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耐硫酸管道材質(zhì)及壁厚的確定
以山東某煉廠烷基化項(xiàng)目為例,濃硫酸作為烷基化反應(yīng)的催化劑是重要的操作介質(zhì),所用的硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)需≥98%。其主要性能參數(shù)要達(dá)到如下指標(biāo):
在整個(gè)烷基化反應(yīng)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(yùn)和輸送93%-98%(wt)的濃硫酸,故可選取20#材質(zhì)的碳鋼鋼管進(jìn)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(shí)際連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程中管道腐蝕是非常的厲害,例如國(guó)內(nèi)某大型煉化公司烷基化裝置中這類濃度的管道材質(zhì)選用的就是20#,而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,兩三年之后管道的內(nèi)外壁腐蝕都變得很嚴(yán)重(管道外壁腐蝕是應(yīng)為裝置內(nèi)不可避免存在濃硫酸泄漏,彌漫一定濃度硫酸霧氣),甚至產(chǎn)生了穿孔,必須進(jìn)行更換,嚴(yán)重影響裝置的正常運(yùn)行,且給操作和維護(hù)人員帶來(lái)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(shè)計(jì)中選取普通不銹鋼06Cr19Ni10替代20#作為輸送這類介質(zhì)管道的主要材質(zhì)。
依據(jù)處理量需求,設(shè)計(jì)中主要涉及公稱直徑在DN50-200之間的管道。針對(duì)20#和06Cr19Ni10這兩種材質(zhì),我們進(jìn)行管道壁厚計(jì)算,并進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。
確定管道材質(zhì)后,根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50316-2000)6.2中規(guī)定,當(dāng)直管計(jì)算壁厚ts小于管子外徑D0的1/6時(shí),承受內(nèi)壓直管的計(jì)算壁厚不應(yīng)小于下式計(jì)算的值。
依據(jù)業(yè)主提供的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)輸入資料:上式中設(shè)計(jì)壓力P取0.73MPa(G),設(shè)計(jì)溫度T取40℃,[σ]t根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50316-2000)附錄A金屬管道材料的許用應(yīng)力表A.0.1進(jìn)行選取,20#為130MPa,06Cr19Ni10為114MPa。
Ej取值是根據(jù)《壓力管道規(guī)范-工業(yè)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(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50316-2000)表6.2.1進(jìn)行選取,故20#和06Cr19Ni10的取值都為0.4。
依據(jù)公式(1)、(2)、(3)進(jìn)行壁厚計(jì)算,其結(jié)果如下:
20#材質(zhì)壁厚計(jì)算結(jié)果如下:
06Cr19Ni10材質(zhì)壁厚計(jì)算結(jié)果如下:
由以上的計(jì)算結(jié)果可知:使用06Cr19Ni10材質(zhì)的管道壁厚約為20#材質(zhì)的管道壁厚的一半,相對(duì)耗材量也減少了近一半。但是當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上20#的管材市價(jià)約為6800元/噸,而06Cr19Ni10的管材市價(jià)約為32000元/噸之多,是前者的價(jià)格將近五倍。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,業(yè)主多次強(qiáng)烈要求使用20#材質(zhì)的管材,以節(jié)約一次投資成本。本著對(duì)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)的態(tài)度,及裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行、安全角度考慮,項(xiàng)目組與業(yè)主進(jìn)行了反復(fù)溝通,最終選擇06Cr19Ni10材質(zhì)作為這類管道的主材。