第34卷第1期 有色金属设计 Vol.34No.1
2007 NONFERROUS METALS DESIGN 2007
浅析硫酸储罐设计的特点及措施
许 萍,张惠娟
(昆明有色冶金设计研究院,云南 昆明 650051)
3
摘 要:阐述了硫酸储罐的设计标准、基本类型及结构设计,分析了硫酸对碳钢的腐蚀及其由此造成的影响。探讨了各种浓度下硫酸储罐的选材、防腐和安全问题,腐保护措施,可有效地延长硫酸储罐的使用寿命。
关键词:硫酸储罐;选材;结构设计;腐蚀;防腐措施
中图分类号:TQ05019 文献标识码:B 1004()CharacteristicstedintheAcidTank
XUPing,ZHANGHui-juan
KunmingDesign&ResearchInstituteofNon-ferrousMetallurgy,Kunming650051,China)
Abstract:Thedesigncriterion,basictypesandstructuraldesignofsulphuricacidstoragetankshavebeendescribedinthearticleandcorrosionofsulphuricacidoncarbonsteelandtheimpactcausedbeenanalyzedaswell.
Inaddition,itapproachestheissuesonmaterialselection,anti-cor2
rosionandsafetyofthestoragetanksundervarioussulphuricacidconcentrationsandputsforwardsomeanti-corrosionmeasures,whichcaneffectivelyextendtheservicelifeofsulphuricacidtank.
Keywords:sulphuricacidstoragetank;materialselection;structuraldesign;corrosion;anti-corrosionmeasure
1 概述
硫酸在国民经济中的应用十分广泛,是冶金、化学纤维、染料工业、化肥工业以及各种有机和无机化学工业的重要原料,并在矿物加工、制药、石油炼制和化工行业被广
泛用作催化剂、溶剂等,因此,在历史上就有“硫酸是化学工业之母”一说。由于硫酸具有很强的腐蚀性,所以在生产、运输和使用过程中,硫酸的安全储存是一个非常重要的环节。为了保证储存设施能安全运行,应从选材、设计和管理等方面进行系统地考
3收稿日期:2007-02-28作者简介:许 萍(1970-),女,云南人,工程师,主要从事非标设备设计工作.
66有色金属设计 第34卷
虑,并予以合理地安排。笔者依据多年的设计经验,对此问题进行了一些研究和探讨,
以期与同行商榷、探讨。
电解质溶液(稀硫酸)中形成许许多多的腐蚀电池,并产生以下腐蚀反应,直接放出氢气:
+2
Fe→Fe+2e 阳极反应+
2H+2e→H2 阴极反应
碳钢的腐蚀电池示意图见图1。从图1中可以看出,碳钢表面的某一部分被氧化成铁离子进入溶液,放出自由电子通过金属传递给金属表面的另一部分,金属溶解的这一部分表面,称为阳极,遭受腐蚀;而接受自由电子产生氢的这一部分金属表面,称为阴极。它们都存在于电解质溶液)之中,
2 腐蚀机理及分析
211 局部腐蚀
硫酸储罐顶部焊缝的腐蚀为孔蚀和缝隙腐蚀。在潮湿的季节或雨天,罐内顶部处于湿SO3环境中,罐顶外部存在酸雨的污染。碳钢在105%的发烟硫酸中可以形成钝化膜,干燥的SO3不会腐蚀罐顶焊缝。在施焊过程中,焊条未烘干或环境潮湿等情况,都会使焊缝内外表面生成气孔、夹渣等焊接缺陷,这些微小缺陷会造成金属材料表面的钝化膜不完整。钝化膜局部被破坏后,口处的金属成为阳极,化膜成为阴极,点蚀源。2123个条件:(1)要有阴、阳极之间的电位差(即电化学腐蚀的推动力)。即使在同一金属表面上,由于各部分物理和化学性质的不同(如金属材质的内部结构差异、杂质、氧化膜和膜的破口)以及和金属接触的溶液各部分的不均一(如不同的浓度、成分、氧含量和温度等),由伦特公式可以看出表面各部分电位也将存在差异。电位较低部分为阳极,较高部分成为阴极,它们和溶液构成一个电池。
(2)要有电解质存在,以传递自由电子。如果是强电解质,则腐蚀反应大为加速。
(3)在电池的阴极和阳极之间,要有能连续传递自由电子的电回路。
当罐顶的腐蚀穿孔没有及时处理或遮盖时,雨水经过洞孔沿着罐壁进入罐内,浮在液体上面,与罐内介质发生化学反应,生成稀硫酸:H2O+SO3→H2SO4。由于溶液浓度、金属表面组份的不均匀,使罐壁金属在
