論述硫酸儲罐設計和防腐要求

硫酸儲罐規劃和防腐要求

摘要：論述了硫酸儲罐的規劃規范、基 本類型及結構規劃，剖析了硫酸對碳鋼的腐蝕及其由此構成的影 響。評論了各種濃度下硫酸儲罐的選材、防腐和安全問題，并提 出了相應的防腐維護辦法，可有效地延伸硫酸儲罐的運用壽命。

關鍵詞：硫酸儲罐;選材;結構規劃;腐蝕;防腐辦法

1 概述 硫酸在國民經濟中的運用非常廣泛，是冶金、化學纖維、染料工 業、化肥工業以及各種有機和無機化學工業的重要質料，并在礦 物加工、制藥、石油煉制和化工職業被廣泛用作催化劑、溶劑 等，因而，在歷史上就有“硫酸是化學工業之母”一說。因為硫 酸具有很強的腐蝕性，所以在出產、運送和運用過程中，硫酸的 安全貯存是一個非常重要的環節。為了確保貯存設備能安全運 行，應從選材、規劃和辦理等方面進行體系地考慮，并予以合理 地組織。筆者根據多年的規劃經歷，對此問題進行了一些研究和 評論，以期與同行商討、評論。

2 腐蝕機理及剖析

2 . 1 部分 腐蝕 硫酸儲罐頂部焊縫的腐蝕為孔蝕和縫隙腐蝕。在濕潤的時節 或雨天，罐內頂部處于濕S03 環境中，罐頂外部存在酸雨的污 染。碳鋼在105 %的發煙硫酸中能夠構成鈍化膜，枯燥的S03 不 會腐蝕罐頂焊縫。在施焊過程中，焊條未烘干或環境濕潤等情 況，都會使焊縫表里外表生成氣孔、夾渣等焊接缺點，這些細小 缺點會構成金屬資料外表的鈍化膜不完整。鈍化膜部分被破壞 后，膜破口處的金屬成為陽極，其周圍廣闊面積的鈍化膜成為陰 極，使腐蝕迅速向內開展，構成點蝕源。

2 . 2 罐壁筒體上的電 化學腐蝕 電化學腐蝕的構成需具有3 個條件： ( l )要有陰、 陽極之間的電位差(即電化學腐蝕的推動力)。即便在同一金屬 外表上，因為各部分物理和化學性質的不同(如金屬原料的內部 結構差異、雜質、氧化膜和膜的破口)以及和金屬接觸的溶液各 部分的不均一(如不同的濃度、成分、氧含量和溫度等)，由倫 特公式能夠看出外表各部分電位也將存在差異。電位較低部分為 陽極，較高部分成為陰極，它們和溶液構成一個電池。 ( 2 )要 有電解質存在，以傳遞自由電子。如果是強電解質，則腐蝕反響 大為加快。 ( 3 )在電池的陰極和陽極之間，要有能接連傳遞自 由電子的電回路。 當罐頂的腐蝕穿孔沒有及時處理或隱瞞時，雨 水經過洞孔沿著罐壁進人罐內，浮在液體上面，與罐內介質發作 化學反響，生成稀硫酸：H20 + S03 =H2 S04 。因為溶液濃度、 金屬外表組份的不均勻，使罐壁金屬在電解質溶液(稀硫酸)中 構成許許多多的腐蝕電池，并發作以下腐蝕反響，直接放出氫 氣：Fe →Fe + , + 2e 陽極反響2H + + 2e →H2 ：陰極反響 碳 鋼外表的某一部分被氧化成鐵離子進人溶液，放出自由電子經過 金屬傳遞給金屬外表的另一部分，金屬溶解的這一部分外表，稱 為陽極，遭受腐蝕;而承受自由電子發作氫的這一部分金屬表 面，稱為陰極。它們都存在于電解質溶液(酸溶液)之中，因而 具有了上述腐蝕電池的必要條件。

