丙烯酸及酯装置管材的设计选择

王佳杰

中国石油集团东北炼化工程有限公司吉林设计院 吉林 132002

丙烯酸是非常重要的不饱和有机酸，主要用途是合成各种丙烯酸酯，目前高吸水性树脂(SAP)是高纯丙烯酸下游产品中最有发展前景的深加工产品,其次用于生产丙烯酸盐。丙烯酸及酯作为有机化工极其重要的原料和中间体，广泛用于涂料、胶粘剂、纺织、化纤、造纸、塑料、食品加工等领域，一些符合当今低碳和绿色经济发展要求的产品，则具有更广阔的市场空间。

1 管道材料选择

丙烯酸及酯装置中主要产品丙烯酸和反应产生的副产品醋酸的腐蚀性都比较强，尤其是醋酸会引起奥氏体不锈钢的晶间腐蚀，因此，输送腐蚀性工艺介质的管道材料均选用奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2)；二聚物及丙烯酸丁酯重组分的工艺介质管道材料则选用抗腐蚀性非常好的哈氏合金C-276；热熔盐(40%NaNO2、7%NaNO3和53%KNO3的混合物)介质因其无腐蚀性，故管道材料选用碳钢。

由于哈氏合金C-276原材料目前国内不能生产，只能从国外采购，订货周期较长，所以应提早开始和完成这种材料的管道设计和采购工作，以免影响后期管道的安装，延误装置开车。哈氏合金C-276价格昂贵，设计时导淋和取样可更换材质，见图1。阀前选用哈氏合金C-276材料，阀后选用奥氏体不锈钢材料。这样工艺介质的腐蚀性对管道材料既没有影响又节省了工程费用。

图1 导淋和取样材质选用示意图

2 法兰设计

由于哈氏合金C-276的价格昂贵，因此应处理好法兰锻件的设计。即使口径不大的管法兰，也不能按照通常的设计习惯选用整体哈氏合金锻造，而是选用了ASME B16.5中的对焊环松套法兰。

装置中输送腐蚀性工艺介质的管道材料均选用奥氏体不锈钢，而且管道公称直径较大，最大的管道公称直径为DN2000。由于有些地方需要经常拆卸，因此需要法兰连接，最大的奥氏体不锈钢管法兰公称直径为DN1800。如果全部选用整体锻制法兰，价格相当惊人。通过钢材原料价格和市场制造加工费用比较，最后得出结论：公称直径小于等于DN600的奥氏体不锈钢管法兰选用整体锻制法兰；公称直径大于DN600的奥氏体不锈钢管法兰选用松套法兰，比较经济合理。但公称直径大于DN600的松套法兰，无论国内还是国外都无标准法兰。依据这些管道的设计温度、设计压力，我们本着合理、安全、节约投资的原则，在保证符合国家和行业标准规范的基础上，经SW6软件计算，公称直径大于DN600的奥氏体不锈钢管法兰的结构形式见图2。图中衬环和接管采用奥氏体不锈钢，而法兰锻件采用碳钢，这样即能保证结构强度又节省了工程费用。阀门两端的法兰是整体的，为解决与法兰连接的阀门连接问题，法兰外径、螺柱规格、数量、孔间距参考HG/T20623-2009 B系列(或ASME B16.47 B系列)设计。但因HG/T20623-2009 B系列(或ASME B16.47 B系列)法兰标准中最大公称直径为DN1500，所以装置中用到的DN1800的法兰外径、螺柱规格、数量、孔间距是自行设计的。

图2 公称直径大于DN600奥氏体不锈钢管法兰

曾对某丙烯酸及酯装置中的奥氏体不锈钢管法兰做过统计，公称直径大于DN600的法兰共计90片，采用图2的结构形式比采用整体锻制法兰节约工程费用近100万元，显而易见经济效益颇为可观。

设计过程中应注意，由于丙烯酸及酯易聚合，所以工艺介质的管道连接不应选用承插焊法兰。

3 热熔盐管道设计

丙烯酸氧化单元热熔盐固体储存在热熔盐罐内，由压力3.5MPa、温度260℃的蒸汽加热至200℃后输送到两个反应器的壳层，吸收丙烯与氧反应产生的热量。当停车检修时，热熔盐返回到热熔盐罐中，因热熔盐低于200℃凝固，因此热熔盐管线需要蒸汽夹套，通入压力1.6MPa(G)、温度230℃的中压蒸汽来保证不低于热熔盐的凝固点。为方便检测热熔盐管道的泄漏点，没有采用通常的全夹套设计方式，采用了半管夹套结构方式，见图3。夹套半管本身节约一半材料，还省去了夹套内管的定位板，安装既省时又省力，投资仅是全夹套管的三分之一。

图3 半管蒸汽夹套加热结构

热熔盐的操作压力0.2MPa(G)、操作温度320℃～350℃，通常按标准规范规定，美洲体系法兰压力等级选用Class150即可，但从热熔盐的重要性考虑，为防止法兰连接处泄漏，压力等级选用了Class300。

热熔盐管道上的阀门只起关闭作用，不需要调节功能，因此选用了Class300的夹套闸阀。夹套闸阀需通入压力0.2MPa(G)、温度134℃的低压蒸汽，保证不低于热熔盐的凝固点。

另外，设计过程中应注意，热熔盐管道宜选用无缝钢管。

4 真空管道设计

丙烯酸及酯装置中有很多真空管道(负压操作)，有些口径较大，而且是不锈钢管道。真空管道的壁厚计算需要考虑外压。通常管道材料等级规定中的管道壁厚是根据管道承受内压计算的，此厚度的管子是否能够承受外压就需要进行核算，经核算如果不能承受外压，有两种解决方式：一种是增加管子的壁厚；另一种是用加强圈来缩短管子的有效长度，选用何种方式取决于经济性。依据工艺设计条件，按照GB150.3-2011中的4.3外压圆筒的稳定性计算(包括管子)方法，对丙烯酸及酯装置中的全部不锈钢真空管道进行外压稳定性核算、壁厚经济性比较，最后得出结论：公称直径大于等于1000mm的真空管道，用加强圈来缩短管子的有效长度比较经济合理。

另外，设计过程中应注意，设置在管道上的加强圈应整圈围绕在管道的圆周上，加强圈与管道之间可采用连续焊或间断的焊接，当采用间断焊时，加强圈每侧间断焊焊缝的总长度应不少于管道外圆周长的1/2，间断焊可以相互错开或并排布置，最大间隙为8倍的管道壁厚。

5 结语

上述介绍的几种丙烯酸及酯装置中管材的设计方法，已在国内多套丙烯酸及酯装置工程设计中运用，最长的装置已平稳运行5年多，管道历经开车、运行、停车、检修等生产过程，从未出现过腐蚀、泄漏及失稳现象，实践证明这些方法是可行的，而且为业主节约了工程投资。