图1 碳钢表面的腐蚀电池
Fig.1 CorrosiveBatteryontheSurface
ofCarbonSteel
213 硫酸对碳钢的腐蚀特点
市场上的硫酸浓度为:77167%,93%,
98%,99%,100%。对碳钢的腐蚀性具有如下突出的特征:
(1)在一定的温度下,稀硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的提高而增强,达到一定浓度后,腐蚀速率随浓度的提高而急剧下降。室温下碳钢在硫酸中的腐蚀速率见表1。
表1 碳钢在硫酸中的腐蚀速率
Tab.1 CorrosionVelocityofCarbonSteel
inSulphuricAcid
硫酸质量浓度
-1
温度
20202020
腐蚀速率
-1
110～015>1010110～015011～015
第1期 许 萍,张惠娟:浅析硫酸储罐设计的特点及措施67
(2)同一浓度的硫酸,随着温度的升
要取决于树脂的种类及其性能,所以关键是要选择合适的树脂。常用的树脂有不饱和聚
脂树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、呋喃树脂和酚醛树脂等5种。虽然,FRP抗腐蚀性能优越,但目前由于受原材料价格和工艺方法的限制,较多应用在小型储罐中,对大型储罐,还不能全部代替钢材。
除了碳钢或不锈钢罐外,还可大量采用带内衬里的碳钢材料。性能较好的衬里材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚异丁烯(PIB)、碳氟化合物、橡胶、玻璃钢、PEP、PFA、(,可以采用带聚氯乙烯衬里的碳钢、高镍铬合金等(HAS2TELLOY、ALLOY20)材料。对发烟硫酸,可以采用316L不锈钢或是带碳氟化合物衬里的碳钢管。
高,腐蚀性会大大增加。
(3)随着浓度与温度的不同,硫酸的腐蚀呈氧化性或还原性,具体按如下浓度范围划分:硫酸浓度(质量分数)为0～65,呈还原性;硫酸浓度(质量分数)为65～85,在低温下呈还原性,高温或沸点下呈氧化性;硫酸浓度(质量分数)为85～100,
呈氧化性。
硫酸的腐蚀性除与浓度和温度有关外,酸中的杂质对其腐蚀性也有很大的影响。此外,一些物理因素也会影响腐蚀性,如固相颗粒、介质流速、结垢等。由此可见,只有了解清楚硫酸腐蚀的成因和特点,才能采取正确的防腐措施。
3 硫酸罐的选材
5%在40℃温度钢速率小于0175～11存的情形下,通常是可以接受的,因此,常温下的浓硫酸储罐选用碳钢材料制作就可以满足要求。文献[3]、[4]给出了在不同浓度和不同温度下硫酸适用的材料对照曲线,从该曲线中可以看出,随着浓度和温度的变化,适用于硫酸储罐的材料使用范围分成多个区域,包括碳钢、高镍铬合金(Has-telloy、Alloy20)、含钼不锈钢、钛、橡胶、陶瓷等多种材料。该曲线也表明,在常温下,对于浓硫酸,碳钢是适用的,也是应用最广泛的材料。浓度小于65%的硫酸,不论在什么温度下,碳钢都不能使用。温度在65℃以上时,不论硫酸浓度多大(指100%以下),碳钢一般也不能使用,需要采用更耐腐蚀的材料,如在一定的浓度及温度下,可以采用316L不锈钢。由于玻璃钢(FRP)材料具有较好的耐腐蚀特性,因此具有较好的应用前景。玻璃钢可适用于一定温度下的稀硫酸,由于玻璃钢的耐腐蚀性主
4 硫酸储罐的设计
411 设计标准
按设计标准分,钢制硫酸罐可有2种类型:一种是压力容器类硫酸储罐,包括立式
3
和卧式2种形式。当公称容积不超过200m或设计压力较大时,可以考虑这种形式的储罐,限于篇幅,本文不讨论这类储罐的设计方法;另一种是常压储罐,这是本文所讨论的内容,即按JB/T4735-97《钢制焊接常压容器》、API650,API620标准设计的储罐。一般来说,当公称容积大于200m且设计压力不大时,应优先考虑采用这种储罐。
上述几个标准的压力范围:
JB/T4735-97 -500～2000Pa;
≤18000Pa;
API620 18000～100000Pa;由于硫酸介质蒸汽分压一般不高,接近API650
3
68有色金属设计 第34卷
常压,JB/T4735-97/API650标准可满足要求,其设计压力一般可取为正压大于或等于
500Pa,负压等于—490Pa。412 结构类型
