硫酸储罐的选材.设计和防腐
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化 工 设 备 与 管 道第42卷
材料
硫酸储罐的选材、设计和防腐
元少昀
(中国石化工程建设公司,北京 100101)
[摘要] 分析了硫酸腐蚀的原理及特点,以大型硫酸储罐为对象,探讨了选材、设计、防腐和安全等问题,并提出了一些相应的安全措施。[关键词] 硫酸; 腐蚀; 储罐; 选材; 设计
1 前言
在硫酸的生产、运输、储存和使用过程中,进行
安全储存是一个非常重要的环节。为了保证这些储存设施的安全运行,需采取正确的措施。这些措施包括:在设计阶段的正确选材,合理设计,改变操作阶段的介质流动状态,采用电化学保护、钝化,使用覆盖层保护以及加强和改进管理等。
2 硫酸对碳钢腐蚀的特点
2.1硫酸腐蚀的原理
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+H2SO4→H2+FeSO4
金属材料的本质、表面状态及金属阴极相杂质、pH值、温度都会影响到金属的氢去极化腐蚀。2.2硫酸腐蚀的特点
商业上得到的一般是如下浓度的硫酸:77.67%、93%、98%、99%、100%,不同浓度的硫酸,其腐蚀性具有如下突出特征。
在一定的温度下,稀硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的提高而增强;达到一定浓度后,腐蚀速率随浓度的提高而急剧下降。硫酸的腐蚀的另一个特点是,同一浓度的硫酸随着温度的增加,腐蚀性会大大增加。硫酸的腐蚀性除与浓度和温度有关外,酸中的杂质对腐蚀也有很大的影响。此外,一些物理因素如介质流速、固相颗粒、结垢等也影响腐蚀性。
3 硫酸储罐的选材
文[2]表明,浓度为68～99.5%的硫酸,在40℃下对碳钢的腐蚀速率
中可以看出,随着浓度和温度的变化,硫酸适用的材料范围分成多个区域,包括碳钢、高镍铬合金(HASTELLOY、ALLOY20)、含钼不锈钢、钛、橡胶、陶瓷等多种材料分布在不同的区域内。该曲线也表明,在常温下,对前述的浓硫酸,碳钢是适用的,也是应用最广泛的。
由于稀硫酸即使在较低的温度下腐蚀性也很大,因此需要采用更耐腐蚀的材料,如在一定的浓度及温度下可以采用316L不锈钢。由于具有较好的耐腐蚀特性,玻璃钢(FRP)材料在此具有较好的应用前景。玻璃钢可适用于一定温度下的稀硫酸,由于玻璃钢的耐腐蚀性主要取决于树脂的种类及其性能,所以关键是要选取合适的FRP树脂。这除了需要应用经验外,还需要遵照树脂生产厂家的指导。常用的树脂有不饱和聚脂树脂,环氧树脂,乙烯基酯树脂,呋喃树脂和酚醛树脂等5种,其中以乙烯基酯树脂和环氧树脂具有较好的耐硫酸腐蚀性和经济效益[1]。虽然FRP抗腐性能优越,但目前由于受原材料价格和工艺方法的限制,应用在小型储罐中。对大型储罐,还不能全部代替钢材。
除了碳钢或不锈钢罐外,设计时还可大量采用带内衬里的碳钢材料,性能较好的衬里材料主要有聚四氟乙烯(PTFE),聚异丁烯(PIB),碳氟化合物,聚氯乙烯,聚丙稀,橡胶,玻璃钢,PEP、PFA树脂等非金属材料及高镍铬合金(HASTELLOY、ALLOY20)等金属材料。
需要特别注意的是,对碳钢储罐的进料管口、出料管口和放空管口(线),必须采用耐硫酸腐蚀的材料制造。若介质是普通硫酸,可以采用带聚氯乙烯衬里的碳钢、高镍铬合金(HASTELLOY、ALLOY20)等材料。对发烟硫酸,可以采用316L不锈钢或是带碳氟化合物衬里的碳钢管。
2005年第3期
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4 硫酸储罐的设计
4.1设计标准
4.4结构设计
按设计标准分,(钢制)硫酸储罐可有两种类型,一种是按GB150/ASME标准设计的压力容器类型扫孔。的硫酸储罐,包括立式和卧式两种形式。一般当公为减少泄漏,硫酸入口一般设置在罐顶,并使管