2 . 3 硫酸對碳鋼的腐蝕特色 市場上的硫酸濃度為：77 . 67 % , 93 % , 98 % , 99 % , 100 %。對碳鋼的腐蝕性具有如下杰出的特征： ( l )在必定的溫度 下，稀硫酸對碳鋼的腐蝕速率隨濃度的進步而增強，到達必定濃 度后，腐蝕速率隨濃度的進步而急劇下降。硫酸質量濃度溫度腐 蝕速率 ( 2 )同一濃度的硫酸，跟著溫度的升高，腐蝕性會大大 添加。 ( 3 )跟著濃度與溫度的不同，硫酸的腐蝕呈氧化性或還 原性，詳細按如下濃度規模區分：硫酸濃度(質量分數)為0 一 65 , 呈還原性;硫酸濃度(質量分數)為65 - 85 ，在低溫下呈 還原性，高溫或沸點下呈氧化性;硫酸濃度(質量分數)為85 一 100 , 呈氧化性。 硫酸的腐蝕性除與濃度和溫度有關外，酸中的 雜質對其腐蝕性也有很大的影響。此外，一些物理要素也會影響 腐蝕性，如固相顆粒、介質流速、結垢等。由此可見，只有了解 清楚硫酸腐蝕的成因和特色，才干采納正確的防腐辦法。

3 硫酸 罐的選材 濃度為68 %一99 . 5 %的硫酸，在40 ℃ 溫度下對碳 鋼的腐蝕速率小于0 . 75 - 1 mm /a ，在確保必定的腐蝕裕量及 在貯存的景象下，一般是能夠承受的，因而，常溫下的濃硫酸儲 罐選用碳鋼資料制作就能夠滿足要求。 在常溫下，對于濃硫酸， 碳鋼是適用的，也是運用廣泛的資料。濃度小于65 %的硫酸， 不論在什么溫度下，碳鋼都不能運用。溫度在65 ℃ 以上時，不 論硫酸濃度多大(指100 %以下)，碳鋼一般也不能運用，需求 選用更耐腐蝕的資料，如在必定的濃度及溫度下，能夠選用316L 不銹鋼。因為玻璃鋼( FRP )資料具有較好的耐腐蝕特性，因而 具有較好的運用遠景。玻璃鋼可適用于必定溫度下的稀硫酸，由 于玻璃鋼的耐腐蝕性首要取決于樹脂的品種及其功能，所以要害 是要挑選合適的樹脂。常用的樹脂有不飽和聚脂樹脂、環氧樹 脂、乙烯基酯樹脂、吠喃樹脂和酚醛樹脂等5 種。盡管，FRP 抗 腐蝕功能優越，但現在因為受原資料價格和工藝辦法的約束，較 多運用在小型儲罐中，對大型儲罐，還不能悉數替代鋼材。除了 碳鋼或不銹鋼罐外，還可很多選用帶內面料的碳鋼資料。功能較 好的面料資料首要有聚四氟乙烯(PTFE )、聚乙烯(PE)、聚異 丁烯( PIB )、碳氟化合物、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)、 橡膠、玻璃鋼(FRP)、酚脲烷樹脂(PEP樹脂) 、過氟烷基化物 (可溶性聚四氟乙烯 PFA) 樹脂等非金屬資料及高鎳鉻合金等金屬 資料。需求特別注意的是，對碳鋼儲罐的進料管口、出料管口、 放空管口(線)，有必要選用耐硫酸腐蝕的資料制作，若介質是普 通硫酸，能夠選用帶聚氯乙烯面料的碳鋼、高鎳鉻合金等(HAs - TELLOY 、ALLOY20 )資料。對發煙硫酸，能夠選用316L 不銹鋼 或是帶碳氟化合物面料的碳鋼管。

4 硫酸儲罐的規劃

4 . 1 設 計規范 按規劃規范分，鋼制硫酸罐可有2 品種型：一種是壓力容 器類硫酸儲罐，包含立式和臥式2 種辦法。當公稱容積不超過200 m3或規劃壓力較大時，能夠考慮這種辦法的儲罐，限于篇幅，本 文不評論這類儲罐的規劃辦法;另一種是常壓儲罐，這是本文所 評論的內容，即按JB / T4735 一97 《 鋼制焊接常壓容器》 、 API650 , API620 規范規劃的儲罐。一般來說，當公稱容積大于 200 砰且規劃壓力不大時，應優先考慮選用這種儲罐。 上述幾個 規范的壓力規模：JB / T4735 一97 ：500 一2 000Pa ; API650 ≤1 8 000Pa ; AP1620： 1 8 000 一100 000Pa ; 因為硫酸介質 蒸汽分壓一般不高，挨近常壓，JB / T4735 一97 / API650規范 可滿足要求，其規劃壓力一般可取為正壓大于或等于500Pa ，負 壓等于一490Pa 。