由于硫酸不存在较大的蒸汽压力,无需采用内浮盘。为隔离空气及雨水等杂质,需要用固定顶保护罐内介质,一般采取自支撑的固定顶,且应将加强肋等支撑件设置在罐顶外壁,并保证在液位下的部件不存在裂纹等缺陷。从安全角度出发,一般不在罐顶设置操作平台,为便于操作、检修,可以设置独立的操作平台。若必须设置罐顶平台,则在罐顶设计时,应充分考虑包括顶部平台、管支架等相关设施的设备自重和相关设备带来的附加载荷的影响。413 腐蚀裕量材料选定后,,,比,量。一般情况下,腐蚀裕量C2可按下述规定来确定:
对碳钢材料,当不采用阳极保护时,中部、底部罐壁板和罐底,通常取C2等于6mm,由于最底圈罐壁板在整个储罐中腐蚀速率最快,而罐底的腐蚀速率要比该处稍小,因此,为安全起见,对最底圈罐壁板,甚至可以取C2等于9mm;若采用阳极保护时,由于硫酸对钢的腐蚀性大大降低,故取C2等于3mm。
对不锈钢、Hastelloys,FRP,带抗硫酸腐蚀衬里的储罐或其它合金罐,可取C2等于0。414 结构设计
硫酸罐一般应至少包括如下管口:硫酸入口,硫酸出口,溢流口,放空口(压力阀口),顶部人孔,清扫孔。
为减少泄漏,硫酸入口一般设置在罐顶,并使管口距离罐壁至少1200mm。但有
时由于条件限制,也将入口设置在靠近顶部的罐壁处。硫酸入口一般应采用汲取管的方式,即将管口内伸至液面下。对侧壁入口,则可用90°弯头使管线在罐内保持竖直状态并达到上述要求。为保护罐底,在罐底正对入口管末端的相应位置设置防冲板。为防止介质的虹吸现象,硫酸入口管线应开放空孔,一般只需要在管线的上部开一个12mm的孔即可,见图2
。
图2 硫酸罐开口配置示意图
Fig.2 SchematicDiagramofOpeningConfigura2
tionofSulphuricAcidStorageTank
硫酸出口一般也采取内伸汲取管的方式(见图2),且多采用可拆式结构,为便于拆卸,外套管直径一般取硫酸出口管直径的2倍以上。除了图2中所示的结构,硫酸出口也可设计成齐平接管的形式。
为避免充液过多而引起硫酸大量外溢,需要在罐壁的上部设置溢流管口,该管口与罐壁内表面平齐;也可不设置该管口,而直接利用高液位仪表控制进料管线上的切断阀来达到目的。
为保护罐壁,所有罐顶的接管都需要内伸至少25mm;管壁的接管,除溢流口或齐平出口外,都应在管口上部180°范围内伸
第1期 许 萍,张惠娟:浅析硫酸储罐设计的特点及措施69
至少25mm,见图3
。
图3 接管结构示意图
Fig.3 SchematicDiagramof一般情况下,放空管(压力阀口)寸需考虑“呼吸”“呼””这个状态。,,还应将,还应配置180°弯头和丝网,见图4、图5
。
,所有,均应为全焊透对接结构,并进行局部X射线检测。罐顶可以采用搭接焊缝。所有的罐底焊缝,应为带垫板的全焊透对接焊缝,罐底应按标准进行真空箱试验。
除上述检验外,罐壁和罐底内表面还应增加磁粉或液体渗透检验。
由于硫酸的蒸汽压力不大,为确保安全,除非另有要求,所有的接管法兰均应采用PN210MPa的压力等级;由于承插焊及螺纹法兰等法兰的内在结构,决定了更容易产
图4 放空口结构示意图
Fig.4 SchenaticDiagramofDischargeOpening
Structure
生腐蚀,因此,应尽量避免使用这类法兰。当需要采用弯头时,为减少磨损腐蚀应力和腐蚀开裂,应尽量采用内部有涂层保护和曲率半径较大的无缝弯头。在接管焊接时,应注意避免不同厚度的接管直接焊在一起,在结构设计时应该将焊缝和结构不连续处分开。
选用垫片时,应尽量使垫片的内径和管口直径相同,以避免磨损腐蚀和缝隙腐蚀。
图5 压力阀接口结构示意图
Fig.5 SchematicDiagramoftheStructureofPres2
sureValveConnectors
5 防腐措施分析
硫酸罐的防腐及运行安全措施,除了上
70有色金属设计 第34卷
述的耐腐蚀材料选择、结构的设计合理外,还可以采取一些其它措施。如改变硫酸流动
状态、电化学保护、钝化、使用覆盖层保护及加强和改进管理等。由于碳钢在硫酸中的抗腐蚀性,取决于其表面生成的一层硫酸亚铁保护膜,当这层保护膜被破坏时,其抗腐蚀能力大大下降,结果是腐蚀速率急剧增加。为了保护这层保护膜,应严格限制硫酸的流速,杜邦公司推荐硫酸的流速为25～75mm/s,而一般建议采用更严格的流速50mm/s。
目前,电化学保护技术已比较成熟,在硫酸行业中得到了普遍应用,主要是阳极保护法。向被保护的金属(阳极)中通入阳极电流,护阳极的,称为阳极保护法通常由阳极、阴极、,的硫酸中,腐蚀,基本上为0105～012mm/a,而且避免了晶间腐蚀;采用阳极保护后,碳钢在硫酸中的腐蚀速率也大大降低。与阳极保护法原理类似的电化学保护法还有阴极保护法,即牺牲阳极法。该方法中,选定另一种金属(实际中多选锌或铝合金)当做阳极,被保护的金属作为阴极。这种方法易于安装,当阳极消耗到初始质量的一定比值时,便可利用清罐的机会更换。
