硫酸储罐设计说明

浓度状态腐蚀性100%发烟硫 酸氧化性腐蚀 为主特点备注1硫酸腐蚀原理与特点表1市面上的硫酸常见的浓度、状态与腐蚀特点165%浓度以下的稀硫酸在所有温度都为复原 性；2稀硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的提高而增 强；到达一定浓度后47%50%是电化学腐蚀速 度的峰值点，腐蚀速率随浓度的提高而急剧下 降；3同一浓度的稀硫酸随着温度的增加，腐蚀性 会加大；4杂质对腐蚀也有很大的影响，如含氟、氯等 其他离子；5介质流速越大、固相颗粒多也会加剧稀硫酸 溶液的腐蚀性。1) 65%85%硫酸低温下为复原性，高温或沸点下 为氧化性；2) 85%100%硫酸与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 60C80C；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。其化学反响式表述如下:Fe+H2S04一H2+FeS04金属材料的本质、外表状态与金属阴极相杂质、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类型与概况分钢制储罐、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，无需采用浮盘。为隔离空气与雨水等杂质，需要 用固定顶保护罐介质，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。从平安角度出发，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。假 设必须设置罐顶平台，那么在罐顶设计时，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，可按相关标准进展计算或选定，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罐或其他衬里罐那么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，即将管口伸至液面下。对侧壁入口，那么可用90笆弯头使管线在 罐保持竖直状态并到达上述要求。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收的 形式。为防止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，该管口与罐壁外表平齐；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到达目的。为保护罐壁，所有罐顶的接收都需要伸至少25mm;管壁的接收，除溢流口或齐 平出口外，都应在管口上部180笆围伸至少25mm。一般情况下，放空管（压力阀 口）应设置在罐的最高处，且与罐顶外表齐平，假设储罐建在室，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笆弯头和丝网。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，并进展局部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，罐底应按标准进展真空箱试验。罐壁和 罐底外表还应增加磁粉或液体渗透检验。由于硫酸的蒸汽压力不大，为确保平安，除非另有要求，所有的接收法兰均应 采用PN2.0MPa的压力等级；由于承插焊与螺纹法兰等法兰的在结构，决定了更 容易产生腐蚀，因此，应尽量防止使用这类法兰。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，应尽量使垫片的径和管口直径 一样，以防止磨损腐蚀和缝隙腐蚀。3硫酸储罐的选材与防腐措施从表1市面上的硫酸常见的浓度、状态与腐蚀特点可以看出，针对不同浓 度，不同温度状态的硫酸，耐腐蚀选材也不尽一样。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、金属外壳刷 涂料的硫酸储罐、金属外壳衬玻璃钢或鳞片胶泥硫酸储罐。各种不同金属或合金的耐硫酸腐蚀性能与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笆左右的80%100%的浓硫酸。 因碳钢在这一浓度围可形成钝化保护膜，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， 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笆 也因外表产生保护膜，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、镍钼铬合金与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。