硫酸烷基化废酸再生处理装置管道材料的选择

王晓伟

（中石化广州工程有限公司，广东广州510620）

随着国内环保要求日益严格，以及油品质量标准不断升级，烷基化油作为一种理想的高辛烷值汽油调合组分，具有不含芳烃、烯烃等非理想组分及不含硫等有害杂质的特点，已成为现阶段油品质量升级中最具竞争力的产品之一。目前生产烷基化油的主要工艺装置为硫酸烷基化装置，伴随着装置的运行，硫酸作为催化剂在反应后就成为废酸，为了降低成本及满足环保的要求，需要将废酸进行再生处理。在废酸再生处理装置中，硫酸对管道和设备的腐蚀影响装置的安全运行。通过分析废酸再生处理装置中硫酸对管道的腐蚀情况及影响因素，提出有针对性的选材方案，有效地保障了装置的平稳运行。

1 废酸再生处理装置的腐蚀

在废酸再生处理装置中，发生的腐蚀主要是硫酸腐蚀和烟气露点腐蚀。该装置中既有质量分数为1%～5%的稀硫酸，也有质量分数为98%的浓硫酸，同时还有质量分数在87%左右的废酸。硫酸对金属材料的腐蚀主要是电化学腐蚀，原因是硫酸中含有大量氢离子，对金属材料的阴极有很强的去极化作用，可以迅速溶解金属［1］。硫酸在特定条件下可对管道和设备产生很严重的腐蚀，其中硫酸的浓度和温度是影响其腐蚀的两个最重要的因素。由于硫酸在水中分两级离解，所以其腐蚀具有一个明显的特点，即当硫酸的质量分数＜85%时，其腐蚀性随着硫酸质量分数的增大而增强；当硫酸的质量分数＞85%时，其腐蚀性随着硫酸质量分数的增大而迅速减弱。在室温下，质量分数为98%的硫酸对金属的腐蚀性很小，但随着温度的升高其腐蚀性逐渐增强。此外，随着温度和硫酸质量分数的变化，硫酸表现出不同的特性，当硫酸质量分数为0～65%时，在高低温下均呈还原性；当硫酸质量分数为65%～85%时，在低温下呈还原性，在高温或沸点温度下则呈现出氧化性；当硫酸质量分数为85%～100%时，在任何温度下都呈氧化性［2］。此外，介质的流速、流动状态以及酸中杂质（特别是氧气或氧化剂）的存在对腐蚀也有显著影响。

2 管道选材

在废酸再生处理装置中，管道材质应根据不同的工况条件进行选择，目前常用的管道材质主要有以下四种：衬塑钢、高硅不锈钢、奥氏体不锈钢（结合阳极保护）和玻璃钢。

2.1 衬塑钢

在废酸再生处理装置中，输送质量分数为98%的硫酸的管道，其操作温度最高可达75℃，在此工况下，常用的金属材料如碳钢和不锈钢等的耐硫酸腐蚀能力较弱，而聚四氟乙烯（PTFE）则对硫酸有很好的耐腐蚀能力，因此，一般优先选用衬塑钢管，即以钢管为基管，内衬聚四氟乙烯。

衬塑钢管的优点是既具有金属管道的强度和刚度，又具有聚四氟乙烯的良好的耐硫酸腐蚀性能，且相对于其他耐高温硫酸腐蚀的金属材料来说，其制造成本较低，性价比高。但是衬塑钢管也有其自身的缺点：（1）衬塑钢管内衬层的加工需要强有力的技术支撑，否则在使用过程中会出现衬里层与钢管剥离的情况，造成管道的腐蚀泄漏。（2）衬塑钢管不能直接焊接，直管、管件和阀门等元件均需采用法兰连接，显著增加了现场法兰连接的数量，从而增加了介质泄漏的潜在风险。（3）衬塑钢管的生产制造比较麻烦，需要生产制造单位依据设计单位的管段图进行二次设计转化，依据管道分段图纸进行制造，以方便现场的安装，但是在现场施工中，由于施工的误差，会出现与设计图纸不符的情况而需要设置调节段，而这部分调节段在现场无法加工，只能在制造厂内加工生产再发至现场，增加了工期的不确定性。（4）对于大口径管道，衬塑钢管的生产制造也会出现衬里层与钢管剥离的问题，从而限制了其在大口径管道上的应用。

2.2 高硅不锈钢

在140℃或更高温度的条件下，高硅不锈钢对硫酸具有较好的耐蚀性，有研究认为，在氧化性介质中，铬在不锈钢表面生成Cr2O3氧化膜，能提高不锈钢的耐硫酸腐蚀能力，而硅在不锈钢表面则形成富硅的SiO2非晶氧化膜，可通过抑制阴极反应，减缓硫酸的均匀腐蚀和晶间腐蚀［3］。高硅不锈钢在高温浓硫酸环境中具有广阔的应用前景。目前应用的高硅不锈钢主要有SANDVIK公司开发的SX钢、杜邦MECS公司开发的Zecor系列钢及国内宣达实业集团有限公司开发的XDS高硅奥氏体不锈钢，这些高硅不锈钢在质量分数为98%的硫酸及高温工况下，腐蚀速率均可控制在0.025 mm／a以下。高硅不锈钢在MECS公司的废酸再生处理装置中得到了广泛应用，与衬塑钢和普通不锈钢相比，其主要优点体现在：（1）高硅不锈钢耐腐蚀性能好，使用寿命长，即使在硫酸高流速工况下，其腐蚀速率也非常低。（2）可以保证施工质量。高硅不锈钢是金属材料，可采用焊接连接，同时可对焊缝进行无损检测。（3）可以确保装置运行更加安全和洁净。由于采用焊接连接，大大减少了现场法兰连接的数量，从而减少了管道潜在的泄漏点，降低了介质泄漏风险。（4）现场施工和后期维护比较方便。但是高硅不锈钢在应用中也有缺点，由于目前大多数高硅不锈钢都属于专利产品，且本身价格昂贵，某些管道元件如法兰等成本较高，大量使用会导致装置投资成本增加，另外，阀门等管道配件不易采购，市场获得性和经济性较差。