由于硫酸的腐蚀性随温度的升高而增大,为避免因太阳光照而使罐内硫酸的温度升高,应将罐的外壁喷涂一层浅色(通常是白色)的面漆。
生火灾时,应用水喷在附近的可燃物上,并用雾化的高压水或泡沫来冷却罐壁,但绝对禁止直接将水加入硫酸罐内。
放空管道中可能堆积硫酸亚铁,操作时间过长可能会堵塞管口,因此,应定期检查该管口,以确保卸料时的安全。
为保证储罐的安全运行,每2a至少检测一次储罐罐体(包括罐顶、罐壁、罐底)的厚度,每5a至少进行一次内部检测。
加强巡回检查,及时消除漏点。操作人,对易腐蚀的罐顶,,。,,再用耐酸。特别对罐顶包,修复后要定期检查。
7 结语
为了保证硫酸储罐的安全运行,从设计阶段开始就应全面考虑,防患于未然。合理的结构设计,可以防止和减轻各种潜在的腐蚀及危害;正确的选材,是以最低的经济支出来保证储罐安全运行的一种有效手段。
对发烟硫酸,为保护储罐安全,在进料的开始阶段,或是当罐内空置进料时,应对物料的流速加以控制。硫酸与碳钢发生反应生成氢气,检修时应将罐中气体充分放空。
为保证储罐的安全运行,每2a至少检测一次储罐的厚度,并应做好定期巡查工作,每5a至少进行一次内部检测。参考文献:
〔1〕JB/T4735-97,钢制焊接常压容器〔S〕.
〔2〕StanleyS.Grossel.Safe,EfficientHandlingofAcids.
ChemicalEngineering:1998.
6 安全措施分析
对发烟硫酸储罐,为保证安全,向空罐
进料时,应控制泵入物料的流速。稀硫酸会与碳钢反应生成氢气,因此,检修时除非确认罐中已充分放空,否则,应完全清除掉附近所有潜在的火源;当附近发
〔3〕Dillon,C.
leum.
P..“MaterialsSelectionforHazardous
Chemicals.Vol.1:ConcentratedSulfuricAcidandO2
PublicationM3-1,MaterialsTechnologyInst.
Inc.
St.Louis,
oftheChemicalsProcessIndustries.Mo.1997.
〔4〕Schillmoller.C.M.SelectAlloysthatPerformWellin
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SulfuricAcid.Chem.ruary1998.
Eng.
Prog:PP.38-44.
Feb2
71
应用〔J〕.硫酸工业,2002,(2).
〔7〕徐暾家,等.阳极保护技术在硫酸工业中的应用
〔J〕.硫酸工业,2001,(5).
〔8〕胡士信.阴极保护工程手册〔M〕.北京:化学工业
出版社,1999.
〔5〕SulfuricAcid-StorageandHandling.BrochureH-42430.DuPontChemicals.1992.
Wiilmington.
Del.
April
〔6〕王艳春,等.阳极保护浓硫酸不锈钢管道的研制与
(上接第61页)
P试=1125P设[σ]/[σ]t+YH式中 Y———液压试验用介质的密度;
H———容器容空总高度。
(2)
查,然后再对内筒试压,并对夹套以外的部
分进行检查。当然,对于内筒压力低于夹套,原则上仍应按GB150和《执行GB150-98要求将试验应力提高到设计
应力的1125倍来检验设备的强度、密封结
[5]
构的致密性以及焊缝的致密性等。文献的分析表明,按式(1)试验的最低要求,,(1),:
(3)P计P设+Y′h
式中 P计———设备计算压力;
Y′———为液体物料的密度;
h———为液体物料的充装高度。
在压力容器的制造过程中,除以上值得
考虑的问题外,还应考虑如何防止焊缝错边(多见于筒节、封头环焊缝处);压力容器制造设备如:卷板机如何控制钢板的最小冷弯半径、消除钢板端部剩余直边、灵活高速数控对称式三辊卷板机参数等问题,由于篇幅有限不再叙述。制造过程是一个实施过程,制造厂家一定要严格遵守相关的制造标准规范,在保证安全的前提下,考虑经济实惠。参考文献:
〔1〕GB/150-1998,钢制压力容器〔S〕.
〔2〕国家质量技术监督局.压力容器安全技术监察规程
〔M〕.北京:中国劳动社会保障出版社,1999.〔3〕唐 超.干湿H2S环境下设备的选材与设计制造探
讨.化肥设计〔J〕.1998,(4):31-34.