其中高硅不锈钢最廉价，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 的枯燥塔、吸收塔、管式分酸器、槽管式分酸器、塔填料支撑算子板、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，但这些贵金属的本钱都非常昂贵，不可能用它们来制作硫酸储罐。实际市面上的金属硫酸罐，90%以上是采用普通碳钢制造的，局部发烟硫酸储罐 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：碳钢外壳刷防腐涂料、碳钢外壳衬橡胶、碳钢外壳 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 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笆、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笆以上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|10%65C好好30%25笆好好30%65C一般好50%25C好好50%65C不耐好50%100C不耐一般70%98%25C不耐不耐发烟硫酸25C不耐不耐第三类：金属外壳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与性能、增强材料种类与 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/c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013/0 11/0306565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笆时一般最多一年的使用寿命；/:没有相关准确数据或没有进展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给商咨询；1：建议在防腐蚀阻挡层层使用两层有机外 表毡；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，建议 使用两层C型玻璃纤维外表毡；5在防腐蚀阻挡层或其结构层，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。热塑性塑料一般适用于中低温下70%以的稀硫酸，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、维修都比拟有利。高密度PE材质储罐，使用温度围为-70笆+70笆，可在上限温度以盛放50%以 浓度的硫酸，常温下可盛放75%浓度以的硫酸，浓度再高，或高温下具有氧化 性的硫酸，PE材质储罐已经不适宜了 PP的强度较PE更好，韧性更佳，整体 塑料储罐材质更多项选择用的是PP。PP材质储罐可在使用温度围（-20笆 +120笆）盛放65%以浓度的硫酸，但同样不能用于强氧化性的硫酸。PVC也可用 于整体塑料储罐，在使用温度围（-40笆+60笆）适用于65%以浓度的硫酸，也 耐不了氧化性的硫酸。经过氯化的氯化聚氯乙烯CPVC材质的硫酸储罐，适用于 80%浓度以85笆以下的硫酸溶液。聚四氟乙烯，PTFE可在240笆以盛放任意浓度的硫酸或发烟硫酸，聚全氟乙丙 稀F46的加工性能较PTFE更好，其材质的储罐也可在200笆以盛放任意浓度的 硫酸或发烟硫酸。含氟类塑料是硫酸塑料储罐最正确的热塑性塑料选择，但本 钱非常高，实际使用极少。实际场合下，PP、PVC材料的塑料储罐，由于加工成型的限制，多以标准型号 的中小型立式和卧式的整体贮槽、贮罐为主。热固性塑料玻璃钢只适用于长期浸泡在85%浓度以下的硫酸，并且浓度不同， 耐温级别不同，对硫酸蒸汽，耐温会更高。FRP材料的耐硫酸的浓度和温度随 热固性树脂、纤维增强材料的不同而不同。表4常见的热固性树脂耐受硫酸温度（笆）性能汇总硫酸浓度双酚A 型EPR酚醛树 脂PHR吠喃树脂（糠醇型）邻苯 型UPR间苯 型UPR双酚A 型UPR双酚A型VERXXX酚醛型VERXXX254010010060709010010550251006025406010010060NR6040LS252540809070NR6025NRNR25708075NR25NRNRNRNR408080NRNRNRNRNRNR405080NRNRNRNRNRNRNRLS25发烟NRNRNRNRNRNRNRLS25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笆时一般最多一年的使用寿命。