胡健清

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 冶金化工事業(yè)部，北京 100038)

0 引言

硫酸是化學(xué)產(chǎn)品中應(yīng)用最為廣泛的物料之一，幾乎所有的工業(yè)都直接或間接地使用硫酸，例如化肥、顏料、炸藥、醫(yī)藥品、化學(xué)品、金屬提純、橡膠生產(chǎn)、蓄電池制造等。硫酸在冶金、化工、石油工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用十分普遍，特別是貫穿于有色金屬濕法冶煉的整個(gè)過(guò)程。為了滿足濕法工藝各個(gè)車間溶液的配酸需求，小型鋼制濃硫酸儲(chǔ)罐如今經(jīng)常會(huì)被配置在濕法冶煉的許多工段。尤其某些貴金屬的精煉，更需要硫酸來(lái)溶解去除夾雜的其他金屬。硫酸對(duì)金屬具有很強(qiáng)的腐蝕性，因此對(duì)其貯存設(shè)備具有更高的要求，設(shè)備的選材、設(shè)計(jì)、安全等方面是非常值得關(guān)注的問(wèn)題。隨著濕法冶金工藝的不斷改進(jìn)，濃硫酸儲(chǔ)罐的需求量日益增多，為了確保硫酸的及時(shí)供應(yīng)，這些小型濃硫酸儲(chǔ)罐一般都配備高位槽置于車間內(nèi)部，使用非常方便。如某鋅冶煉資源綜合利用項(xiàng)目、某新材料項(xiàng)目、某銅陽(yáng)極泥稀貴金屬綜合回收項(xiàng)目、某黃金冶煉項(xiàng)目、某鋅銦冶煉技改項(xiàng)目等均采用Φ4 000 mm×4 000 mm以下規(guī)格濃硫酸儲(chǔ)罐配合高位槽來(lái)滿足工藝生產(chǎn)需求，現(xiàn)場(chǎng)反映使用情況良好。本文主要針對(duì)常溫常壓下，室內(nèi)小型鋼制濃硫酸儲(chǔ)罐的選材、設(shè)計(jì)與安全維護(hù)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

1.1 材料的選取

不同的鋼材在不同溫度和濃度的硫酸中具有不同的耐蝕性，細(xì)微的濃度差別有時(shí)可能引起較大腐蝕性質(zhì)的變化。本文簡(jiǎn)要介紹硫酸對(duì)碳鋼、不銹鋼304L、316L的腐蝕情況。

1.1.1 碳鋼

在一定溫度下，硫酸對(duì)碳鋼的腐蝕速率隨濃度的提高而增強(qiáng)，達(dá)到一定濃度以后，腐蝕速率隨濃度的提高而急劇下降。室溫下碳鋼在硫酸中的腐蝕速率如下：硫酸濃度<65%，腐蝕速率為>1.5 mm/a，腐蝕嚴(yán)重，不適用；硫酸濃度65%～75%，腐蝕速率為0.5～1.5 mm/a，腐蝕較為嚴(yán)重，一般也不適用；硫酸濃度75%～100%，腐蝕速率為0.05～0.5 mm/a，情況良好，可以采用。

同一濃度的硫酸，隨著溫度的升高腐蝕性會(huì)大大增加；如硫酸濃度在75%～100%時(shí)，溫度25 ℃時(shí)，碳鋼是可以使用的，如果溫度上升至65 ℃以上，碳鋼腐蝕較為嚴(yán)重，不適用。在硫酸濃度<75%，溫度高于65 ℃時(shí)，硫酸儲(chǔ)罐選擇碳鋼是不適合的。對(duì)于濃度小于65%的硫酸，不論在什么溫度下，碳鋼均不能使用；但對(duì)于常溫常壓，濃度為93%～98%濃硫酸，碳鋼作為儲(chǔ)罐的選材是最經(jīng)濟(jì)合理的，后期的維護(hù)也是十分必要的。

