乙烯裂解装置管道材料的选用.docx
- 文档编号:4151879
- 上传时间:2022-11-28
- 格式:DOCX
- 页数:6
- 大小:22.04KB
乙烯裂解装置管道材料的选用.docx
《乙烯裂解装置管道材料的选用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《乙烯裂解装置管道材料的选用.docx(6页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
乙烯裂解装置管道材料的选用
乙烯裂解装置管道材料的选用
一.乙烯裂解装置管道材料选用
乙烯裂解装置是现代石油化工联合生产的龙头,其管道内流动介质的操作温度在-187,800?
之间变化;操作压力从真空到12.0MPaG;设计温度范围从-196,816?
,设计压力从从真空到14.0MPaG。
在乙烯裂解装置中,管道材料的品种覆盖了碳钢,低温钢,低合金钢,奥氏体不锈钢,碳钢衬里,镍基材料等。
管道材料等级的数量一般在40,50个,压力等级涵盖了从150Lb,2500Lb。
由于乙烯裂解装置的工艺技术目前还全部从国外引进,所以在进行基础设计和详细设计的过程中,遇到的第一个问题就是根据工艺条件,按照国内材料的标准,重新进行材料的选用,尽可能最大程度地使用国产材料,以降低费用。
在重新进行材料的选用时,首先应对国内外的材料进行化学成分、机械性能、制造工艺、检验要求等一系列的对比,以确保国内材料在装置中的安全使用。
其次,考虑到由于国内材料与国外材料在机械性能上有一定的差异,可能会在使用国内材料后,导致某些管线的压力等级由150Lb升为300Lb,这样将引起一系列的问题,如,设备与管道的接口法兰,在线仪表的等级也必须提高,而引起制造成本的提高。
在经过多年的实践,我们认识到,对国内外材料进行合理的搭配使用,是满足装置工艺要求和降低建设成本的有效方法。
在乙烯裂解装置中,碳钢是使用最多的材料,尺寸从DN15,DN2200,从使用工况又细分为普通碳钢,高温碳钢和低温碳钢。
而其中大量的材料转换工作就是针对碳钢材料进行的。
从牌号上讲,普通碳钢分为A53Gr.B,API5LGr.B,A106Gr.B,A333Gr.6,A671-CC60CL22W/S2,20#(GB9948),20#(GB8163),20R,20G(GB5310/6479)。
A53Gr.B主要用于水,仪表/装置空气等公用工程系统,国内相应牌号为20#(GB8163)。
这两种牌号的钢管既可以是无缝的,也可以是焊接的。
镀锌钢管使用的也是这两种牌号。
API5LGr.B,A106Gr.B主要用于工艺物料系统,蒸汽系统。
A106Gr.B属于无缝钢管,而API5LGr.B有无缝和焊接两大类。
单从材料方面考虑,20#(GB9948),20#(GB8163),可以代替API5LGr.B,A106Gr.B无缝钢管,但是,20#(GB8163)设计温度不宜超过350?
;20G(GB5310/6479)主要用于高压蒸汽系统的材料代用。
当使用国内材料代用时,需要根据国内材料机械性能重新核算管道壁厚。
从下列表格中可以看出国内外材料在机械性能(许用应力-MPa)上的差异。
温度?
293893149204260288316343371A106Gr.B138138138138138130124119117113
2012712712712712110810398938920R133133133133121108103989389
注:
A106Gr.B的机械性能与API5LGr.B一样。
这些差异将引起对于管子的壁厚的修订。
由于装置的大型化,大量的焊接管被采用,而国内只有20R板,其许用应力值相对于API5LGr.B,A106Gr.B偏低,在材料转换过程中必然导致管子,管件壁厚的增加,而管道壁厚的增加而引起管道重量的变大,会直接影响土建结构的加大;同时管道壁厚的增大引发的另外一个主要问题就是装置投入生产时管道受热变形而产生的对静设备,动设备和土建结构的推力和扭矩变大,这样在设计时有可能使静设备的壁厚增加,基础加大以消除增加的推力和扭矩产生的影响;采用一些特殊管道附件,特殊限位支架,或管道增加放“?
