论述硫酸储罐设计和防腐要求

硫酸储罐规划和防腐要求

摘要：论述了硫酸储罐的规划规范、基 本类型及结构规划，剖析了硫酸对碳钢的腐蚀及其由此构成的影 响。评论了各种浓度下硫酸储罐的选材、防腐和安全问题，并提 出了相应的防腐维护办法，可有效地延伸硫酸储罐的运用寿命。

关键词：硫酸储罐;选材;结构规划;腐蚀;防腐办法

1 概述 硫酸在国民经济中的运用非常广泛，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质料，并在矿 物加工、制药、石油炼制和化工职业被广泛用作催化剂、溶剂 等，因而，在历史上就有“硫酸是化学工业之母”一说。因为硫 酸具有很强的腐蚀性，所以在出产、运送和运用过程中，硫酸的 安全贮存是一个非常重要的环节。为了确保贮存设备能安全运 行，应从选材、规划和办理等方面进行体系地考虑，并予以合理 地组织。笔者根据多年的规划经历，对此问题进行了一些研究和 评论，以期与同行商讨、评论。

2 腐蚀机理及剖析

2 . 1 部分 腐蚀 硫酸储罐顶部焊缝的腐蚀为孔蚀和缝隙腐蚀。在湿润的时节 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 %的发烟硫酸中能够构成钝化膜，枯燥的S03 不 会腐蚀罐顶焊缝。在施焊过程中，焊条未烘干或环境湿润等情 况，都会使焊缝表里外表生成气孔、夹渣等焊接缺点，这些细小 缺点会构成金属资料外表的钝化膜不完整。钝化膜部分被破坏 后，膜破口处的金属成为阳极，其周围广阔面积的钝化膜成为阴 极，使腐蚀迅速向内开展，构成点蚀源。

2 . 2 罐壁筒体上的电 化学腐蚀 电化学腐蚀的构成需具有3 个条件： ( l )要有阴、 阳极之间的电位差(即电化学腐蚀的推动力)。即便在同一金属 外表上，因为各部分物理和化学性质的不同(如金属原料的内部 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 特公式能够看出外表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，则腐蚀反响 大为加快。 ( 3 )在电池的阴极和阳极之间，要有能接连传递自 由电子的电回路。 当罐顶的腐蚀穿孔没有及时处理或隐瞒时，雨 水经过洞孔沿着罐壁进人罐内，浮在液体上面，与罐内介质发作 化学反响，生成稀硫酸：H20 + S03 =H2 S04 。因为溶液浓度、 金属外表组份的不均匀，使罐壁金属在电解质溶液(稀硫酸)中 构成许许多多的腐蚀电池，并发作以下腐蚀反响，直接放出氢 气：Fe →Fe + , + 2e 阳极反响2H + + 2e →H2 ：阴极反响 碳 钢外表的某一部分被氧化成铁离子进人溶液，放出自由电子经过 金属传递给金属外表的另一部分，金属溶解的这一部分外表，称 为阳极，遭受腐蚀;而承受自由电子发作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 具有了上述腐蚀电池的必要条件。

2 . 3 硫酸对碳钢的腐蚀特色 市场上的硫酸浓度为：77 . 67 % , 93 % , 98 % , 99 % , 100 %。对碳钢的腐蚀性具有如下杰出的特征： ( l )在必定的温度 下，稀硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的进步而增强，到达必定浓 度后，腐蚀速率随浓度的进步而急剧下降。硫酸质量浓度温度腐 蚀速率 ( 2 )同一浓度的硫酸，跟着温度的升高，腐蚀性会大大 添加。 ( 3 )跟着浓度与温度的不同，硫酸的腐蚀呈氧化性或还 原性，详细按如下浓度规模区分：硫酸浓度(质量分数)为0 一 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，一些物理要素也会影响 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色，才干采纳正确的防腐办法。

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 ，在确保必定的腐蚀裕量及 在贮存的景象下，一般是能够承受的，因而，常温下的浓硫酸储 罐选用碳钢资料制作就能够满足要求。 在常温下，对于浓硫酸， 碳钢是适用的，也是运用广泛的资料。浓度小于65 %的硫酸， 不论在什么温度下，碳钢都不能运用。温度在65 ℃ 以上时，不 论硫酸浓度多大(指100 %以下)，碳钢一般也不能运用，需求 选用更耐腐蚀的资料，如在必定的浓度及温度下，能够选用316L 不锈钢。因为玻璃钢( FRP )资料具有较好的耐腐蚀特性，因而 具有较好的运用远景。玻璃钢可适用于必定温度下的稀硫酸，由 于玻璃钢的耐腐蚀性首要取决于树脂的品种及其功能，所以要害 是要挑选合适的树脂。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。尽管，FRP 抗 腐蚀功能优越，但现在因为受原资料价格和工艺办法的约束，较 多运用在小型储罐中，对大型储罐，还不能悉数替代钢材。除了 碳钢或不锈钢罐外，还可很多选用带内面料的碳钢资料。功能较 好的面料资料首要有聚四氟乙烯(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) 树脂等非金属资料及高镍铬合金等金属 资料。需求特别注意的是，对碳钢储罐的进料管口、出料管口、 放空管口(线)，有必要选用耐硫酸腐蚀的资料制作，若介质是普 通硫酸，能够选用带聚氯乙烯面料的碳钢、高镍铬合金等(HAs - TELLOY 、ALLOY20 )资料。对发烟硫酸，能够选用316L 不锈钢 或是带碳氟化合物面料的碳钢管。