目前市场上，玻璃钢硫酸储罐的耐腐蚀树脂选材主要集中在耐腐蚀型不饱和聚 酯树脂、乙烯基酯树脂两大类，结构层根据耐温需要选用热变形温度过关的不 饱和聚酯树脂。玻璃钢硫酸储罐主要有几类：立式平底储罐、立式圆底储罐、 卧式储罐、现场缠绕大型储罐、运输罐槽车罐、双壁罐。更多关于此类玻 璃钢储罐的细节描述，有兴趣的读者可阅读笔者必将出版的树脂重防腐一 书。玻璃钢硫酸储罐广泛用于轻工、石油、化工、食品、运输等领域。优点如下： 1轻质高强密度为1.6-1.9g/cm3，为钢材的1/4，但比强度更高；2耐 腐蚀；3热膨胀系数小，保温隔热性能好；4非标成型方便，维修方便；5 耐低温性能好；6可在工厂部制作，也可现场制作，如现场缠绕大型立式储 罐。玻璃钢储罐主要的制造工艺：一类品质较低的方法是手工制作的也可先预制储 罐耐蚀壁平板，固化成型后卷起来拼接，再制作结构增强层；另一类品质较高 的是在模具上制作，通常：1根据需要设计制造适宜的模具；2模具外表刷 或喷纯树脂；3富树脂层制作两层富含树脂的外表毡层，以便给耐蚀容器提供 较好的耐腐蚀性能和抗渗透性能；4使用缠绕或手糊的方法，制作短切毡增强 的耐蚀层；5使用缠绕或手糊的防腐制作容器的结构层，直至到达所需厚度为 止；6在容器最外面制作耐候性富树脂层；7储罐底座和盖顶也采用模具并 结合喷射成型制作。玻璃钢硫酸储罐由而外主要的结构如下：1富树脂层层耐蚀层：由耐腐蚀衬树脂和外表毡组成，树脂含量大于90%， 厚度1.01.5mm；2耐腐蚀阻挡层次层耐蚀层：为防渗层，由无碱短切纤维和耐腐蚀衬树脂 组成，含量为70%75%，厚度不小于3mm；3结构层增强层：该层对表层和次层起加强作用，抵抗罐体所受外界荷 载，保证罐体刚度和强度，一般采用无碱玻璃布，环向缠绕与穿插螺旋缠绕结 合，根据最终性能和耐热需要采用邻苯型、间苯型或对苯型不饱和聚酯树脂。 树脂含量为40%50%，厚度达设计要求。4外保护层：为抵抗设备使用环境的腐蚀，设备外壁需制作一层保护层，以防 止结构层被环境浸蚀而失效。为防老化层，在该层中参加抗紫外线吸收剂和石 蜡液，减轻贮罐设备在室外紫外线辐射作用下产生的老化作用，厚度为 1.0mm。也可以涂装一层200µ；m的耐候涂料。4其它防腐蚀措施目前市面上，硫酸在储存和运输中的耐蚀材料有：193%100%的浓硫酸和大 于102%的发烟硫酸直接采用碳钢材质槽、桶、罐储存和运装即可；275% 93%中等偏低的硫酸，采用钢质设备储存和运输，壁进展防腐措施保护；375% 以下稀硫酸采用玻璃钢材质的储罐和槽车进展储存和运装。硫酸罐的防腐与运行平安措施，除了上述的耐腐蚀材料选择、结构的设计合理 外，还可以采取一些其它措施，如降低硫酸流速、电化学保护、钝化、使用覆 盖层保护与加强和改良储罐运行管理等。1改变硫酸流动状态。由于碳钢在硫酸中的抗腐蚀性，取决于其外表生成的一 层硫酸亚铁保护膜，当这层保护膜被破坏时，其抗腐蚀能力大大下降，结果是 腐蚀速率急剧增加。为了保护这层保护膜，应严格限制硫酸的流速，硫酸的流 速一般严格控制在50mm/s以；2电化学保护。主要是阳极保护法。施加阳极保护后，碳钢在硫酸中的腐蚀速 率大大降低；3隔热涂料使用。由于硫酸的腐蚀性随温度的升高而增大，为防止因太照而使 罐硫酸的温度升高，应将罐的外壁喷涂一层浅色（通常是白色）的面漆，或者采 用目前面上非常热门的遮热涂料4；4加强管理。浓硫酸具有极强的吸湿性，当碳钢硫酸储罐经常充满浓硫酸时， 腐蚀很微弱，但如果经常放空例如经常停车，放空后长时间不用，附着在 碳钢罐壁上的薄薄一层浓硫酸会迅速吸收空气中水份而变稀，对碳钢的腐蚀就 变得非常严重了，以至于产生穿孔。对浓硫酸碳钢罐的放空加强管理，缩短放 空时间，或采取其他除湿等管理措施，也是十分必要的。5其他平安措施其他平安措施：1对发烟硫酸储罐，为保证平安，向空罐进料时，应控制泵人 物料的流速。稀硫酸会与碳钢反响生成氢气，因此，检修时除非确认罐中已充 分放空，否那么，应完全去除掉附近所有潜在的火源。2当附近发生火灾时， 应用水喷在附近的可燃物上，并用雾化的高压水或泡沫来冷却罐壁，但绝对禁 止直接将水参加硫酸罐。3放空管道中可能堆积硫酸亚铁，操作时间过长可能 会堵塞管口，因此，应定期检查该管口，以确保卸料时的平安。4为保证储罐 的平安运行，每2年至少检测一次储罐罐体（包括罐顶、罐壁、罐底）的厚度， 每5年至少进展一次部检测，以便与时发现漏点，与时修补。5对衬里型硫酸 罐需要着重检查衬里的腐蚀程度，漏电情况，与时修缮。6对整体玻璃钢储 罐，除常规腐蚀情况检查外，特别注意法兰、接口、相液面等关键部位的检 查，出现隐患，与时修复。5完毕语针对硫酸介质的储存和运输，务必根据硫酸的浓度、温度、流速、相态、杂质 成分等多角度考虑，在碳钢、合金、玻璃钢衬里、橡胶衬里、塑料、玻璃钢等 材料中，进展平安、合理的选材，保证恰当的设计前提下，对硫酸储罐进展正 确的维护和管理也是十分重要的。