4 . 2 結構類型 因為硫酸不存在較大的蒸汽 壓力，無需選用內浮盤。為阻隔空氣及雨水等雜質，需求用固定 頂維護罐內介質，一般采納自支撐的固定頂，且應將加強肋等支 撐件設置在罐頂外壁，并確保在液位下的部件不存在裂紋等缺 陷。從安全視點動身，一般不在罐頂設置操作渠道，為便于操 作、檢修，能夠設置獨立的操作渠道。若有必要設置罐頂渠道，則 在罐頂規劃時，應充沛考慮包含頂部渠道、管支架等相關設備的 設備自重和相關設備帶來的附加載荷的影響。

4 . 3 腐蝕裕量 資料選定后，硫酸儲罐的罐體厚度，可按上述規范進行核算或選 定，與其它儲罐的規劃是相同的，只不過與一般介質的儲罐相 比，鋼制硫酸儲罐需求選用較大的腐蝕裕量。一般情況下，腐蝕 裕量C2 ：可按下述規則來斷定： 對碳鋼資料，當不選用陽極保 護時，中部、底部罐壁板和罐底，一般取C2 ：等于6mm ，因為底圈罐壁板在整個儲罐中腐蝕速率快，而罐底的腐蝕速率要比 該處稍小，因而，為安全起見，對底圈罐壁板，甚至能夠取C2 等于9mm ;若選用陽極維護時，因為硫酸對鋼的腐蝕性大大降 低，故取C ：等于3mm 。 對不銹鋼、Hastelloys , FRP ，帶抗 硫酸腐蝕面料的儲罐或其它合金罐，可取C ：等于0 。

4 . 4 結 構規劃 硫酸罐一般應至少包含如下管口：硫酸人口，硫酸出口， 溢流口，放空口(壓力閥口)，頂部人孔，打掃孔。 為削減泄 漏，硫酸人口一般設置在罐頂，并使管口間隔罐壁至少1200mm 。 但有時因為條件約束，也將人口設置在接近頂部的罐壁處。硫酸 人口一般應選用極取管的辦法，行將管口內伸至液面下。對側壁 人口，則可用90 。彎頭使管線在罐內保持豎直狀況并到達上述要 求。為維護罐底，在罐底正對人口管結尾的相應位置設置防沖 板。為防止介質的虹吸現象，硫酸人口管線應開放空孔，一般只 需求在管線的上部開一個12mm 的孔即可， 硫酸出口一般也采納 內伸羅致管的辦法，且多選用可拆式結構，為便于拆開，外套管 直徑一般取硫酸出口管直徑的2 倍以上。硫酸出口也可規劃成齊 平接收的辦法。為防止充液過多而引起硫酸很多外溢，需求在罐 壁的上部設置溢流管口，該管口與罐壁內外表平齊;也可不設置 該管口，而直接使用高液位外表操控進料管線上的切斷閥來到達 目的。 為維護罐壁，一切罐頂的接收都需求內伸至少25mm ;管 壁的接收，除溢流口或齊平出口外，都應在管口上部180° 規模 內伸至少25mm 。 一般情況下，放空管(壓力閥口)的尺度需考 慮“呼吸”“呼”以及“吸”這3 個狀況。放空管口應設置在罐 的高處，且與罐頂內外表齊平，若儲罐建在室內，還應將放空 口引至室外。對直接放空到大氣的管口，還應裝備180°彎頭和絲 網。 為確保儲罐具有杰出的耐腐蝕性，一切坐落液位下的焊縫， 均應為全焊透對接結構，并進行部分X 射線檢測。罐頂能夠選用 搭接焊縫。一切的罐底焊縫，應為帶墊板的全焊透對接焊縫，罐 底應按規范進行真空箱實驗。 除上述查驗外，罐壁和罐底內外表 還應添加磁粉或液體浸透查驗。 因為硫酸的蒸汽壓力不大，為確 保安全，除非另有要求，一切的接收法蘭均應選用PN2.0MPa 的壓 力等級;因為承插焊及螺紋法蘭等法蘭的內涵結構，決議了更容 易發作腐蝕，因而，應盡量防止運用這類法蘭。當需求選用彎頭 時，為削減磨損腐蝕應力和腐蝕開裂，應盡量選用內部有涂層保 護和曲率半徑較大的無縫彎頭。在接收焊接時，應注意防止不同 厚度的接收直接焊在一起，在結構規劃時應該將焊縫和結構不連 續處分隔。 選用墊片時，應盡量使墊片的內徑和管口直徑相同， 以防止磨損腐蝕和縫隙腐蝕。

