潛在風險。（3）襯塑鋼管的生產制造比較麻煩，需要生產制造單位依據設計單位的管段圖進行二次設計轉化，依據管道分段圖紙進行制造，以方便現場的安裝，但是在現場施工中，由于施工的誤差，會出現與設計圖紙不符的情況而需要設置調節段，而這部分調節段在現場無法加工，只能在制造廠內加工生產再發至現場，增加了工期的不確定性。（4）對于大口徑管道，襯塑鋼管的生產制造也會出現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，有研究認為，在氧化性介質中，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，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境中具有廣闊的應用前景。目前應用的高硅不銹鋼主要有SANDVIK公司開發的SX鋼、杜邦MECS公司開發的Zecor系列鋼及國內宣達實業集團有限公司開發的XDS高硅奧氏體不銹鋼，這些高硅不銹鋼在質量分數為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用，與襯塑鋼和普通不銹鋼相比，其主要優點體現在：（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，同時可對焊縫進行無損檢測。（3）可以確保裝置運行更加安全和潔凈。由于采用焊接連接，大大減少了現場法蘭連接的數量，從而減少了管道潛在的泄漏點，降低了介質泄漏風險。（4）現場施工和后期維護比較方便。但是高硅不銹鋼在應用中也有缺點，由于目前大多數高硅不銹鋼都屬于專利產品，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，市場獲得性和經濟性較差。

2.3 奧氏體不銹鋼+陽極保護

金屬在硫酸中的腐蝕是電化學腐蝕，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，當其正移到致鈍電位或流經金屬的外部電流密度達到致鈍電流密度時，金屬將發生陽極鈍化現象。當電位進入穩定鈍化區時，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，設備因此而得到保護，這種防護方法稱為陽極保護［2］。不銹鋼管道陽極保護系統以管道內壁為陽極，在管道上設置陰極，二者通過電解質濃硫酸形成回路；同時通過陽極保護控制儀對管道施加陽極保護電流，并在管道上設置監測電極，對管道內壁電位進行控制和監測，使其維持在鈍化電位區間內，從而使金屬表面形成穩定的鈍化膜，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系統主要應用于硫酸質量分數為 93.0% ～99.2%，操作溫度為 50～72℃的高溫濃硫酸管道。采用陽極保護系統后，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系統除了同樣具有現場法蘭泄漏點較少及管道安裝便利的優點之外，還具有投資成本較低的優勢；同時，與襯塑鋼管相比，其適用的管道口徑會更大，更有利于現場的施工及維護。奧氏體不銹鋼陽極保護系統的缺點是：（1）基本不適用于公稱直徑≤DN80的管道，因為對于小口徑的管道，采用陽極保護時，電極的設置會不方便，而這也正好與襯塑管道形成了互補。（2）陽極保護系統也需要供貨單位的二次設計，需要依據管道的布置及走向、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的分散能力、陽極與陰極的面積比以及陽極的布置與數量等，同時需要專業的施工隊伍來進行陽極保護系統的安裝施工。

2.4 玻璃鋼

玻璃鋼是由玻璃纖維與合成樹脂復合而成的材料，屬于玻璃纖維增強型復合材料，即采用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環氧樹脂或酚醛樹脂基體的材料。在低濃度硫酸環境中，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量分數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量有很大的影響。為了滿足廢酸處理裝置長周期安全運行的要求，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材料，此外，還需對其防腐層、增強層和表面層的厚度及樹脂含量做出明確規定，以保證玻璃鋼管的產品質量。

玻璃鋼的優點在于：質量輕，強度較高，具有良好的耐硫酸腐蝕能力，此外其生產制造周期短，有利于現場施工。玻璃鋼的缺點在于：（1）剛性不足，彈性模量低，在生產制造大口徑管道時材料容易變形，這就需要通過增加加強筋和管道支撐來彌補。（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生老化現象，影響其正常使用。（4）玻璃鋼現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量，因此施工完畢后的質量檢查就顯得至關重要。

3 結 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煙氣的露點腐蝕。在廢酸再生處理裝置中，含硫酸介質管道的選材，主要根據操作溫度、硫酸濃度及流速等工況條件，同時考慮管道尺寸、施工質量的保證、施工的便利性和經濟性等因素，從襯塑鋼、高硅不銹鋼、奧氏體不銹鋼（結合陽極保護）和玻璃鋼等四種材料中進行選擇。

（2）襯塑鋼強度高、耐蝕性能好，但易泄漏、現場施工不便，且大口徑管道的襯塑質量不易保證；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合陽極保護，耐蝕性能好、經濟性較好，但不適用于小口徑管道，且施工專業性要求高；玻璃鋼經濟性好，但剛性、耐溫性及耐紫外線老化性能差，且現場連接質量不易保證。

（3）在實際工程實踐中，應根據具體的情況和規范要求進行選材，做到揚長避短，從而保證管道選材的合理性和經濟性。