〔4〕孙祥升.换热器管子与管板接头连接方法的试验研
究.石油化工设备〔J〕.1996,25(6):38-40.〔5〕方子凤.关于水压试验问题的分析与比较〔J〕.石
油化工设备,1992,21(4):10-14.
若此时容器卧置试压,其试验压力应为:
P试=1125P计[σ]/[σ]t-YH
(4)
显然,式(4)比式(2)更合适,因
为按式(2)计算试验压力就有可能为满足液压试验而增加设备厚度,可见,以P计代替P设来计算试验压力较为合理。
由于夹套设备的种类及结构形式较多,对于有些结构形式,在试压时可以对内筒进行检查,只要夹套压力高于内筒压力,且夹套试压时内筒不需保压,则完全可以将内筒及夹套一起组焊完毕后进行试压。此时,应先对夹套试压并对被夹套包围的内筒进行检
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浅析硫酸储罐设计的特点及措施
许 萍,张惠娟
(昆明有色冶金设计研究院,云南 昆明 650051)
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摘 要:阐述了硫酸储罐的设计标准、基本类型及结构设计,分析了硫酸对碳钢的腐蚀及其由此造成的影响。探讨了各种浓度下硫酸储罐的选材、防腐和安全问题,腐保护措施,可有效地延长硫酸储罐的使用寿命。
关键词:硫酸储罐;选材;结构设计;腐蚀;防腐措施
中图分类号:TQ05019 文献标识码:B 1004()CharacteristicstedintheAcidTank
XUPing,ZHANGHui-juan
KunmingDesign&ResearchInstituteofNon-ferrousMetallurgy,Kunming650051,China)
Abstract:Thedesigncriterion,basictypesandstructuraldesignofsulphuricacidstoragetankshavebeendescribedinthearticleandcorrosionofsulphuricacidoncarbonsteelandtheimpactcausedbeenanalyzedaswell.
Inaddition,itapproachestheissuesonmaterialselection,anti-cor2
rosionandsafetyofthestoragetanksundervarioussulphuricacidconcentrationsandputsforwardsomeanti-corrosionmeasures,whichcaneffectivelyextendtheservicelifeofsulphuricacidtank.
Keywords:sulphuricacidstoragetank;materialselection;structuraldesign;corrosion;anti-corrosionmeasure
1 概述
硫酸在国民经济中的应用十分广泛,是冶金、化学纤维、染料工业、化肥工业以及各种有机和无机化学工业的重要原料,并在矿物加工、制药、石油炼制和化工行业被广
泛用作催化剂、溶剂等,因此,在历史上就有“硫酸是化学工业之母”一说。由于硫酸具有很强的腐蚀性,所以在生产、运输和使用过程中,硫酸的安全储存是一个非常重要的环节。为了保证储存设施能安全运行,应从选材、设计和管理等方面进行系统地考
3收稿日期:2007-02-28作者简介:许 萍(1970-),女,云南人,工程师,主要从事非标设备设计工作.
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虑,并予以合理地安排。笔者依据多年的设计经验,对此问题进行了一些研究和探讨,
以期与同行商榷、探讨。
电解质溶液(稀硫酸)中形成许许多多的腐蚀电池,并产生以下腐蚀反应,直接放出氢气:
+2
Fe→Fe+2e 阳极反应+
2H+2e→H2 阴极反应
碳钢的腐蚀电池示意图见图1。从图1中可以看出,碳钢表面的某一部分被氧化成铁离子进入溶液,放出自由电子通过金属传递给金属表面的另一部分,金属溶解的这一部分表面,称为阳极,遭受腐蚀;而接受自由电子产生氢的这一部分金属表面,称为阴极。它们都存在于电解质溶液)之中,
2 腐蚀机理及分析
211 局部腐蚀
