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【无锡伟星】硫酸储罐设计和防腐要求

无锡伟星储罐有限公司——国内最具规模的整体一次成型耐腐耐磨化工防腐装备制造公司,是一家集科研、开发、制造、服务为一体的高新技术企业。 本公司产品主要以低密度聚乙烯(LLDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)及其它辅助添加剂为原料,采用滚塑整体一次成型技术,无接缝,不渗漏。产品具有高强度、耐腐蚀、重量轻、抗老化、抗冲击、寿命长等特点,生产的滚塑一次成型全塑储罐、钢塑复合储罐、运输罐防腐、反应釜、搅拌罐、管道及设备防腐等产品被广泛应用于化工、运输、稀土、医药、印染、造纸、海洋养殖、环保等诸多领域。

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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,并提

出了相应的防腐保护措施,可有效地延长硫酸储罐的使用寿命。

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。 2 腐蚀机理及分析 2 . 1 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S03 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S03 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,膜破口处的金属成为阳极,其周围广大面积的钝化膜成为阴

极,使腐蚀迅速向内发展,形成点蚀源。 2 . 2 罐壁筒体上的电

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人罐内,浮在液体上面,与罐内介质发生

金属表面组份的不均匀,使罐壁金属在电解质溶液(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

钢表面的某一部分被氧化成铁离子进人溶液,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(酸溶液)之中,因而

具备了上述腐蚀电池的必要条件。 2 . 3 硫酸对碳钢的腐蚀特点

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。硫酸质量浓度温度腐

蚀速率 ( 2 )同一浓度的硫酸,随着温度的升高,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

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 一

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 浓度为68 %一99 . 5 %的硫酸,在40 ℃ 温度下对碳

钢的腐蚀速率小于0 . 75 - 1 mm /a ,在保证一定的腐蚀裕量及

在储存的情形下,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。 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、吠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 )、聚乙烯(PE)、聚异

丁烯( PIB )、碳氟化合物、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、

橡胶、玻璃钢(FRP)、酚脲烷树脂(PEP树脂) 、过氟烷基化物

(可溶性聚四氟乙烯 PFA) 树脂等非金属材料及高镍铬合金等金属

材料。需要特别注意的是,对碳钢储罐的进料管口、出料管口、

放空管口(线),必须采用耐硫酸腐蚀的材料制造,若介质是普

通硫酸,可以采用带聚氯乙烯衬里的碳钢、高镍铬合金等(HAs -

TELLOY 、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。 4 硫酸储罐的设计 4 . 1 设

器类硫酸储罐,包括立式和卧式2 种形式。当公称容积不超过200

m3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 一97 《 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

200 砰且设计压力不大时,应优先考虑采用这种储罐。 上述几个

蒸汽分压一般不高,接近常压,JB / T4735 一97 / 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

压等于一490Pa 。 4 . 2 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。 4 . 3 腐蚀裕量

材料选定后,硫酸储罐的罐体厚度,可按上述标准进行计算或选

定,与其它储罐的设计是一样的,只不过与普通介质的储罐相

比,钢制硫酸储罐需要采用较大的腐蚀裕量。一般情况下,腐蚀

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

溢流口,放空口(压力阀口),顶部人孔,清扫孔。 为减少泄

漏,硫酸人口一般设置在罐顶,并使管口距离罐壁至少1200mm 。

但有时由于条件限制,也将人口设置在靠近顶部的罐壁处。硫酸

人口一般应采用极取管的方式,即将管口内伸至液面下。对侧壁

人口,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,在罐底正对人口管末端的相应位置设置防冲

板。为防止介质的虹吸现象,硫酸人口管线应开放空孔,一般只

需要在管线的上部开一个12mm 的孔即可, 硫酸出口一般也采取

内伸汲取管的方式,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。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

内伸至少25mm 。 一般情况下,放空管(压力阀口)的尺寸需考

虑“呼吸”“呼”以及“吸”这3 个状态。放空管口应设置在罐

的最高处,且与罐顶内表面齐平,若储罐建在室内,还应将放空

口引至室外。对直接放空到大气的管口,还应配置180°弯头和丝

网。 为保证储罐具有良好的耐腐蚀性,所有位于液位下的焊缝,

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PN2.0MPa 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。 5 防腐措施分析 硫酸罐的防腐及

运行安全措施,除了上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50mn /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)中通人阳极电流,使阳极电位向正方向变化来达到保护阳极

的,称为阳极保护法。阳极保护系统通常由阳极、阴极、控制参

比电极、检测参比电极和恒电位仪构成。施加阳极保护后,304

L, 306L 在93 %一98 %的硫酸中,腐蚀速率迅速减小,基本上

为0 . 05 一0 . 2mm/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。 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,应控制泵人物

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人硫酸罐内。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。操作人员要认真执行每小时一次的巡回检查,对易腐蚀的

罐顶,应设立巡检点,以便及时发现漏点。当罐顶出现蚀孔时,

可采取简易方法及时处理。即先用耐酸胶泥修补,再用耐酸橡胶

板贴补,并用重物压紧。特别对罐顶包边角钢焊缝处的漏点,修

复后要定期检查。 7 结语 盛装工业级浓硫酸(对铁离子没有控

制要求)储罐,一般材质采用碳钢和采用电极保护。盛装化学纯

级浓硫酸(对铁离子有控制要求)储罐可采用钢衬PE储罐。 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。