5 防腐辦法剖析 硫酸罐的防腐及運轉安全辦法，除了上述的耐腐蝕資料挑選、結構的規劃合理外，還能夠采納一些其它辦法。如改動硫酸活動狀況、電化學保 護、鈍化、運用覆蓋層維護及加強和改善辦理等。因為碳鋼在硫 酸中的抗腐蝕性，取決于其外表生成的一層硫酸亞鐵維護膜，當 這層維護膜被破壞時，其抗腐蝕才能大大下降，結果是腐蝕速率 急劇添加。為了維護這層維護膜，應嚴厲約束硫酸的流速，杜邦 公司引薦硫酸的流速為25 - 75mm/s ，而一般主張選用更嚴厲的 流速50mn /s 。 現在，電化學維護技能已比較老練，在硫酸職業 中得到了遍及運用，首要是陽極維護法。向被維護的金屬(陽 極)中通人陽極電流，使陽極電位向正方向改變來到達維護陽極 的，稱為陽極維護法。陽極維護體系一般由陽極、陰極、操控參 比電極、檢測參比電極和恒電位儀構成。施加陽極維護后，304 L, 306L 在93 %一98 %的硫酸中，腐蝕速率迅速減小，基本上 為0 . 05 一0 . 2mm/a , 并且防止了晶間腐蝕;選用陽極維護 后，碳鋼在硫酸中的腐蝕速率也大大下降。與陽極維護法原理類 似的電化學維護法還有陰極維護法，即獻身陽極法。該辦法中， 選定另一種金屬(實踐中多選鋅或鋁合金)作為陽極，被維護的 金屬作為陰極。這種辦法易于裝置，當陽極耗費到初始質量的一 定比值時，便可使用清罐的時機替換。 因為硫酸的腐蝕性隨溫度 的升高而增大，為防止因太陽光照而使罐內硫酸的溫度升高，應 將罐的外壁噴涂一層淡色(一般是白色)的面漆。

6 安全辦法分析 對發煙硫酸儲罐，為確保安全，向空罐進料時，應操控泵人物 料的流速。 稀硫酸會與碳鋼反響生成氫氣，因而，檢修時除非確 認罐中已充沛放空，否則，應徹底清除去鄰近一切潛在的火源; 當鄰近發作火災時，運用水噴在鄰近的可燃物上，并用霧化的高 壓水或泡沫來冷卻罐壁，但肯定制止直接將水加人硫酸罐內。放 空管道中可能堆積硫酸亞鐵，操作時間過長可能會阻塞管口，因 此，應定時查看該管口，以確保卸料時的安全。為確保儲罐的安 全運轉，每2a 至少檢測一次儲罐罐體(包含罐頂、罐壁、罐底) 的厚度，每5a 至少進行一次內部檢測。加強巡回查看，及時消除 漏點。操作人員要認真執行每小時一次的巡回查看，對易腐蝕的 罐頂，應建立巡檢核，以便及時發現漏點。當罐頂出現蝕孔時， 可采納簡易辦法及時處理。即先用耐酸膠泥修補，再用耐酸橡膠 板補助，并用重物壓緊。特別對罐頂包邊角鋼焊縫處的漏點，修 復后要定時查看。

7 結語 盛裝工業級濃硫酸(對鐵離子沒有控 制要求)儲罐，一般原料選用碳鋼和選用電極維護。盛裝化學純 級濃硫酸(對鐵離子有操控要求)儲罐可選用鋼襯PE儲罐。 為了 確保硫酸儲罐的安全運轉，從規劃階段開端就應全面考慮，防患 于未然。合理的結構規劃，能夠防止和減輕各種潛在的腐蝕及危 害;正確的選材，是以低的經濟支出來確保儲罐安全運轉的一 種有效手法。對發煙硫酸，為維護儲罐安全，在進料的開端階 段，或是當罐內空置進料時，應對物料的流速加以操控。硫酸與 碳鋼發作反響生成氫氣，檢修時應將罐中氣體充沛放空。為確保 儲罐的安全運轉，每2a 至少檢測一次儲罐的厚度，并應做好定時 巡查作業，每5a 至少進行一次內部檢測。