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称容积不超过200m,或设计压力较大时可以考虑口距离罐壁至少1200mm,但有时由于条件限制,也这种形式的储罐。另一种储罐(本文重点),即按将入口设置在靠近罐底的罐壁处。硫酸入口一般应GB50341/API650/620标准设计的常压大型储罐。采用汲取管的方式,即将管口内伸至液面下,对侧壁一般来说,当公称容积>200m3且设计压力不大时,入口,则可用90°弯头使管线在罐内保持竖直状态应优先采用这种储罐形式。并达到上述要求。为保护罐底,在罐底正对入口管
上述这几个标准覆盖不同的压力范围:
末端的相应位置设置防冲板。为防止介质的虹吸现
GB50341 -490～6000 Pa
象,硫酸入口管线应开放空孔,一般只需要在管线的
API650≤18000Pa
上部开一Ф12的孔即可。
API62018000～100000Pa
硫酸出口一般也采取内伸汲取管的方式,且多
由于硫酸介质蒸气分压一般不高,接近常压,
采用可拆式结构。为便于拆卸,外套管直径一般取
GB50341/API650标准可满足要求,其设计压力一
为硫酸出口管口直径的2倍以上。硫酸出口也可设
般可取为正压≥500Pa,负压=-490Pa。
计成齐平接管的形式。4.2类型
为避免充液过多而引起硫酸大量外溢,需要在由于不存在较大的蒸气压力,无需采用内浮盘。
罐壁的上部设置溢流管口,该管口为与罐壁内表面为分离空气及雨水等杂质,需要用固定顶保护罐内
平齐的接管。也可不设置该管口,而直接利用高液介质,一般采取自支撑的固定顶,且应将加强肋等支
位仪表控制进料管线上的切断阀来达到目的。撑件设置在罐顶外壁,必须确保支撑件有足够的腐
一般情况下,放空管(压力阀口)的尺寸需考虑蚀裕量,并保证在液位下的部件不存在裂纹等缺陷。
“呼吸”、“呼”以及“吸”这三个状态。放空管口应设从安全角度出发,可考虑不在罐顶设置操作平台,宜
设置独立平台。若必须设置罐顶平台,则在罐顶设置在罐的最高处,且与罐顶内表面齐平。若储罐建计时,应充分考虑自重和顶部平台、管支架和相关设在室内,还应将放空口引至室外。对直接放空到大备带来的附加载荷的影响。气的管口,还应配置180°弯头和丝网。4.3腐蚀裕量为保护罐壁,所有罐顶的接管都需要内伸至少
在选定材料后,硫酸储罐的罐体厚度可按上述25mm,对发烟硫酸的进料管,应内伸到靠近管底标准计算或选定,这点与其他储罐的设计是一样的,处。对管壁的接管,除溢流口或齐平出口外,都应在只不过与普通介质的储罐相比,钢制储罐需要采用管口上部180°范围内内伸至少25mm。较大的腐蚀裕量。一般情况下,硫酸对材料的腐蚀
为保证储罐具有良好的耐腐蚀性,所有位于液
裕量C2可如下确定,
位下的焊缝均应为全焊透对接结构,并进行局部X
C2=6mm(底部、中部罐壁
射线检测。对高度和直径的乘积超过一定值的大型
和罐底,另见注1)
储罐,纵向焊缝可进行100%X射线检测(此时焊缝C2=3mm(顶部罐壁)系数取1.0)。罐顶可以采用搭接焊缝。所有的罐底
()C2=1.5mm罐顶
焊缝应为带垫板的全焊透对接焊缝,罐底应按标准
有阳极保护时C2=3mm
进行真空箱试验。
不锈钢、Hastelloys、FRP、衬里罐或其他
除上述检验外,罐壁和罐底内表面还应增加磁
合金罐C2=0
粉或液体渗透检验。注1:对最底圈罐壁板,甚至可以取C2=9mm,因为这部分壁板在整
个储罐中是腐蚀速率最快的,而罐底的腐蚀速率要比该处稍小。由于硫酸的蒸汽压力不大,为安全计,除非另有
硫酸储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
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要求,所有的接管法兰均应采用PN2.0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存在腐蚀,因此,应尽量避免使用这类法兰。当需要采用弯头时,为减小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,不同厚度的接管不应直接焊在一起,避免焊缝处厚度或形状突变,在结构设计时就应该将焊缝和结构不连续处分开,见图1