硫酸储罐顶部焊缝的腐蚀为孔蚀和缝隙腐蚀。在潮湿的季节或雨天,罐内顶部处于湿SO3环境中,罐顶外部存在酸雨的污染。碳钢在105%的发烟硫酸中可以形成钝化膜,干燥的SO3不会腐蚀罐顶焊缝。在施焊过程中,焊条未烘干或环境潮湿等情况,都会使焊缝内外表面生成气孔、夹渣等焊接缺陷,这些微小缺陷会造成金属材料表面的钝化膜不完整。钝化膜局部被破坏后,口处的金属成为阳极,化膜成为阴极,点蚀源。2123个条件:(1)要有阴、阳极之间的电位差(即电化学腐蚀的推动力)。即使在同一金属表面上,由于各部分物理和化学性质的不同(如金属材质的内部结构差异、杂质、氧化膜和膜的破口)以及和金属接触的溶液各部分的不均一(如不同的浓度、成分、氧含量和温度等),由伦特公式可以看出表面各部分电位也将存在差异。电位较低部分为阳极,较高部分成为阴极,它们和溶液构成一个电池。
(2)要有电解质存在,以传递自由电子。如果是强电解质,则腐蚀反应大为加速。
(3)在电池的阴极和阳极之间,要有能连续传递自由电子的电回路。
当罐顶的腐蚀穿孔没有及时处理或遮盖时,雨水经过洞孔沿着罐壁进入罐内,浮在液体上面,与罐内介质发生化学反应,生成稀硫酸:H2O+SO3→H2SO4。由于溶液浓度、金属表面组份的不均匀,使罐壁金属在
图1 碳钢表面的腐蚀电池
Fig.1 CorrosiveBatteryontheSurface
ofCarbonSteel
213 硫酸对碳钢的腐蚀特点
市场上的硫酸浓度为:77167%,93%,
98%,99%,100%。对碳钢的腐蚀性具有如下突出的特征:
(1)在一定的温度下,稀硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的提高而增强,达到一定浓度后,腐蚀速率随浓度的提高而急剧下降。室温下碳钢在硫酸中的腐蚀速率见表1。
表1 碳钢在硫酸中的腐蚀速率
Tab.1 CorrosionVelocityofCarbonSteel
inSulphuricAcid
硫酸质量浓度
-1
温度
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腐蚀速率
-1
110～015>1010110～015011～015
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(2)同一浓度的硫酸,随着温度的升
要取决于树脂的种类及其性能,所以关键是要选择合适的树脂。常用的树脂有不饱和聚
脂树脂、环氧树脂、乙烯基酯树脂、呋喃树脂和酚醛树脂等5种。虽然,FRP抗腐蚀性能优越,但目前由于受原材料价格和工艺方法的限制,较多应用在小型储罐中,对大型储罐,还不能全部代替钢材。
除了碳钢或不锈钢罐外,还可大量采用带内衬里的碳钢材料。性能较好的衬里材料主要有聚四氟乙烯(PTFE)、聚异丁烯(PIB)、碳氟化合物、橡胶、玻璃钢、PEP、PFA、(,可以采用带聚氯乙烯衬里的碳钢、高镍铬合金等(HAS2TELLOY、ALLOY20)材料。对发烟硫酸,可以采用316L不锈钢或是带碳氟化合物衬里的碳钢管。
高,腐蚀性会大大增加。
(3)随着浓度与温度的不同,硫酸的腐蚀呈氧化性或还原性,具体按如下浓度范围划分:硫酸浓度(质量分数)为0～65,呈还原性;硫酸浓度(质量分数)为65～85,在低温下呈还原性,高温或沸点下呈氧化性;硫酸浓度(质量分数)为85～100,
呈氧化性。
硫酸的腐蚀性除与浓度和温度有关外,酸中的杂质对其腐蚀性也有很大的影响。此外,一些物理因素也会影响腐蚀性,如固相颗粒、介质流速、结垢等。由此可见,只有了解清楚硫酸腐蚀的成因和特点,才能采取正确的防腐措施。
3 硫酸罐的选材
5%在40℃温度钢速率小于0175～11存的情形下,通常是可以接受的,因此,常温下的浓硫酸储罐选用碳钢材料制作就可以满足要求。文献[3]、[4]给出了在不同浓度和不同温度下硫酸适用的材料对照曲线,从该曲线中可以看出,随着浓度和温度的变化,适用于硫酸储罐的材料使用范围分成多个区域,包括碳钢、高镍铬合金(Has-telloy、Alloy20)、含钼不锈钢、钛、橡胶、陶瓷等多种材料。该曲线也表明,在常温下,对于浓硫酸,碳钢是适用的,也是应用最广泛的材料。浓度小于65%的硫酸,不论在什么温度下,碳钢都不能使用。温度在65℃以上时,不论硫酸浓度多大(指100%以下),碳钢一般也不能使用,需要采用更耐腐蚀的材料,如在一定的浓度及温度下,可以采用316L不锈钢。由于玻璃钢(FRP)材料具有较好的耐腐蚀特性,因此具有较好的应用前景。玻璃钢可适用于一定温度下的稀硫酸,由于玻璃钢的耐腐蚀性主
4 硫酸储罐的设计
411 设计标准
按设计标准分,钢制硫酸罐可有2种类型:一种是压力容器类硫酸储罐,包括立式
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和卧式2种形式。当公称容积不超过200m或设计压力较大时,可以考虑这种形式的储罐,限于篇幅,本文不讨论这类储罐的设计方法;另一种是常压储罐,这是本文所讨论的内容,即按JB/T4735-97《钢制焊接常压容器》、API650,API620标准设计的储罐。一般来说,当公称容积大于200m且设计压力不大时,应优先考虑采用这种储罐。
