王佳杰

中國石油集團東北煉化工程有限公司吉林設(shè)計院 吉林 132002

丙烯酸是非常重要的不飽和有機酸，主要用途是合成各種丙烯酸酯，目前高吸水性樹脂(SAP)是高純丙烯酸下游產(chǎn)品中最有發(fā)展前景的深加工產(chǎn)品,其次用于生產(chǎn)丙烯酸鹽。丙烯酸及酯作為有機化工極其重要的原料和中間體，廣泛用于涂料、膠粘劑、紡織、化纖、造紙、塑料、食品加工等領(lǐng)域，一些符合當今低碳和綠色經(jīng)濟發(fā)展要求的產(chǎn)品，則具有更廣闊的市場空間。

1 管道材料選擇

丙烯酸及酯裝置中主要產(chǎn)品丙烯酸和反應產(chǎn)生的副產(chǎn)品醋酸的腐蝕性都比較強，尤其是醋酸會引起奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕，因此，輸送腐蝕性工藝介質(zhì)的管道材料均選用奧氏體不銹鋼(0Cr18Ni9、00Cr19Ni10、0Cr17Ni12Mo2、00Cr17Ni14Mo2)；二聚物及丙烯酸丁酯重組分的工藝介質(zhì)管道材料則選用抗腐蝕性非常好的哈氏合金C-276；熱熔鹽(40%NaNO2、7%NaNO3和53%KNO3的混合物)介質(zhì)因其無腐蝕性，故管道材料選用碳鋼。

由于哈氏合金C-276原材料目前國內(nèi)不能生產(chǎn)，只能從國外采購，訂貨周期較長，所以應提早開始和完成這種材料的管道設(shè)計和采購工作，以免影響后期管道的安裝，延誤裝置開車。哈氏合金C-276價格昂貴，設(shè)計時導淋和取樣可更換材質(zhì)，見圖1。閥前選用哈氏合金C-276材料，閥后選用奧氏體不銹鋼材料。這樣工藝介質(zhì)的腐蝕性對管道材料既沒有影響又節(jié)省了工程費用。

圖1 導淋和取樣材質(zhì)選用示意圖

2 法蘭設(shè)計

由于哈氏合金C-276的價格昂貴，因此應處理好法蘭鍛件的設(shè)計。即使口徑不大的管法蘭，也不能按照通常的設(shè)計習慣選用整體哈氏合金鍛造，而是選用了ASME B16.5中的對焊環(huán)松套法蘭。

裝置中輸送腐蝕性工藝介質(zhì)的管道材料均選用奧氏體不銹鋼，而且管道公稱直徑較大，最大的管道公稱直徑為DN2000。由于有些地方需要經(jīng)常拆卸，因此需要法蘭連接，最大的奧氏體不銹鋼管法蘭公稱直徑為DN1800。如果全部選用整體鍛制法蘭，價格相當驚人。通過鋼材原料價格和市場制造加工費用比較，最后得出結(jié)論：公稱直徑小于等于DN600的奧氏體不銹鋼管法蘭選用整體鍛制法蘭；公稱直徑大于DN600的奧氏體不銹鋼管法蘭選用松套法蘭，比較經(jīng)濟合理。但公稱直徑大于DN600的松套法蘭，無論國內(nèi)還是國外都無標準法蘭。依據(jù)這些管道的設(shè)計溫度、設(shè)計壓力，我們本著合理、安全、節(jié)約投資的原則，在保證符合國家和行業(yè)標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，經(jīng)SW6軟件計算，公稱直徑大于DN600的奧氏體不銹鋼管法蘭的結(jié)構(gòu)形式見圖2。圖中襯環(huán)和接管采用奧氏體不銹鋼，而法蘭鍛件采用碳鋼，這樣即能保證結(jié)構(gòu)強度又節(jié)省了工程費用。閥門兩端的法蘭是整體的，為解決與法蘭連接的閥門連接問題，法蘭外徑、螺柱規(guī)格、數(shù)量、孔間距參考HG/T20623-2009 B系列(或ASME B16.47 B系列)設(shè)計。但因HG/T20623-2009 B系列(或ASME B16.47 B系列)法蘭標準中最大公稱直徑為DN1500，所以裝置中用到的DN1800的法蘭外徑、螺柱規(guī)格、數(shù)量、孔間距是自行設(shè)計的。