”,以降低增加的推力和扭矩对动设备的不良影响;加大土建结构的尺寸使之可以抗衡更大的推力和扭矩。
而这些手段的采用会直接增加装置的投资。
所以在使用焊接钢管时,我们不希望使用国内材料的20R代替国外牌号的API5LGr.B。
相应的焊制管件用钢板同样使用国外牌号的材料。
从制造角度看,受到国内生产钢板和卷制设备的条件限制,通常采用制造焊接钢管的长度不超过2米,而API5LGr.B的产品长度不小于6米,这样焊接工作量明显不同;由于在工艺物料系统的管道中,大量使用API5LGr.B,如果用20R代替,将使施工检验费用大幅度上升,因为工艺物料的焊缝射线探伤比例最低位10%。
API5LGr.B焊管目前在国内有生产。
在设计时,我们曾考虑用16MnR代替API5LGr.B,由于二者许用应力相近,管道的壁厚几乎相同,可以避免使用20R的许多弊端。
但是,制造方面的缺陷仍然无法回避,同时由于16Mn属于低合金钢,其价格明显高于碳钢,投资的增加将是一个难以解决的问题。
当设计压力超过10MPaG,介质为超高压蒸汽和高压锅炉给水,应使用高温碳钢无缝钢管A106Gr.B,或者国内材料20#(GB9948),20G(GB5310/6479)。
在设计过程中,我们发现,当尺寸不超过DN150时,计算国内外材料的壁厚没有变化。
当尺寸超过DN200时,国内材料的壁厚为SCH160,国外材料为SCH120。
国内生产厚壁钢管目前只有成都无缝钢管厂,在以前采购过程中,发现其产品的壁厚制造偏差较大,特别是在管外径大于300mm时,其公差范围为17.5%,远大于国际通行标准的12.5%。
值得注意的是,GB8163的标准的壁厚公差范围是按照成都无缝钢管厂的17.5%偏差制定的。
由于该厂设备较为陈旧,即使按照17.5%的偏差进行验收,其产品也是会出现超偏差范围的产品。
在去年完成的齐鲁二次乙烯改造项目时,出现了发送到现场的管子,50%不符合17.5%的壁厚偏差。
鉴于上述情况,我们还是维持使用
A106Gr.B材料,而国内材料只考虑在施工时的材料代用,而材料代用的范围也会受到限制。
小尺寸的A106Gr.B材料的钢管在国内市场还是比较容易采购。
乙烯裂解装置中的低温系统是指设计温度低于-20?
的物料系统。
按照材料的使用范围分成三个部分,即-20?
-46?
,-47?
-101?
和低于-101?
。
低温碳钢的适用范围是温度不低于-46?
。
其国外材料为A333Gr.6(无缝钢管),A671-CC60CL22W/S2(焊接钢管)。
低温碳钢材料必须是镇静钢,而且其产品必须进行低温冲击试验,即夏比(V型缺口)低温冲击试验,其试验结果应符合相应规范的要求。
对于焊接钢管和焊制管件,工厂应提供焊接工艺评定报告和的结果。
目前国内还没有国家标准的-46?
级的低温碳钢材料,只是成都无缝钢管厂有自己的厂标,其牌号为09DR。
对于低温冲击试验的装备,国内只有极少数厂家配备。
按照ASMEB31.3的要求,进行低温冲击试验的试样必须随产品经过全部生产流程(主意指加热,冷却,热处理工艺)后进行低温冲击试验,其试样从离开低温储罐到冲击试验机的摆锤撞击试样的时间不能超过3秒。
国内目前用于低温系统的材料有16Mn/16MnD(-40?
),09MnD/09Mn2VD(-50?
),09MnNiD(-70?
),均为低合金钢。
由于16Mn/16MnD无法满足-46?
的要求,而其他材料很难采购。
所以对于低温碳钢材料,我们不使用国内材料代替国外材料。
对于设计温度为-47?
-101?