上述几个标准的压力范围:
JB/T4735-97 -500～2000Pa;
≤18000Pa;
API620 18000～100000Pa;由于硫酸介质蒸汽分压一般不高,接近API650
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68有色金属设计 第34卷
常压,JB/T4735-97/API650标准可满足要求,其设计压力一般可取为正压大于或等于
500Pa,负压等于—490Pa。412 结构类型
由于硫酸不存在较大的蒸汽压力,无需采用内浮盘。为隔离空气及雨水等杂质,需要用固定顶保护罐内介质,一般采取自支撑的固定顶,且应将加强肋等支撑件设置在罐顶外壁,并保证在液位下的部件不存在裂纹等缺陷。从安全角度出发,一般不在罐顶设置操作平台,为便于操作、检修,可以设置独立的操作平台。若必须设置罐顶平台,则在罐顶设计时,应充分考虑包括顶部平台、管支架等相关设施的设备自重和相关设备带来的附加载荷的影响。413 腐蚀裕量材料选定后,,,比,量。一般情况下,腐蚀裕量C2可按下述规定来确定:
对碳钢材料,当不采用阳极保护时,中部、底部罐壁板和罐底,通常取C2等于6mm,由于最底圈罐壁板在整个储罐中腐蚀速率最快,而罐底的腐蚀速率要比该处稍小,因此,为安全起见,对最底圈罐壁板,甚至可以取C2等于9mm;若采用阳极保护时,由于硫酸对钢的腐蚀性大大降低,故取C2等于3mm。
对不锈钢、Hastelloys,FRP,带抗硫酸腐蚀衬里的储罐或其它合金罐,可取C2等于0。414 结构设计
硫酸罐一般应至少包括如下管口:硫酸入口,硫酸出口,溢流口,放空口(压力阀口),顶部人孔,清扫孔。
为减少泄漏,硫酸入口一般设置在罐顶,并使管口距离罐壁至少1200mm。但有
时由于条件限制,也将入口设置在靠近顶部的罐壁处。硫酸入口一般应采用汲取管的方式,即将管口内伸至液面下。对侧壁入口,则可用90°弯头使管线在罐内保持竖直状态并达到上述要求。为保护罐底,在罐底正对入口管末端的相应位置设置防冲板。为防止介质的虹吸现象,硫酸入口管线应开放空孔,一般只需要在管线的上部开一个12mm的孔即可,见图2
。
图2 硫酸罐开口配置示意图
Fig.2 SchematicDiagramofOpeningConfigura2
tionofSulphuricAcidStorageTank
硫酸出口一般也采取内伸汲取管的方式(见图2),且多采用可拆式结构,为便于拆卸,外套管直径一般取硫酸出口管直径的2倍以上。除了图2中所示的结构,硫酸出口也可设计成齐平接管的形式。
为避免充液过多而引起硫酸大量外溢,需要在罐壁的上部设置溢流管口,该管口与罐壁内表面平齐;也可不设置该管口,而直接利用高液位仪表控制进料管线上的切断阀来达到目的。
为保护罐壁,所有罐顶的接管都需要内伸至少25mm;管壁的接管,除溢流口或齐平出口外,都应在管口上部180°范围内伸
第1期 许 萍,张惠娟:浅析硫酸储罐设计的特点及措施69
至少25mm,见图3
。
图3 接管结构示意图
Fig.3 SchematicDiagramof一般情况下,放空管(压力阀口)寸需考虑“呼吸”“呼””这个状态。,,还应将,还应配置180°弯头和丝网,见图4、图5
。
,所有,均应为全焊透对接结构,并进行局部X射线检测。罐顶可以采用搭接焊缝。所有的罐底焊缝,应为带垫板的全焊透对接焊缝,罐底应按标准进行真空箱试验。
除上述检验外,罐壁和罐底内表面还应增加磁粉或液体渗透检验。
由于硫酸的蒸汽压力不大,为确保安全,除非另有要求,所有的接管法兰均应采用PN210MPa的压力等级;由于承插焊及螺纹法兰等法兰的内在结构,决定了更容易产
图4 放空口结构示意图
Fig.4 SchenaticDiagramofDischargeOpening
Structure
生腐蚀,因此,应尽量避免使用这类法兰。当需要采用弯头时,为减少磨损腐蚀应力和腐蚀开裂,应尽量采用内部有涂层保护和曲率半径较大的无缝弯头。在接管焊接时,应注意避免不同厚度的接管直接焊在一起,在结构设计时应该将焊缝和结构不连续处分开。
选用垫片时,应尽量使垫片的内径和管口直径相同,以避免磨损腐蚀和缝隙腐蚀。
图5 压力阀接口结构示意图
Fig.5 SchematicDiagramoftheStructureofPres2
sureValveConnectors
5 防腐措施分析
硫酸罐的防腐及运行安全措施,除了上
70有色金属设计 第34卷
述的耐腐蚀材料选择、结构的设计合理外,还可以采取一些其它措施。如改变硫酸流动