。
与阳极保护法原理类似的电化学保护法还有阴极保护法,即牺牲阳极法。该方法为选定另一种金属(实际中多选锌或铝合金)当做阳极,被保护的金属作为阴极。这种方法易于安装,当阳极消耗到初始质量的一定比值时,便可利用清罐的机会更换[8]。
由于硫酸的腐蚀性随温度的增加而增大,为避免因太阳光照而使罐内硫酸的温度升高,应将罐的外壁喷涂一层浅色的(通常是白色)的面漆。
6 安全措施
对发烟硫酸,为保护储罐安全,在进料的开始阶段,或是当罐内空置进料时,应对泵入物料的流速加以控制。
由于硫酸与碳钢反应生成氢气,因此,检修时除非确认罐中已充分放空,否则,应完全清除掉附近所
图1 不等厚接管的焊接
选用垫片时应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。
5 防腐措施
硫酸储罐的防腐及安全措施,除了前述的选择耐腐蚀材料、设计合理的结构外,还可采取其他一些措施,如改变硫酸流动状态,电化学保护,钝化,使用覆盖层保护及加强和改进管理等。
由于硫酸中,碳钢的抗腐蚀性取决于其表面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动速率,杜邦公司推荐硫酸的流速为25～75mm/s[5],文[4]建议采用更严格的流速为50mm/s。
目前,电化学保护技术比较成熟,在硫酸行业中已经得到普遍应用,主要是阳极保护法。向被保护的金属(阳极)中通入阳极电流,使阳极电位向正方向变化来达到保护阳极的方法称为阳极保护法。阳极保护系统通常由阳极、阴极、控制参比电极、检测参比电极和恒电位仪构成[6,7]。施加阳极保护后,304L、306L在93～98%的硫酸中腐蚀速率有较大的减小,基本上为0.05～0.2mm/a[7],而且避免了晶间腐蚀;采用阳极保护后,碳钢在硫酸中的腐蚀速率也大大降低。从发展的角度来看,笔者认为,阳极保护法在硫酸储罐的防腐中应是大有作为的。
有潜在的火源。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加入硫酸罐内。
由于放空管口(线)中可能堆积硫酸铁,操作时间过长可能会堵塞管口(线),因此要定期检查该口(线),以确保卸料时的安全。
为保证储罐的安全运行,应每两年至少检测一次储罐的厚度,每五年至少进行一次内部检测。
参考文献
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DeterminationofPropertyParametersfor
ReciprocatingCompressor
WangGuangbin
ShtarScience&TechnologyGroup,UniversityofPetroleum
Dongying,257061
Inselectionofcompressor,thedeterminationofthebasicpropertyparameters,suchasshaftpower,gasdischargevol2ume,volumeefficiency,ofthemachinesetbasedonprocessconditionsisthebasisforlatework.Inthispaper,theprop2ertyparametersofreciprocatingcompressorweretheoreticallyresearchedindetail.Theevaluatingmethodsandequationsforvolumefactor,gasdischargevolume,gasdischargetempera2tureandshaftpowerwerepresented,whichcanbeusedaspracticalreferenceinselectiondesignofcompressor.