4 硫酸储罐的规划

4 . 1 设 计规范 按规划规范分，钢制硫酸罐可有2 品种型：一种是压力容 器类硫酸储罐，包含立式和卧式2 种办法。当公称容积不超过200 m3或规划压力较大时，能够考虑这种办法的储罐，限于篇幅，本 文不评论这类储罐的规划办法;另一种是常压储罐，这是本文所 评论的内容，即按JB / T4735 一97 《 钢制焊接常压容器》 、 API650 , API620 规范规划的储罐。一般来说，当公称容积大于 200 砰且规划压力不大时，应优先考虑选用这种储罐。 上述几个 规范的压力规模：JB / T4735 一97 ：500 一2 000Pa ; API650 ≤1 8 000Pa ; AP1620： 1 8 000 一100 000Pa ; 因为硫酸介质 蒸汽分压一般不高，挨近常压，JB / T4735 一97 / API650规范 可满足要求，其规划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 因为硫酸不存在较大的蒸汽 压力，无需选用内浮盘。为阻隔空气及雨水等杂质，需求用固定 顶维护罐内介质，一般采纳自支撑的固定顶，且应将加强肋等支 撑件设置在罐顶外壁，并确保在液位下的部件不存在裂纹等缺 陷。从安全视点动身，一般不在罐顶设置操作渠道，为便于操 作、检修，能够设置独立的操作渠道。若有必要设置罐顶渠道，则 在罐顶规划时，应充沛考虑包含顶部渠道、管支架等相关设备的 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 资料选定后，硫酸储罐的罐体厚度，可按上述规范进行核算或选 定，与其它储罐的规划是相同的，只不过与一般介质的储罐相 比，钢制硫酸储罐需求选用较大的腐蚀裕量。一般情况下，腐蚀 裕量C2 ：可按下述规则来断定： 对碳钢资料，当不选用阳极保 护时，中部、底部罐壁板和罐底，一般取C2 ：等于6mm ，因为底圈罐壁板在整个储罐中腐蚀速率快，而罐底的腐蚀速率要比 该处稍小，因而，为安全起见，对底圈罐壁板，甚至能够取C2 等于9mm ;若选用阳极维护时，因为硫酸对钢的腐蚀性大大降 低，故取C ：等于3mm 。 对不锈钢、Hastelloys , FRP ，带抗 硫酸腐蚀面料的储罐或其它合金罐，可取C ：等于0 。

4 . 4 结 构规划 硫酸罐一般应至少包含如下管口：硫酸人口，硫酸出口， 溢流口，放空口(压力阀口)，顶部人孔，打扫孔。 为削减泄 漏，硫酸人口一般设置在罐顶，并使管口间隔罐壁至少1200mm 。 但有时因为条件约束，也将人口设置在接近顶部的罐壁处。硫酸 人口一般应选用极取管的办法，行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况并到达上述要 求。为维护罐底，在罐底正对人口管结尾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 需求在管线的上部开一个12mm 的孔即可， 硫酸出口一般也采纳 内伸罗致管的办法，且多选用可拆式结构，为便于拆开，外套管 直径一般取硫酸出口管直径的2 倍以上。硫酸出口也可规划成齐 平接收的办法。为防止充液过多而引起硫酸很多外溢，需求在罐 壁的上部设置溢流管口，该管口与罐壁内外表平齐;也可不设置 该管口，而直接使用高液位外表操控进料管线上的切断阀来到达 目的。 为维护罐壁，一切罐顶的接收都需求内伸至少25mm ;管 壁的接收，除溢流口或齐平出口外，都应在管口上部180° 规模 内伸至少25mm 。 一般情况下，放空管(压力阀口)的尺度需考 虑“呼吸”“呼”以及“吸”这3 个状况。放空管口应设置在罐 的高处，且与罐顶内外表齐平，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，还应装备180°弯头和丝 网。 为确保储罐具有杰出的耐腐蚀性，一切坐落液位下的焊缝， 均应为全焊透对接结构，并进行部分X 射线检测。罐顶能够选用 搭接焊缝。一切的罐底焊缝，应为带垫板的全焊透对接焊缝，罐 底应按规范进行真空箱实验。 除上述查验外，罐壁和罐底内外表 还应添加磁粉或液体浸透查验。 因为硫酸的蒸汽压力不大，为确 保安全，除非另有要求，一切的接收法兰均应选用PN2.0MPa 的压 力等级;因为承插焊及螺纹法兰等法兰的内涵结构，决议了更容 易发作腐蚀，因而，应尽量防止运用这类法兰。当需求选用弯头 时，为削减磨损腐蚀应力和腐蚀开裂，应尽量选用内部有涂层保 护和曲率半径较大的无缝弯头。在接收焊接时，应注意防止不同 厚度的接收直接焊在一起，在结构规划时应该将焊缝和结构不连 续处分隔。 选用垫片时，应尽量使垫片的内径和管口直径相同， 以防止磨损腐蚀和缝隙腐蚀。