圖2 公稱直徑大于DN600奧氏體不銹鋼管法蘭

曾對某丙烯酸及酯裝置中的奧氏體不銹鋼管法蘭做過統(tǒng)計，公稱直徑大于DN600的法蘭共計90片，采用圖2的結(jié)構(gòu)形式比采用整體鍛制法蘭節(jié)約工程費用近100萬元，顯而易見經(jīng)濟效益頗為可觀。

設(shè)計過程中應注意，由于丙烯酸及酯易聚合，所以工藝介質(zhì)的管道連接不應選用承插焊法蘭。

3 熱熔鹽管道設(shè)計

丙烯酸氧化單元熱熔鹽固體儲存在熱熔鹽罐內(nèi)，由壓力3.5MPa、溫度260℃的蒸汽加熱至200℃后輸送到兩個反應器的殼層，吸收丙烯與氧反應產(chǎn)生的熱量。當停車檢修時，熱熔鹽返回到熱熔鹽罐中，因熱熔鹽低于200℃凝固，因此熱熔鹽管線需要蒸汽夾套，通入壓力1.6MPa(G)、溫度230℃的中壓蒸汽來保證不低于熱熔鹽的凝固點。為方便檢測熱熔鹽管道的泄漏點，沒有采用通常的全夾套設(shè)計方式，采用了半管夾套結(jié)構(gòu)方式，見圖3。夾套半管本身節(jié)約一半材料，還省去了夾套內(nèi)管的定位板，安裝既省時又省力，投資僅是全夾套管的三分之一。

圖3 半管蒸汽夾套加熱結(jié)構(gòu)

熱熔鹽的操作壓力0.2MPa(G)、操作溫度320℃～350℃，通常按標準規(guī)范規(guī)定，美洲體系法蘭壓力等級選用Class150即可，但從熱熔鹽的重要性考慮，為防止法蘭連接處泄漏，壓力等級選用了Class300。

熱熔鹽管道上的閥門只起關(guān)閉作用，不需要調(diào)節(jié)功能，因此選用了Class300的夾套閘閥。夾套閘閥需通入壓力0.2MPa(G)、溫度134℃的低壓蒸汽，保證不低于熱熔鹽的凝固點。

另外，設(shè)計過程中應注意，熱熔鹽管道宜選用無縫鋼管。

4 真空管道設(shè)計

丙烯酸及酯裝置中有很多真空管道(負壓操作)，有些口徑較大，而且是不銹鋼管道。真空管道的壁厚計算需要考慮外壓。通常管道材料等級規(guī)定中的管道壁厚是根據(jù)管道承受內(nèi)壓計算的，此厚度的管子是否能夠承受外壓就需要進行核算，經(jīng)核算如果不能承受外壓，有兩種解決方式：一種是增加管子的壁厚；另一種是用加強圈來縮短管子的有效長度，選用何種方式取決于經(jīng)濟性。依據(jù)工藝設(shè)計條件，按照GB150.3-2011中的4.3外壓圓筒的穩(wěn)定性計算(包括管子)方法，對丙烯酸及酯裝置中的全部不銹鋼真空管道進行外壓穩(wěn)定性核算、壁厚經(jīng)濟性比較，最后得出結(jié)論：公稱直徑大于等于1000mm的真空管道，用加強圈來縮短管子的有效長度比較經(jīng)濟合理。

另外，設(shè)計過程中應注意，設(shè)置在管道上的加強圈應整圈圍繞在管道的圓周上，加強圈與管道之間可采用連續(xù)焊或間斷的焊接，當采用間斷焊時，加強圈每側(cè)間斷焊焊縫的總長度應不少于管道外圓周長的1/2，間斷焊可以相互錯開或并排布置，最大間隙為8倍的管道壁厚。

5 結(jié)語

上述介紹的幾種丙烯酸及酯裝置中管材的設(shè)計方法，已在國內(nèi)多套丙烯酸及酯裝置工程設(shè)計中運用，最長的裝置已平穩(wěn)運行5年多，管道歷經(jīng)開車、運行、停車、檢修等生產(chǎn)過程，從未出現(xiàn)過腐蝕、泄漏及失穩(wěn)現(xiàn)象，實踐證明這些方法是可行的，而且為業(yè)主節(jié)約了工程投資。