,以前使用3.5Ni材料,国外牌号A333Gr.3,A671-CF71CL22W/S2,由于此类材料的市场用量很小,价格又与奥氏体不锈钢接近,故此种材料已经趋于淘汰。
对于用于低温系统的奥氏体不锈钢,按照规定可以不尽行低温冲击试验(具体要求前面已经有说明),但是对焊缝及焊接热影响区则必须进行低温冲击试验。
低合金钢材料主要用于设计温度高于427?
的工况。
而在乙烯裂解装置中,主要用于高压蒸汽,超高压蒸汽系统,压力等级为600Lb或更高。
其国外牌号为2.25Cr-1Mo(P22),1.25Cr-0.5Mo(P11)。
目前我们使用过的低合金钢无缝钢管的最大直径为DN700,相应的壁厚为90.5mm,一般DN150的管子壁厚也超过20mm。
国内相应的牌号为12Cr1MoV。
由于受国内制造能力的限制,而且低合金钢材料的国外价格与国内相差不大,前几年甚至低于国内价格,所以在设计时我们对低合金钢材料不考虑代用。
奥氏体不锈钢在乙烯裂解装置中主要用于低温深冷系统,润滑油供应系统,化学品系统和高温裂解系统。
普通奥氏体不锈钢如304SS,316SS可以用于非高温裂解系统;而高温裂解系统的设计温度通常在550?
760?
,个别工况的设计温度可达816?
,所以应选用耐高温奥氏体不锈钢如321HSS,316HSS。
前面提到的稳定型奥氏体不锈钢具有抗腐蚀性能好,
又有较高的高温机械性能,如:
347HSS,近几年也开始得到使用,其使用效果好于原先经常使用的321HSS,316HSS,但是347HSS的制造要求高,主要是指热处理,即在完成固溶处理后接着进行敏化处理,这样也就导致其价格高于321HSS,316HSS。
由于这部分管线的用量不大,其价格因素几乎可以不予考虑。
前面提到的管线压力等级升高的问题,在碳钢管线的材料转换过程中是很突出的。
我们知道在法兰的标准中规定了不同压力等级法兰的温度压力表,它限制了法兰在某一温度下承受的不发生泄漏的最大静压力。
下面列出了锻件20#和A105在150Lb(PN20)的温度压力表(MPa)—最高无冲击压力。
温度?
385010015020025030035040020#1.581.421.421.351.271.151.030.840.65A1051.961.921.771.581.381.211.030.840.65
二者的差异是显而易见。
这样,如果使用20#锻件的法兰,在某些工况下,20#锻件不可能满足要求,必然导致管线的压力等级升高,其投资的提高则不可避免。
A105材料目前在设计中已经大量使用,国内可以大量生产,价格因素的影响已经很小。
但是,有一点应引起注意,按照标准,A105的含碳量最大为0.35%,根据我们的经验和国外工程公司的介绍,A105的含碳量应控制在0.25%以下,且碳当量最大为0.43,其中:
对于普通碳钢CE=%C+%Mn。
。
这个要求应体现在管道材料等级规定和采购规定中,而且不会对A105的使用产生任何影响。
对于大尺寸,厚壁的A106Gr.B,低温碳钢,大口径低合金钢在装置的初步设计阶段应分到国外采购。
相应的管件应尽量作为长周期采购项目,由具有相应制造能力的管件厂从国外采购制造管件的原材料,并按照设计要求和相应的规定进行加工,这就需要用户和设计进行有效的计划和配合。
最近几年由我们负责设计和采购的新建和改扩建乙烯装置,均采用上述方法,效果很好。
由于阀门全部采用美国石油协会标准—API标准,所以阀门的材料也就全部使用国外牌号。
目前国内可以生产API阀门并且取得API认证的阀门制造厂应有上百家,可以满足乙烯装置对碳钢,低合金钢,奥氏体不锈钢阀门(不包括低温系统)的需要。