5 防腐办法剖析 硫酸罐的防腐及运转安全办法，除了上述的耐腐蚀资料挑选、结构的规划合理外，还能够采纳一些其它办法。如改动硫酸活动状况、电化学保 护、钝化、运用覆盖层维护及加强和改善办理等。因为碳钢在硫 酸中的抗腐蚀性，取决于其外表生成的一层硫酸亚铁维护膜，当 这层维护膜被破坏时，其抗腐蚀才能大大下降，结果是腐蚀速率 急剧添加。为了维护这层维护膜，应严厉约束硫酸的流速，杜邦 公司引荐硫酸的流速为25 - 75mm/s ，而一般主张选用更严厉的 流速50mn /s 。 现在，电化学维护技能已比较老练，在硫酸职业 中得到了遍及运用，首要是阳极维护法。向被维护的金属(阳 极)中通人阳极电流，使阳极电位向正方向改变来到达维护阳极 的，称为阳极维护法。阳极维护体系一般由阳极、阴极、操控参 比电极、检测参比电极和恒电位仪构成。施加阳极维护后，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 , 并且防止了晶间腐蚀;选用阳极维护 后，碳钢在硫酸中的腐蚀速率也大大下降。与阳极维护法原理类 似的电化学维护法还有阴极维护法，即献身阳极法。该办法中， 选定另一种金属(实践中多选锌或铝合金)作为阳极，被维护的 金属作为阴极。这种办法易于装置，当阳极耗费到初始质量的一 定比值时，便可使用清罐的时机替换。 因为硫酸的腐蚀性随温度 的升高而增大，为防止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淡色(一般是白色)的面漆。

6 安全办法分析 对发烟硫酸储罐，为确保安全，向空罐进料时，应操控泵人物 料的流速。 稀硫酸会与碳钢反响生成氢气，因而，检修时除非确 认罐中已充沛放空，否则，应彻底清除去邻近一切潜在的火源; 当邻近发作火灾时，运用水喷在邻近的可燃物上，并用雾化的高 压水或泡沫来冷却罐壁，但肯定制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阻塞管口，因 此，应定时查看该管口，以确保卸料时的安全。为确保储罐的安 全运转，每2a 至少检测一次储罐罐体(包含罐顶、罐壁、罐底) 的厚度，每5a 至少进行一次内部检测。加强巡回查看，及时消除 漏点。操作人员要认真执行每小时一次的巡回查看，对易腐蚀的 罐顶，应建立巡检核，以便及时发现漏点。当罐顶出现蚀孔时， 可采纳简易办法及时处理。即先用耐酸胶泥修补，再用耐酸橡胶 板补助，并用重物压紧。特别对罐顶包边角钢焊缝处的漏点，修 复后要定时查看。

7 结语 盛装工业级浓硫酸(对铁离子没有控 制要求)储罐，一般原料选用碳钢和选用电极维护。盛装化学纯 级浓硫酸(对铁离子有操控要求)储罐可选用钢衬PE储罐。 为了 确保硫酸储罐的安全运转，从规划阶段开端就应全面考虑，防患 于未然。合理的结构规划，能够防止和减轻各种潜在的腐蚀及危 害;正确的选材，是以低的经济支出来确保储罐安全运转的一 种有效手法。对发烟硫酸，为维护储罐安全，在进料的开端阶 段，或是当罐内空置进料时，应对物料的流速加以操控。硫酸与 碳钢发作反响生成氢气，检修时应将罐中气体充沛放空。为确保 储罐的安全运转，每2a 至少检测一次储罐的厚度，并应做好定时 巡查作业，每5a 至少进行一次内部检测。