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硫酸储罐设计

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  • 上传时间:2018-10-17
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    • 1、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

      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

      3、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

      4、,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

      5、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

      6、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

      7、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

      8、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

      9、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

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