硫酸储罐设计

1 硫酸腐蚀原理及特点 表 1 市面上的硫酸常见的浓度、状态及腐蚀特点浓度状态腐蚀性特点备注100%发烟硫 酸氧化性腐蚀 为主1)65%85%硫酸低温下为还原性，高温或沸点下 为氧化性； 2)85%100%硫酸及发烟硫酸在所有温度下都呈 氧化性； 3)浓硫酸具有吸水性，空气中水份也会使敞空的 浓硫酸变稀，对碳钢的腐蚀性增大； 4)65%85%期间，随温度上升，其对碳钢的腐蚀 速率下降； 5)碳钢在 80%100%的硫酸中可形成钝化保护膜， 在无流速、无冲刷、无充气、密封时可耐受 6080； 6)102%以上的发烟硫酸，会破坏钝化膜，腐蚀速 度上升，碳钢和铸铁耐不了。120%的发烟硫酸是 氧化性腐蚀的峰值点。硫酸金属储罐外壁腐蚀主要为气相腐蚀，只是弱腐蚀，一般采取涂装防腐即可， 不是这里讨论的重点。碳钢在硫酸中发生的腐蚀过程是典型的电化学腐蚀。其化学反应式表述如下：Fe+H2S04H2+FeS04金属材料的本质、表面状态及金属阴极相杂质、硫酸浓度(pH 值)、温度都 会影响到金属的氢去极化腐蚀。此外，一些物理因素如介质流速、固相颗粒、 结垢等也会影响硫酸的腐蚀性。 2 硫酸储罐的设计 2.1 类型及概况 分钢制储罐、塑料储罐和玻璃钢储罐，也分为压力容器类和非压力容器类硫酸 储罐，还分为立式和卧式硫酸储罐。本文仅讨论常压硫酸储罐。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。 材料选定后，硫酸储罐的罐体厚度，可按相关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。碳钢罐尽量同时使用阳极保护，此时的腐蚀裕量也需要足足 3mm 厚，合金罐、塑料罐、FRP 罐或其他衬里罐则一般无需预留腐蚀裕量2。2.2 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，也将人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)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。 为保证硫酸金属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。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。 3 硫酸储罐的选材及防腐措施 从表 1市面上的硫酸常见的浓度、状态及腐蚀特点可以看出，针对不同浓 度，不同温度状态的硫酸，耐腐蚀选材也不尽相同。 3.1 金属金属材质硫酸储罐主要分为三类：整体金属材质硫酸储罐、金属外壳内刷涂 料的硫酸储罐、金属外壳内衬玻璃钢或鳞片胶泥硫酸储罐。 3.1.1 整体金属材质 各种不同金属或合金的耐硫酸腐蚀性能及作为硫酸储罐的选择可行性如下：1）普通碳钢不耐 80%以下稀硫酸，但可以耐 65左右的 80%100%的浓硫酸。因碳钢在这一浓度范围内可形成钝化保护膜，因此碳钢可直接用作为常温、无 流速、无冲刷、无充气、密封的 80%100%浓硫酸储存和运输设备的制造材料， 内壁无需额外做其他防腐处理，外壁只需做普通的弱腐蚀防锈耐候涂装处理。 2）普通碳钢和铸铁都不耐 102%以上的发烟硫酸，因此不可作为发烟硫酸储罐 的制造材料 3）铅、铅锑合金、可耐 96%以下室温的硫酸，对 80%以下的硫酸可耐至210（也因表面产生保护膜），但铅锑不耐具有流速和摩擦冲刷的浓硫酸（因其破坏了保护膜）。因此衬铅也是常用的耐硫酸腐蚀设备的制造材料和衬里材 料。4）普通不锈钢（如 304 不锈钢）只能耐 5%以下的极稀的硫酸，和碳钢一样不 直接作为稀硫酸储罐的制造材料。316L 不锈钢是含钼不锈钢，可耐室温下 15%浓 度以内的无流速、无冲刷、无充气的硫酸溶液和 85%100%浓度的常温、无流 速、无冲刷、无充气、密封的硫酸。 5）高硅不锈钢、高合金不锈钢、镍钼铬合金（及哈氏合金）可以同时耐稀、浓 硫酸，可以耐高温、高速下一切浓度硫酸。其中高硅不锈钢最便宜，但高硅不 锈钢抗震差、加工困难、不耐含氟或亚硫酸杂质的硫酸溶液（此时可选用 20 号 高合金钢）。高硅不锈钢是硫酸行业采用最多的合金材料，用来制造硫酸工厂 的干燥塔、吸收塔、管式分酸器、槽管式分酸器、塔内填料支撑箅子板、循环 酸槽、管壳式酸冷却器、管线、泵、法兰和阀门等硫酸生产设备。但是直接采 用高硅不锈钢来制造硫酸储罐，还是不多。 6）铜、镍只能耐 60%以下的不充气的稀硫酸，银、钛、锆、铝、镁也都只是 适于稀硫酸，一般不直接作为硫酸储罐制造材料。7）尽管铂、金、钯、钼这几类金属材料对所有浓度的硫酸都具有非常好的耐蚀 性能，但这些贵金属的成本都非常昂贵，不可能用它们来制作硫酸储罐。 