对于低温系统的阀门,由于在制造加工过程中必须对阀门部件进行低温浸泡处理,而且在产品出厂前还应按照规定抽取一定比例的阀门进行产品的低温性能试验,而国内阀门厂除极少数厂家外,基本不具备这些装备,特别是低温性能试验装备,加上目前国外产品大批进入国内市场,其价格已经降到几乎接近国内产品,所以对低温系统的阀门,我们仍然采取从国外引进的策略。
对于
低合金钢阀门,压力等级1500Lb以上的我们考虑从国外引进,原因如下,1)国内阀门厂的检测手段,主要指无损射线探伤的装备的欠缺,2)高压阀门的内部结构国外产品与国内产品有区别,3)国外产品的价格经过在国内数年的拚杀,已经降到合理的范围。
安全泄压阀是保护装置安全生产的重要设备。
通常用于化工装置的安全泄压阀的设计制造规范采用AMSEVIII篇和API520,同时要求安全泄压阀的制造厂必须取得ASME证书,以确保产品的设计、制造、材料及检验完全执行ASME规范的要求。
用于锅炉、汽包和按照ASMEB31.1规范设计的管道上使用的安全泄压阀采用的规范是ASMEI篇,目前只有美国的两家公司取得了相应得证书,可以生产符合ASMEI篇的安全泄压阀。
国际上取得ASMEVIII证书的安全泄压阀制造厂较多,但是国内没有任何安全泄压阀制造厂取得ASMEVIII证书。
在以往的设计中,当受到投资费用和外汇额度限制时,我们首先考虑引进的就是安全泄压阀。
尽管国内不少厂家对外宣传可以生产符合ASMEVIII的安全泄压阀,但是从设计角度看,取得ASME证书是确定其是否具有生产资格的唯一条件,就像生产API阀门的厂家必须取得API阀门证书一样。
新建上海赛科90万吨/年乙烯装置共使用管子近240,000米,管件(包括弯头,三通,异径管,法兰,垫片,螺栓/螺母等)近145,000件,阀门24200台,各种管道附件(过滤器,安全泄压阀,爆破片,疏水器,特殊件等)3106台(件)。
二.精对苯二甲酸(PTA)装置材料的选用
该装置的工艺是PX和醋酸经过氧化反应生成精对苯二甲酸(PTA),而醋酸作为主要原料的存在,使得PTA装置管道材料的选用上应考虑在不同温度范围,材料抵御醋酸产生的晶间腐蚀的能力。
由于随着温度的升高,醋酸对材料的腐蚀速度变快,而且不同浓度的醋酸溶液的沸点范围在100?
-120?
之间,当含醋酸物料的管道温度超过其沸点时,它的腐蚀速率大于0.3mm/年,从经济方面而言,在上述情况下仍然使用超低碳奥氏体不锈钢是难以接受的。
所以PTA装置中除了使用的超低碳奥氏体不锈钢304L,316L,还使用了双相不锈钢,钛,哈氏合金材作为高温条件下含醋酸物料的管道材料。
双相不锈钢是近年发展起来的抗应力腐蚀及孔蚀的一种新型不锈钢,它兼有铁素体钢和奥氏体钢的特征。
奥氏体的存在降低了高铬铁素体钢的脆性,防止了晶粒长大的倾向,提高了铁素体钢的韧性和可焊性;而铁素体的存在,提高了Cr-Ni奥氏体钢的屈服强度,同时使钢具有抗应力腐蚀、抗晶间腐蚀及焊接时热裂倾向小的特点。
在PTA装置中使用了两种双相不锈钢,牌号为SAF2205(UNS32205)和SAF2507(UNS32750/UNS32760)。
SAF2507的抗
腐蚀能力好于SAF2205,这从它们的抗点蚀当量公式PREN=(Crwt%+3.3Mowt%+16Nwt%)计算可以看出,2205合金不小于34,2507合金不小于40。
用于管道的这两种双相不
锈钢的铁素体含量允许值范围为40-60%。
使用ASTME562的点计算方法进行测量。
下面给出了两种材料的化学成份和机械性能。
化学成份:
2205Alloy2507Alloy
Carbon,max0.030%0.030%
Chromium21.5-23%24-26%
Nickel4.5-6.5%5.5-8%
Molybdenum2.90-3.5%3.60%-4.0%