2.3 奥氏体不锈钢+阳极保护

金属在硫酸中的腐蚀是电化学腐蚀，其特征是金属失去电子而被溶解。在腐蚀的过程中，金属有一个腐蚀电位，相应的有一定的腐蚀电流。在外加阳极电流作用下，金属电位向正方向移动，当其正移到致钝电位或流经金属的外部电流密度达到致钝电流密度时，金属将发生阳极钝化现象。当电位进入稳定钝化区时，再对金属施以一个维钝电流，则阳极腐蚀过程受到抑制，而使金属的腐蚀速率显著降低，设备因此而得到保护，这种防护方法称为阳极保护［2］。不锈钢管道阳极保护系统以管道内壁为阳极，在管道上设置阴极，二者通过电解质浓硫酸形成回路；同时通过阳极保护控制仪对管道施加阳极保护电流，并在管道上设置监测电极，对管道内壁电位进行控制和监测，使其维持在钝化电位区间内，从而使金属表面形成稳定的钝化膜，降低浓硫酸对不锈钢管道的腐蚀速率。不锈钢管道阳极保护系统主要应用于硫酸质量分数为 93.0% ～99.2%，操作温度为 50～72℃的高温浓硫酸管道。采用阳极保护系统后，不锈钢管道的腐蚀速率可控制在0.05 mm／a以下。与高硅奥氏体不锈钢相比，奥氏体不锈钢阳极保护系统除了同样具有现场法兰泄漏点较少及管道安装便利的优点之外，还具有投资成本较低的优势；同时，与衬塑钢管相比，其适用的管道口径会更大，更有利于现场的施工及维护。奥氏体不锈钢阳极保护系统的缺点是：（1）基本不适用于公称直径≤DN80的管道，因为对于小口径的管道，采用阳极保护时，电极的设置会不方便，而这也正好与衬塑管道形成了互补。（2）阳极保护系统也需要供货单位的二次设计，需要依据管道的布置及走向、硫酸的浓度和温度以及流体的流速和流动特性来考虑阳极保护的分散能力、阳极与阴极的面积比以及阳极的布置与数量等，同时需要专业的施工队伍来进行阳极保护系统的安装施工。

2.4 玻璃钢

玻璃钢是由玻璃纤维与合成树脂复合而成的材料，属于玻璃纤维增强型复合材料，即采用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂或酚醛树脂基体的材料。在低浓度硫酸环境中，玻璃钢具有较好的耐腐蚀能力，所以在废酸处理装置中其使用部位为含硫酸质量分数1%～5%的管道或含SO2和SO3的烟气管道。玻璃钢管在制造过程中其原料性能对玻璃钢管的质量有很大的影响。为了满足废酸处理装置长周期安全运行的要求，玻璃钢管的基体树脂一般选用乙烯基酯树脂，同时选用无碱玻璃纤维作为增强材料，此外，还需对其防腐层、增强层和表面层的厚度及树脂含量做出明确规定，以保证玻璃钢管的产品质量。

玻璃钢的优点在于：质量轻，强度较高，具有良好的耐硫酸腐蚀能力，此外其生产制造周期短，有利于现场施工。玻璃钢的缺点在于：（1）刚性不足，弹性模量低，在生产制造大口径管道时材料容易变形，这就需要通过增加加强筋和管道支撑来弥补。（2）长期耐温性能比较差，一般只适用于100℃以下的场合。（3）容易老化，玻璃钢长期露天使用，由于紫外线的作用易发生老化现象，影响其正常使用。（4）玻璃钢现场施工接口处基本都采用人工手糊连接，无法保证管道连接处的质量，因此施工完毕后的质量检查就显得至关重要。

3 结 论

（1）在硫酸烷基化废酸再生处理装置的管道中存在稀硫酸和浓硫酸的腐蚀，同时还存在含SO2和SO3烟气的露点腐蚀。在废酸再生处理装置中，含硫酸介质管道的选材，主要根据操作温度、硫酸浓度及流速等工况条件，同时考虑管道尺寸、施工质量的保证、施工的便利性和经济性等因素，从衬塑钢、高硅不锈钢、奥氏体不锈钢（结合阳极保护）和玻璃钢等四种材料中进行选择。

（2）衬塑钢强度高、耐蚀性能好，但易泄漏、现场施工不便，且大口径管道的衬塑质量不易保证；高硅不锈钢耐蚀性能好、施工方便，但价格较高；普通奥氏体不锈钢结合阳极保护，耐蚀性能好、经济性较好，但不适用于小口径管道，且施工专业性要求高；玻璃钢经济性好，但刚性、耐温性及耐紫外线老化性能差，且现场连接质量不易保证。

（3）在实际工程实践中，应根据具体的情况和规范要求进行选材，做到扬长避短，从而保证管道选材的合理性和经济性。