3.1.2 碳钢外壳附加内壁防护措施 实际市面上的金属硫酸罐，90%以上是采用普通碳钢制造的，部分发烟硫酸储 罐是采用合金钢制造的。 普通碳钢用于 80%以下浓度稀硫酸时，务必采取可靠的防护措施。目前市面上 的使用较多的防护形式有：碳钢外壳内刷防腐涂料、碳钢外壳内衬橡胶、碳钢 外壳内衬玻璃钢或玻璃鳞片胶泥。采用碳钢外壳附加防护措施的硫酸储罐只是 稀硫酸储罐的方案之一，大多数时候，直接采用有机塑料、玻璃钢储罐的性价 比和使用寿命会更高。这将在后文阐述。 第一类：碳钢外壳内刷防腐涂料。这类方法一般针对常温下低浓度（45%以下） 稀硫酸碳钢储罐。根据具体浓度大小，选用不同的成膜物的防腐涂料涂刷碳钢 罐内壁。基材处理和施工方法和金属钢结构涂装防腐无异。常选用的防腐涂料 有：环氧防腐涂料、乙烯基酯树脂防腐涂料、聚氨酯防腐涂料、玻璃鳞片防腐 涂料、丙烯酸树脂工业防腐涂料、聚氯乙烯含氟萤丹防腐涂料、氯磺化聚乙烯 防腐涂料等。 第二类：金属外壳内衬橡胶。这类方法就是衬胶，衬胶防腐防腐多见于硫酸环 境下的碳钢槽、管件、法兰等，碳钢储罐用衬胶的方法制作的占少数。 橡胶衬里碳钢硫酸罐也针对的是中低温度下的稀硫酸溶液，它兼具耐磨、防空 蚀、抗应力变化、耐温度骤变等特殊性能，但同时存在耐热性较差（硬质橡胶也不超过 85）、不耐具有氧化性的浓硫酸（耐不了常温下 80%以上浓度的硫酸，耐不了 65以上 65%80%的中等浓度的硫酸）、导热性能差等缺陷。硫酸碳钢储罐衬胶用的品种以氯丁橡胶（CR）和丁基橡胶（IIR）居多，CR 和 IIR 硫酸碳钢储罐的耐硫酸腐蚀性能如表 2。表 2 碳钢衬胶储罐耐硫酸简表硫酸浓度温度氯丁橡胶丁基橡胶1065好好3025好好3065一般好5025好好5065不耐好50100不耐一般7098%25不耐不耐发烟硫酸25不耐不耐第三类：金属外壳内衬玻璃钢或玻璃鳞片胶泥。 这类方法属于树脂重防腐3防腐方法之一。这类方案适用于一定温度下的稀硫 酸。玻璃钢的耐腐蚀性能主要取决于粘结料树脂种类及性能、增强材料种类及 性能、玻璃钢固化程度、施工质量等。 目前市场上适用于 80%浓度以下的稀硫酸的碳钢储罐内衬用玻璃钢树脂主要有 环氧树脂、耐腐蚀不饱和聚酯树脂、乙烯基酯树脂。其中乙烯基酯树脂采用最 多，根据稀硫酸浓度和温度的不同，选用不同类型的乙烯基酯树脂。表 3 是典 型通用乙烯基酯树脂牌号耐硫酸腐蚀性能的简表。 表 3 典型通用乙烯基酯树脂牌号的耐硫酸性能最高长期耐受温度/化学环境浓度（%）标准双酚 A 型乙烯 基酯树脂标准酚醛型乙烯基酯树脂硫酸25100105硫酸50100100硫酸608090硫酸707080硫酸754080硫酸3804050硫酸>80NRLS25硫酸（发烟）NRLS25硫酸（蒸气）100120硫酸/苯磺酸/ 水7/88/56060硫酸/铬酸19.5/0.47070硫酸/铬酸混合 液最大浓度10% 5065硫酸/甲醇30/5/50硫酸/磷酸10/208080硫酸/磷酸25/258080硫酸/硫化氢50/10100100硫酸/硫酸铜25/35100100硫酸/硝酸10/2.57080硫酸/硝酸20/56580硫酸（70%）/ 硝酸（70%）51/102525硫酸/硝酸/磷 酸013/011/ 0306565硫酸/硝酸/氢 氟酸12/20/8/60硫酸/硝酸/盐 酸7/3.5/107070硫酸/盐酸4，25/1080100硫酸/盐酸4，50/154050硫酸/氢氟酸120/65560硫酸/盐酸/氢 氟酸/磷酸/氯 化溶剂140/20/5/35/1NRLS25硫酸/铬酸混合 液（最大浓度 10%）5065备注说明：NR：不建议使用；LS： 该温度下使用寿命较短（通常满足的都为静态容器，室温（最大 40）时一般最多一年的使用寿命）；/ ：没有相关准确数据或没有进行过相关试验（并非一定不能使用，此时建议用户使用前先自 行评估或者致电供应商咨询）；1：建议在防腐蚀阻挡层内层使用两层有机表 面毡；3为最大限度延长使用寿命，必须后固化；4在耐腐蚀阻挡层内，建议使用两层 C 型玻璃纤维表面毡；5在防腐蚀阻挡层或其结构层内，建议使用 耐酸性较佳的玻璃纤维。 3.2 非金属材料 硅酸盐材料（陶瓷、玻璃、搪瓷、耐酸岩石）、浸渍石墨材料等无机尽管可耐 大多数浓度和温度下的硫酸，常作为槽、塔衬里砖板，并不用于硫酸储罐的防 腐。 非金属材料中用于整体硫酸储罐的材料常有两类：整体塑料材质硫酸罐、整体 玻璃钢材质硫酸罐。这两类树脂重防腐的方法都只是适用于中低温度，80%以 下稀硫酸储罐。 3.2.1 整体塑料材质 热塑性塑料一般适用于中低温下 70%以内的稀硫酸，一些特殊的含氟塑料可耐 高温高浓度硫酸。热塑性塑料储罐主要优点是：耐腐蚀性强、操作方便、使用 寿命长、重量轻、对设备的运输、安装、维修都比较有利。高密度 PE 材质储罐，使用温度范围为-70+70，可在上限温度以内盛放50%以内浓度的硫酸，常温下可盛放 75%浓度以内的硫酸，浓度再高，或高温 下具