1.1.2 不銹鋼304L和316L

常溫狀態(tài)下，當(dāng)硫酸的濃度<5%或>90%時(shí)，不銹鋼304L和316L腐蝕情況良好，可以采用；在其他濃度區(qū)間內(nèi)，不銹鋼304L腐蝕較為嚴(yán)重，不建議采用；但當(dāng)硫酸的濃度5%～30%時(shí)，不銹鋼316L耐腐蝕性能良好，可以采用；溫度逐步升高至80 ℃以后，不銹鋼304L和316L的腐蝕明顯加重，均不宜采用。

在保證一定的腐蝕裕量情況下，碳鋼作為濃硫酸儲(chǔ)罐的材料是最先考慮的。隨著濃度和溫度的變化，適用于硫酸儲(chǔ)罐材料的使用范圍被分成多個(gè)區(qū)域，包括碳鋼、高鎳鉻合金、含鉬不銹鋼、鈦、橡膠、陶瓷等多種材料。在常溫下，對(duì)于濃硫酸，碳鋼是適用的，也是最廣泛的材料。對(duì)于濃度小于65%的硫酸，不論在什么溫度下，碳鋼都不能使用。溫度在65 ℃以上時(shí)，硫酸的濃度在100%以下，碳鋼一般也不能使用，需要采用更耐腐蝕的材料，可以考慮帶襯里的材料。在特定的溫度和濃度下，可以選用不銹鋼316L。硫酸的腐蝕性除與濃度和溫度有關(guān)，一些物理因素也會(huì)影響腐蝕性(如固相顆粒、介質(zhì)流速、結(jié)垢等)，酸中的雜質(zhì)(如含鐵、銅離子等)對(duì)其腐蝕性也有很大影響。

1.2 蓋板的設(shè)計(jì)

對(duì)于室內(nèi)小型濃硫酸儲(chǔ)罐而言，為了保證生產(chǎn)操作的安全性，避免將儲(chǔ)罐時(shí)常打開，一般不考慮在槽體蓋板上設(shè)置操作平臺(tái)。為了操作和檢修方便，可以在旁邊另設(shè)獨(dú)立的操作平臺(tái)，必要時(shí)可以在槽蓋上設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)人孔或手孔。如果生產(chǎn)過(guò)程中必須在槽蓋上設(shè)置平臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮槽蓋自重及頂部平臺(tái)、管道支架及相關(guān)設(shè)備的附加載荷。對(duì)于上述情況，頂部蓋板采用平蓋的結(jié)構(gòu)，并且與槽體采用連續(xù)焊接的方式進(jìn)行連接即能滿足生產(chǎn)要求，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 無(wú)包邊角鋼的蓋板

圖2 帶加強(qiáng)筋的蓋板

根據(jù)蓋板直徑的大小，槽蓋和槽體的連接方式有以上兩種。圖1為槽蓋與槽體直接焊接，這種儲(chǔ)罐一般直徑D≤2 200 mm，由《NB/T 47003.1—2009鋼制焊接常壓容器》可以查得。圖2為槽蓋與槽體通過(guò)包邊角鋼進(jìn)行連續(xù)焊接，這種儲(chǔ)罐的直徑較大。由于槽蓋在本身自重的情況下會(huì)發(fā)生變形，并且中心的變形最為明顯。由圓形平板計(jì)算公式計(jì)算出蓋板中心撓度[1]：

(1)

式中q——均布載荷，N/mm2；

R——蓋板半徑，mm；

h——蓋板厚度，mm；

E——蓋板材料的彈性模量，MPa；

f——蓋板中心撓度，mm。

如果中心變形量小于1‰，一般認(rèn)為槽蓋的變形在允許的范圍內(nèi)。此時(shí)，蓋板的厚度滿足要求。如果中心變形量大于1‰，蓋板上就需要加型鋼作支撐來(lái)抵抗槽蓋變形。對(duì)于這種槽蓋與槽體焊接的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，一般將其看成是兩端固定梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)槽蓋中心變形量的合理范圍來(lái)確定型鋼的大小。