Nitrogen0.145-0.2%0.24%-0.35%
Sulphur,max.0.020%0.020%
Phosphorus,max.0.030%0.030%
Silicon,max.1.00%0.80%
Manganese,max.2.00%1.50%
0.8%Tungsten,max.0.5%
Copper,max.0.5%0.75%
机械性能
2205Alloy2507Alloy
UltimateTensileStrength,min.620MPA700MPA0.2%OffsetYieldStrength,min.450MPA550MPAElongationin2"25%min15%minBrinellHardness,BHN290310
在双相不锈钢管件的制造过程中,应附有试样板随产品经过全部生产流程(主意指加
热,冷却,热处理工艺)后进行检测试验。
当合金冷成型作为制造工艺所必须的一部分,其
工序在事先是经过验证被认为合格的。
当引起的总应变超过10%时,部件的固熔退火完成后
随即进行水中急冷而且随后进行恢复其抗腐蚀的去氧化皮工序。
在部件从热处理炉中取出的
一分钟内进行水中急冷。
一旦耽搁将产生sigma相,氮化物,碳化物和增加的奥氏体组分对
恶化产品的将起到明显作用。
热成型应完成下列固熔退火,水急冷和随后进行去氧化皮。
当
完成冷成型或热成型后要求进行退火,试样应确保附着在工件上。
完成退火处理后对试样进
行下列试验:
冲击试验;微观断面检查,硬度测定和铁素体水平测定;腐蚀试验。
进行试验
的细节和详细要求需参见相关标准和具体的工程规定。
由于国内没有生产双相不锈钢的能
力,目前只能从国外进口。
因为钛材料中的铁元素会降低其抗腐蚀能力,所以在钛的制造加工和焊接过程中应采
取相应的保护措施,如:
在适当的车间及房间内,或保证大气中没有铁离子的隔离区内对钛
设备及管道进行焊接预制和装配,尽量减少施工现场的焊接工作;用无铁离子的铝垫,全尼龙磨轮,铝片轮,用钛丝刷对任何钛表面加热前应进行清理以除去所有表面污染物;用每单位体积含30%的硝酸和3%的氢氟酸制成的溶剂进行酸洗后再用清洁饮用水清洗;对钛表面和焊丝使用异丙醇,丙醇或丙酮进行脱脂;清洁房间用清洁过滤的不含铁离子正压空气通风等手段,以最大程度地减轻铁对钛材的污染程度。
由于铁对钛的污染不可避免,特别是在有氢存在的情况下,当受到铁污染表面的钛氧化膜发生机械损坏时,氢就会渗入金属,在温度压力的作用下,氢发生相应的扩散,导致钛产生不同程度的氢脆。
所以应严格限制钛材中的铁、氢含量。
在仪征和扬子PTA装置中,对钛材中的铁含量限制值为0.07,,对氢含量限制值为50ppm。
三(聚丙烯,聚乙烯装置的材料选用
聚丙烯,聚乙烯装置的材料主要使用碳钢,低温碳钢,奥氏体不锈钢304SS,316SS,904L。
在装置生产时需要使用MgCl2作为催化剂,当MgCl2与湿物料或水接触时形成溶液时会产生Cl?
,在温度升高时,又会生成微量盐酸气;根据工艺要求必须使用不锈钢,而普通不锈钢又不适合此工艺条件。
904LSS是一种抗Cl?
腐蚀的奥氏体不锈钢,它可以适应普通不锈钢不能胜任的酸性环境(低浓度的Cl?
,硫酸,磷酸),具有非常优良的抗均匀腐蚀,抗各种应力腐蚀破裂,抗点腐蚀和缝隙腐蚀性能,同时从制造加工角度看,它与普通奥氏体不锈钢有一定的相似之处。
由于高压聚乙烯的高压和超高压系统(设计压力超过50.0MPaG)的材料选用受到国外专利的限制,对管子,管件和阀门的生产制造和检验有极为苛刻的要求,目前国内无法满足要求。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 乙烯 裂解 装置 管道 材料 选用