室內硫酸儲罐的設計與安全維護

胡健清

(中國恩菲工程技術有限公司 冶金化工事業部，北京 100038)

0 引言

硫酸是化學產品中應用最為廣泛的物料之一，幾乎所有的工業都直接或間接地使用硫酸，例如化肥、顏料、炸藥、醫藥品、化學品、金屬提純、橡膠生產、蓄電池制造等。硫酸在冶金、化工、石油工業等領域的應用十分普遍，特別是貫穿于有色金屬濕法冶煉的整個過程。為了滿足濕法工藝各個車間溶液的配酸需求，小型鋼制濃硫酸儲罐如今經常會被配置在濕法冶煉的許多工段。尤其某些貴金屬的精煉，更需要硫酸來溶解去除夾雜的其他金屬。硫酸對金屬具有很強的腐蝕性，因此對其貯存設備具有更高的要求，設備的選材、設計、安全等方面是非常值得關注的問題。隨著濕法冶金工藝的不斷改進，濃硫酸儲罐的需求量日益增多，為了確保硫酸的及時供應，這些小型濃硫酸儲罐一般都配備高位槽置于車間內部，使用非常方便。如某鋅冶煉資源綜合利用項目、某新材料項目、某銅陽極泥稀貴金屬綜合回收項目、某黃金冶煉項目、某鋅銦冶煉技改項目等均采用Φ4 000 mm×4 000 mm以下規格濃硫酸儲罐配合高位槽來滿足工藝生產需求，現場反映使用情況良好。本文主要針對常溫常壓下，室內小型鋼制濃硫酸儲罐的選材、設計與安全維護問題進行探討。

1 儲罐的設計

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，細微的濃度差別有時可能引起較大腐蝕性質的變化。本文簡要介紹硫酸對碳鋼、不銹鋼304L、316L的腐蝕情況。

1.1.1 碳鋼

在一定溫度下，硫酸對碳鋼的腐蝕速率隨濃度的提高而增強，達到一定濃度以后，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大大增加；如硫酸濃度在75%～100%時，溫度25 ℃時，碳鋼是可以使用的，如果溫度上升至65 ℃以上，碳鋼腐蝕較為嚴重，不適用。在硫酸濃度<75%，溫度高于65 ℃時，硫酸儲罐選擇碳鋼是不適合的。對于濃度小于65%的硫酸，不論在什么溫度下，碳鋼均不能使用；但對于常溫常壓，濃度為93%～98%濃硫酸，碳鋼作為儲罐的選材是最經濟合理的，后期的維護也是十分必要的。

1.1.2 不銹鋼304L和316L

常溫狀態下，當硫酸的濃度<5%或>90%時，不銹鋼304L和316L腐蝕情況良好，可以采用；在其他濃度區間內，不銹鋼304L腐蝕較為嚴重，不建議采用；但當硫酸的濃度5%～30%時，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，適用于硫酸儲罐材料的使用范圍被分成多個區域，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，對于濃硫酸，碳鋼是適用的，也是最廣泛的材料。對于濃度小于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，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，一些物理因素也會影響腐蝕性(如固相顆粒、介質流速、結垢等)，酸中的雜質(如含鐵、銅離子等)對其腐蝕性也有很大影響。

1.2 蓋板的設計

對于室內小型濃硫酸儲罐而言，為了保證生產操作的安全性，避免將儲罐時常打開，一般不考慮在槽體蓋板上設置操作平臺。為了操作和檢修方便，可以在旁邊另設獨立的操作平臺，必要時可以在槽蓋上設置標準人孔或手孔。如果生產過程中必須在槽蓋上設置平臺，設計時應充分考慮槽蓋自重及頂部平臺、管道支架及相關設備的附加載荷。對于上述情況，頂部蓋板采用平蓋的結構，并且與槽體采用連續焊接的方式進行連接即能滿足生產要求，具體結構形式見圖1、圖2所示。