蓋板中心變形的計(jì)算公式：

(2)

式中L——貫通型鋼長(zhǎng)度，mm；

I——型鋼慣性矩，mm4；

fmax——設(shè)備頂蓋貫通型鋼中心撓度，mm。

1.3 罐體的設(shè)計(jì)

濃硫酸儲(chǔ)罐與普通介質(zhì)的儲(chǔ)罐相比，需要更大的腐蝕裕量。對(duì)碳鋼材料而言，如果不采用陽(yáng)極保護(hù)時(shí)，中部、底部槽體壁板和槽底，通常腐蝕裕量取4～6 mm；在復(fù)雜工況下，槽壁腐蝕裕量甚至可以達(dá)到9 mm；如果采用陽(yáng)極保護(hù)，硫酸對(duì)碳鋼的腐蝕性就大大降低，不銹鋼304L、316L在93%～98%的濃硫酸中腐蝕速率大大減慢，基本上為0.05～0.2 mm/a[2]。因此，對(duì)于濃硫酸儲(chǔ)罐而言，為了增加使用壽命，保證安全生產(chǎn)，側(cè)壁板和底板的厚度應(yīng)該取得大一些，一般不低于10 mm。同時(shí)，為了緩沖硫酸進(jìn)液時(shí)帶來(lái)的槽底沖擊，在底板正對(duì)進(jìn)酸管的位置焊接一塊防沖板。為了方便檢查硫酸儲(chǔ)罐底部是否漏液，通常情況下，將底部的鋼筋混凝土基礎(chǔ)做成條形基礎(chǔ)，或者在罐底加支撐型鋼，具體的結(jié)構(gòu)形式如圖3、圖4所示。

圖3 槽底條形基礎(chǔ)支撐

圖4 槽底型鋼支撐

1.4 管口的設(shè)計(jì)

室內(nèi)濃硫酸儲(chǔ)罐一般包括以下管口：進(jìn)酸口、出酸口、液位計(jì)口、回流口、備用口、放空口(排污口)、人孔、排氣口等，具體形式如圖5所示。

1.4.1 進(jìn)酸口

為了減少硫酸儲(chǔ)罐的泄漏問(wèn)題，一般將進(jìn)酸口設(shè)置在槽頂，采用汲取管的方式，將管口伸到液面以下。對(duì)于小型濃硫酸儲(chǔ)罐而言，進(jìn)酸管可以做成可拆卸結(jié)構(gòu)，也可以直接焊接到蓋板上。如果條件受限，也可將進(jìn)酸口設(shè)置在靠近頂部的槽壁處，此時(shí)需要采用90°彎頭使進(jìn)酸口在槽體內(nèi)保證豎直狀態(tài)。為了保護(hù)槽壁，進(jìn)酸口要與槽壁留有一定的距離。為了防止液體飛濺和保護(hù)槽底，進(jìn)酸管在槽體內(nèi)要伸入足夠的長(zhǎng)度，并且在槽底正對(duì)進(jìn)酸口末端的相應(yīng)位置設(shè)置防沖板。為了防止虹吸現(xiàn)象，進(jìn)酸管上部氣相位置開設(shè)一個(gè)直徑為8～12 mm的孔即可。

1.進(jìn)酸口 2.出酸口 3.外置液位計(jì)口 4.回流口 5.備用口 6.放空口 7.人孔 8.排氣口 9.頂部液位計(jì)口圖5 濃硫酸儲(chǔ)罐模型

1.4.2 出酸口

出酸口和進(jìn)酸口一樣，一般也采用汲取管的方式，且多為可拆卸結(jié)構(gòu)，方便出酸管的更換。為了便于拆卸，外套管的直徑一般取出酸口管徑的兩倍以上。另外，出酸口也可以設(shè)計(jì)成齊平接管的形式。對(duì)于小型濃硫酸儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，一般采用后者的接管方式為宜。