状态、电化学保护、钝化、使用覆盖层保护及加强和改进管理等。由于碳钢在硫酸中的抗腐蚀性,取决于其表面生成的一层硫酸亚铁保护膜,当这层保护膜被破坏时,其抗腐蚀能力大大下降,结果是腐蚀速率急剧增加。为了保护这层保护膜,应严格限制硫酸的流速,杜邦公司推荐硫酸的流速为25～75mm/s,而一般建议采用更严格的流速50mm/s。
目前,电化学保护技术已比较成熟,在硫酸行业中得到了普遍应用,主要是阳极保护法。向被保护的金属(阳极)中通入阳极电流,护阳极的,称为阳极保护法通常由阳极、阴极、,的硫酸中,腐蚀,基本上为0105～012mm/a,而且避免了晶间腐蚀;采用阳极保护后,碳钢在硫酸中的腐蚀速率也大大降低。与阳极保护法原理类似的电化学保护法还有阴极保护法,即牺牲阳极法。该方法中,选定另一种金属(实际中多选锌或铝合金)当做阳极,被保护的金属作为阴极。这种方法易于安装,当阳极消耗到初始质量的一定比值时,便可利用清罐的机会更换。
由于硫酸的腐蚀性随温度的升高而增大,为避免因太阳光照而使罐内硫酸的温度升高,应将罐的外壁喷涂一层浅色(通常是白色)的面漆。
生火灾时,应用水喷在附近的可燃物上,并用雾化的高压水或泡沫来冷却罐壁,但绝对禁止直接将水加入硫酸罐内。
放空管道中可能堆积硫酸亚铁,操作时间过长可能会堵塞管口,因此,应定期检查该管口,以确保卸料时的安全。
为保证储罐的安全运行,每2a至少检测一次储罐罐体(包括罐顶、罐壁、罐底)的厚度,每5a至少进行一次内部检测。
加强巡回检查,及时消除漏点。操作人,对易腐蚀的罐顶,,。,,再用耐酸。特别对罐顶包,修复后要定期检查。
7 结语
为了保证硫酸储罐的安全运行,从设计阶段开始就应全面考虑,防患于未然。合理的结构设计,可以防止和减轻各种潜在的腐蚀及危害;正确的选材,是以最低的经济支出来保证储罐安全运行的一种有效手段。
对发烟硫酸,为保护储罐安全,在进料的开始阶段,或是当罐内空置进料时,应对物料的流速加以控制。硫酸与碳钢发生反应生成氢气,检修时应将罐中气体充分放空。
为保证储罐的安全运行,每2a至少检测一次储罐的厚度,并应做好定期巡查工作,每5a至少进行一次内部检测。参考文献:
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〔2〕StanleyS.Grossel.Safe,EfficientHandlingofAcids.
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6 安全措施分析
对发烟硫酸储罐,为保证安全,向空罐
进料时,应控制泵入物料的流速。稀硫酸会与碳钢反应生成氢气,因此,检修时除非确认罐中已充分放空,否则,应完全清除掉附近所有潜在的火源;当附近发
〔3〕Dillon,C.
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〔6〕王艳春,等.阳极保护浓硫酸不锈钢管道的研制与
(上接第61页)
P试=1125P设[σ]/[σ]t+YH式中 Y———液压试验用介质的密度;
H———容器容空总高度。
(2)
查,然后再对内筒试压,并对夹套以外的部
分进行检查。当然,对于内筒压力低于夹套,原则上仍应按GB150和《执行GB150-98要求将试验应力提高到设计
应力的1125倍来检验设备的强度、密封结
[5]
构的致密性以及焊缝的致密性等。文献的分析表明,按式(1)试验的最低要求,,(1),:
(3)P计P设+Y′h
式中 P计———设备计算压力;
Y′———为液体物料的密度;
h———为液体物料的充装高度。
在压力容器的制造过程中,除以上值得
考虑的问题外,还应考虑如何防止焊缝错边(多见于筒节、封头环焊缝处);压力容器制造设备如:卷板机如何控制钢板的最小冷弯半径、消除钢板端部剩余直边、灵活高速数控对称式三辊卷板机参数等问题,由于篇幅有限不再叙述。制造过程是一个实施过程,制造厂家一定要严格遵守相关的制造标准规范,在保证安全的前提下,考虑经济实惠。参考文献:
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〔4〕孙祥升.换热器管子与管板接头连接方法的试验研
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油化工设备,1992,21(4):10-14.
若此时容器卧置试压,其试验压力应为:
P试=1125P计[σ]/[σ]t-YH
(4)
显然,式(4)比式(2)更合适,因
为按式(2)计算试验压力就有可能为满足液压试验而增加设备厚度,可见,以P计代替P设来计算试验压力较为合理。
由于夹套设备的种类及结构形式较多,对于有些结构形式,在试压时可以对内筒进行检查,只要夹套压力高于内筒压力,且夹套试压时内筒不需保压,则完全可以将内筒及夹套一起组焊完毕后进行试压。此时,应先对夹套试压并对被夹套包围的内筒进行检