圖1 無包邊角鋼的蓋板

圖2 帶加強筋的蓋板

根據蓋板直徑的大小，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為槽蓋與槽體通過包邊角鋼進行連續焊接，這種儲罐的直徑較大。由于槽蓋在本身自重的情況下會發生變形，并且中心的變形最為明顯。由圓形平板計算公式計算出蓋板中心撓度[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‰，一般認為槽蓋的變形在允許的范圍內。此時，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抵抗槽蓋變形。對于這種槽蓋與槽體焊接的儲罐結構，一般將其看成是兩端固定梁結構，根據槽蓋中心變形量的合理范圍來確定型鋼的大小。

蓋板中心變形的計算公式：

(2)

式中L——貫通型鋼長度，mm；

I——型鋼慣性矩，mm4；

fmax——設備頂蓋貫通型鋼中心撓度，mm。

1.3 罐體的設計

濃硫酸儲罐與普通介質的儲罐相比，需要更大的腐蝕裕量。對碳鋼材料而言，如果不采用陽極保護時，中部、底部槽體壁板和槽底，通常腐蝕裕量取4～6 mm；在復雜工況下，槽壁腐蝕裕量甚至可以達到9 mm；如果采用陽極保護，硫酸對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，對于濃硫酸儲罐而言，為了增加使用壽命，保證安全生產，側壁板和底板的厚度應該取得大一些，一般不低于10 mm。同時，為了緩沖硫酸進液時帶來的槽底沖擊，在底板正對進酸管的位置焊接一塊防沖板。為了方便檢查硫酸儲罐底部是否漏液，通常情況下，將底部的鋼筋混凝土基礎做成條形基礎，或者在罐底加支撐型鋼，具體的結構形式如圖3、圖4所示。

圖3 槽底條形基礎支撐

圖4 槽底型鋼支撐

1.4 管口的設計

室內濃硫酸儲罐一般包括以下管口：進酸口、出酸口、液位計口、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 進酸口

為了減少硫酸儲罐的泄漏問題，一般將進酸口設置在槽頂，采用汲取管的方式，將管口伸到液面以下。對于小型濃硫酸儲罐而言，進酸管可以做成可拆卸結構，也可以直接焊接到蓋板上。如果條件受限，也可將進酸口設置在靠近頂部的槽壁處，此時需要采用90°彎頭使進酸口在槽體內保證豎直狀態。為了保護槽壁，進酸口要與槽壁留有一定的距離。為了防止液體飛濺和保護槽底，進酸管在槽體內要伸入足夠的長度，并且在槽底正對進酸口末端的相應位置設置防沖板。為了防止虹吸現象，進酸管上部氣相位置開設一個直徑為8～12 mm的孔即可。

1.進酸口 2.出酸口 3.外置液位計口 4.回流口 5.備用口 6.放空口 7.人孔 8.排氣口 9.頂部液位計口圖5 濃硫酸儲罐模型

1.4.2 出酸口

出酸口和進酸口一樣，一般也采用汲取管的方式，且多為可拆卸結構，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，出酸口也可以設計成齊平接管的形式。對于小型濃硫酸儲罐來說，一般采用后者的接管方式為宜。

1.4.3 液位計口

濃硫酸具有強腐蝕性，為防止溶液過滿，產生“冒槽”狀態帶來安全隱患，通常我們采用液位計來及時觀察儲罐內硫酸液位的變化情況，方便控制液位達到合理的工藝要求，可以通過DCS遠程控制系統，提示高低液位報警。為了進一步保證現場操作人員的人身安全，一般在槽體外側設置浮子磁翻板液位計，便于實地觀測，實現雙重保護；同時，可以在槽壁靠近罐體上部設置溢流口，便于超出液位的酸液溢流到其他的貯存設備中，溢流管口與槽壁內表面平齊。

1.4.4 回流口與備用口

回流口一般設置在濃硫酸儲罐的頂部。主要作用是接收由硫酸高位槽或是其它儲罐多余的硫酸。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需求，槽蓋上設置的備用口在不使用的情況下，必須用盲板將其封住。備用口接管設計時，最好也伸入槽內一定的距離。