1.4.3 液位計(jì)口

濃硫酸具有強(qiáng)腐蝕性，為防止溶液過(guò)滿，產(chǎn)生“冒槽”狀態(tài)帶來(lái)安全隱患，通常我們采用液位計(jì)來(lái)及時(shí)觀察儲(chǔ)罐內(nèi)硫酸液位的變化情況，方便控制液位達(dá)到合理的工藝要求，可以通過(guò)DCS遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，提示高低液位報(bào)警。為了進(jìn)一步保證現(xiàn)場(chǎng)操作人員的人身安全，一般在槽體外側(cè)設(shè)置浮子磁翻板液位計(jì)，便于實(shí)地觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)；同時(shí)，可以在槽壁靠近罐體上部設(shè)置溢流口，便于超出液位的酸液溢流到其他的貯存設(shè)備中，溢流管口與槽壁內(nèi)表面平齊。

1.4.4 回流口與備用口

回流口一般設(shè)置在濃硫酸儲(chǔ)罐的頂部。主要作用是接收由硫酸高位槽或是其它儲(chǔ)罐多余的硫酸。為了防止液體飛濺，回流口也要盡量伸入液面以下。考慮到今后工藝的改進(jìn)需求，槽蓋上設(shè)置的備用口在不使用的情況下，必須用盲板將其封住。備用口接管設(shè)計(jì)時(shí)，最好也伸入槽內(nèi)一定的距離。

1.4.5 放空口

也稱排污口，當(dāng)濃硫酸儲(chǔ)罐使用一定時(shí)間后，槽體需要進(jìn)行全面檢修，內(nèi)部要及時(shí)清理干凈，這時(shí)就需要停槽排空，一些混入到液體里的雜質(zhì)或者外排，或是泵打到其他的貯存設(shè)備中。放空口接管與槽壁內(nèi)表面平齊。

1.4.6 人孔

方便操作人員在液體放空后清理槽內(nèi)污垢和檢修。對(duì)于普通介質(zhì)的儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，人孔蓋一般搭在人孔上即可，有時(shí)也可當(dāng)觀察口使用，但對(duì)于濃硫酸儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，為了保證操作的安全性，一般將入口和蓋子通過(guò)螺栓連接在一起，不輕易開啟，并且人孔與槽蓋內(nèi)表面平齊。

1.4.7 排氣口

通常情況下，排氣口的尺寸需要考慮進(jìn)出硫酸流速的影響?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員要及時(shí)檢查排氣口的狀態(tài)，禁止遮蓋排氣口。排氣口最好設(shè)置在槽蓋頂部最高處，并且管口與槽蓋內(nèi)表面齊平。對(duì)于直接排入大氣的管口，應(yīng)配置180°彎頭和絲網(wǎng)。由于排氣口附近的硫酸受到氣相腐蝕，彎頭和接管一般采用耐腐蝕材料來(lái)制作。排氣口彎頭正下部蓋板應(yīng)做局部防腐處理，避免排出的酸液腐蝕蓋板。

1.5 制造與檢驗(yàn)

室內(nèi)鋼制濃硫酸儲(chǔ)罐所有對(duì)接焊縫要求全焊透，主要針對(duì)槽體側(cè)壁板、底板等部位，側(cè)壁板與底板之間的雙面角焊縫需采用連續(xù)焊，焊腳尺寸應(yīng)選取兩者間較薄件的厚度。設(shè)備制造完畢后需進(jìn)行盛水試漏，槽體側(cè)壁與槽底所有焊縫必須做煤油滲漏試驗(yàn)，不得有滲漏現(xiàn)象。

2 安全維護(hù)

(1)室內(nèi)濃硫酸儲(chǔ)罐存放的場(chǎng)所要陰涼、干燥、通風(fēng)良好，必須與易燃或可燃物、堿類及金屬粉末分開存放。鑒于有發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能，貯存濃硫酸的車間要有可靠的防火、防爆措施。

(2)濃硫酸具有很強(qiáng)的吸濕性，如果生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常停車，罐內(nèi)酸放空后長(zhǎng)時(shí)間不用，附著在設(shè)備內(nèi)壁上的濃酸會(huì)迅速吸收空氣中的水分而變成稀酸，腐蝕會(huì)變得相當(dāng)嚴(yán)重，盡量縮短放空時(shí)間。并且當(dāng)操作維護(hù)硫酸儲(chǔ)罐時(shí)，要特別注意分析儲(chǔ)罐內(nèi)的氫含量，避免維修時(shí)引起爆炸事故。

(3)濃硫酸儲(chǔ)罐周圍要設(shè)置防泄漏安全的圍堰，基礎(chǔ)和地平防腐可以用耐酸花崗巖或耐酸瓷板，圍堰外設(shè)置事故存液池，可以將廢酸通過(guò)堿性介質(zhì)中和后排放。圍堰外作業(yè)區(qū)一般設(shè)置洗眼器、噴淋頭，用于濃硫酸濺傷事故處理；設(shè)置消防、高壓霧化水裝置，用于滅火和罐壁降溫。作業(yè)和維修人員應(yīng)穿戴合適的防護(hù)用品，如手套、膠靴、防護(hù)服、防護(hù)眼鏡及面罩等。

(4)濃硫酸放空口(排污口)不要用法蘭蓋盲死。如果采用該方式，打開盲板時(shí)液體容易噴出，造成人身安全隱患。因此，最好在放空口處安裝控制閥門，排出的硫酸可以通過(guò)接管流向附近設(shè)置的酸性排水溝，或者采用其他的容器進(jìn)行盛裝。

(5)當(dāng)容器中盛裝易燃易爆危險(xiǎn)介質(zhì)和毒性程度為中度、高度、極度介質(zhì)時(shí)，不允許選用玻璃管液位計(jì)[3]。一般情況下，濃硫酸外置液位計(jì)可選用浮球式液位計(jì)或者磁翻板液位計(jì)。單一液位計(jì)高度不能滿足要求時(shí)，可采用多個(gè)液位計(jì)交替布置，當(dāng)高度大于4 m時(shí)應(yīng)設(shè)中間支撐，并且在液位計(jì)與罐體之間設(shè)置截止閥門，便于后續(xù)維修或更換。

3 小結(jié)

溫度和濃度是影響濃硫酸儲(chǔ)罐選材的關(guān)鍵因素。對(duì)于室內(nèi)濃硫酸儲(chǔ)罐而言，為了確保儲(chǔ)罐在濕法冶金生產(chǎn)過(guò)程中安全使用，在投料初始階段或槽內(nèi)空置進(jìn)料時(shí)，應(yīng)對(duì)硫酸的流速加以控制，預(yù)防氧化膜被沖刷破壞；卸料時(shí)，放空管道周圍可能堆積硫酸亞鐵，操作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)堵塞管口，需定時(shí)清理；蓋板與槽體采用全焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)一步保證了設(shè)備的嚴(yán)密性；加強(qiáng)對(duì)蓋板包邊角鋼焊縫處的漏點(diǎn)檢查，及時(shí)處理；槽底做成條形基礎(chǔ)或加型鋼支撐，方便檢查泄漏位置；為了進(jìn)一步確保儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命，需做好巡查工作，每年檢查一次儲(chǔ)罐壁厚，定期進(jìn)行槽體內(nèi)部檢測(cè)；在設(shè)備明顯位置涂刷腐蝕性物品標(biāo)志，警示他人。總而言之，做好室內(nèi)濃硫酸儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和維護(hù)對(duì)于保證安全生產(chǎn)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。