1.4.5 放空口

也稱排污口，當濃硫酸儲罐使用一定時間后，槽體需要進行全面檢修，內部要及時清理干凈，這時就需要停槽排空，一些混入到液體里的雜質或者外排，或是泵打到其他的貯存設備中。放空口接管與槽壁內表面平齊。

1.4.6 人孔

方便操作人員在液體放空后清理槽內污垢和檢修。對于普通介質的儲罐來說，人孔蓋一般搭在人孔上即可，有時也可當觀察口使用，但對于濃硫酸儲罐來說，為了保證操作的安全性，一般將入口和蓋子通過螺栓連接在一起，不輕易開啟，并且人孔與槽蓋內表面平齊。

1.4.7 排氣口

通常情況下，排氣口的尺寸需要考慮進出硫酸流速的影響。現場操作人員要及時檢查排氣口的狀態，禁止遮蓋排氣口。排氣口最好設置在槽蓋頂部最高處，并且管口與槽蓋內表面齊平。對于直接排入大氣的管口，應配置180°彎頭和絲網。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制作。排氣口彎頭正下部蓋板應做局部防腐處理，避免排出的酸液腐蝕蓋板。

1.5 制造與檢驗

室內鋼制濃硫酸儲罐所有對接焊縫要求全焊透，主要針對槽體側壁板、底板等部位，側壁板與底板之間的雙面角焊縫需采用連續焊，焊腳尺寸應選取兩者間較薄件的厚度。設備制造完畢后需進行盛水試漏，槽體側壁與槽底所有焊縫必須做煤油滲漏試驗，不得有滲漏現象。

2 安全維護

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

(2)濃硫酸具有很強的吸濕性，如果生產過程中經常停車，罐內酸放空后長時間不用，附著在設備內壁上的濃酸會迅速吸收空氣中的水分而變成稀酸，腐蝕會變得相當嚴重，盡量縮短放空時間。并且當操作維護硫酸儲罐時，要特別注意分析儲罐內的氫含量，避免維修時引起爆炸事故。

(3)濃硫酸儲罐周圍要設置防泄漏安全的圍堰，基礎和地平防腐可以用耐酸花崗巖或耐酸瓷板，圍堰外設置事故存液池，可以將廢酸通過堿性介質中和后排放。圍堰外作業區一般設置洗眼器、噴淋頭，用于濃硫酸濺傷事故處理；設置消防、高壓霧化水裝置，用于滅火和罐壁降溫。作業和維修人員應穿戴合適的防護用品，如手套、膠靴、防護服、防護眼鏡及面罩等。

(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接管流向附近設置的酸性排水溝，或者采用其他的容器進行盛裝。

(5)當容器中盛裝易燃易爆危險介質和毒性程度為中度、高度、極度介質時，不允許選用玻璃管液位計[3]。一般情況下，濃硫酸外置液位計可選用浮球式液位計或者磁翻板液位計。單一液位計高度不能滿足要求時，可采用多個液位計交替布置，當高度大于4 m時應設中間支撐，并且在液位計與罐體之間設置截止閥門，便于后續維修或更換。

3 小結

溫度和濃度是影響濃硫酸儲罐選材的關鍵因素。對于室內濃硫酸儲罐而言，為了確保儲罐在濕法冶金生產過程中安全使用，在投料初始階段或槽內空置進料時，應對硫酸的流速加以控制，預防氧化膜被沖刷破壞；卸料時，放空管道周圍可能堆積硫酸亞鐵，操作時間過長可能會堵塞管口，需定時清理；蓋板與槽體采用全焊接結構進一步保證了設備的嚴密性；加強對蓋板包邊角鋼焊縫處的漏點檢查，及時處理；槽底做成條形基礎或加型鋼支撐，方便檢查泄漏位置；為了進一步確保儲罐的安全運行，延長使用壽命，需做好巡查工作，每年檢查一次儲罐壁厚，定期進行槽體內部檢測；在設備明顯位置涂刷腐蝕性物品標志，警示他人。總而言之，做好室內濃硫酸儲罐的結構設計和維護對于保證安全生產的正常運行至關重要。