Keywords:compressor,shaftpower,gasdischargevolume,gasdischargetemperature,volumeefficiency
ApplicationofFloatingRingSealandDoubleFaces
GassealinCokingGasCompressor
WangChangtao
CangzhouRefineEngineeringDesignCo.,Ltd.
Cangzhou,061000
Inthisarticle,theprinciple,structure,advantagesanddisad2vantagesoffloatingringsealanddoublefacesgassealusedincokinggascompressorwereindicatedindetail.Theproblemsinuseoffloatingringsealwerealsoanalyzed.Theproposalsforselectingsealtype,then,werepresented.
Keywords:floatingringseal,gasseal,compressor
MaterialSelection,DesignandAnticorrosionfor
SulfuricAcidStorageTank
YuanShaoyun
EngineeringInc.,SINOPEC
Beijing,100101
Inthisarticle,theprincipleandcharacteristicsofsulfuricacidcorrosionwereanalyzedandtheproblemsinmaterialselec2tion,design,anticorrosionandsafetywerediscussed.Then,somecorrespondingmeasuresforsafetywerepresented.
Keywords:sulfuricacid,corrosion,storagetank,materialse2lection,design
DevelopmentofAnalyticalDesignSoftwareforFixedTubesheet
LiYongtai,HuangJinguo
HeFeiResearchInstituteofGeneralMachinery
Hefei,230031
BasedonAppendixIinJB4732,thesoftwarefordesigningfourtubesheetstructures2tubesheetextendedasflange,tubesheetlapweldedandbuttweldedwithflangeandtubeshe2etweldedwithcylinder2wasdeveloped.TheallowablestressescanbeusedincoincidencewitheitherGB150(designthroughrules)orJB4732(designthroughanalysis).Thecalculationexamplewasalsopresented.
Keywords:tubesheet,tubelayoutarea,platewithelasticbase,areaontubesheetwithouttube,channel,shell,heatex2changingtubebundle,expansionjoint
ApplicationofVacuumTechnologyandEquipment
inChemicalProcessIndustry
LiuCunyu
DepartmentofChemicalEngineering,ZiboVocationalCollege
ZiboShandong,255013
Usesofvacuumtechnologyinchemicalprocessindustrywerebrieflystatedinthisarticle.Thecharacteristicsandapplica2tionofvariousvacuumdistillationevaporatorsandvacuumgenerationdevices(mainlypumps)wereintroducedemphati2cally.
Keywords:vacuum,equipment,evaporator,vacuumpump,chemicalprocessindustry,application
ApplicationofDefectAssessmentinIn2service
AmmoniaPipelinesFanXianzhen
GuangzhouInstituteofBoilerandPressureVessel
SupervisionandInspectionGuangzhou,510050
LiuYidong
HeyuanInstituteofBoilerandPressureVessel
SupervisionandInspection
Heyuan,517000
ByusingthesoftwareCAESERⅡ(4.30Edition),themacrostressanalysisofthein2serviceammoniapipelineswithover2standarddefectswascarriedout.AccordingtoASMEIWB3650anditsAppendixH,theover2standarddefectswere,then,assessed.Theresultsshowedtheammoniapipelineswithover2standarddefectsweresafetyatpresent.
Keywords:ammoniapipeline,stressanalysis,defectassess2ment
ApplicationofControlValveinLong2wayTransportation
PipelinewithGreatDrop
LiYong
PipelineStorageandTransportCO.,SINOPEC
LiYong,221008
Inthisarticle,thestructurefeaturesandworkingprincipleofRZD2RMBXcontrolvalveaswellasitsapplicationinlong2waytransportationoilpipelineforthefirsttimewereintro2ducedindetail.Theproblemsexistedintheapplicationwereanalyzed,andthecorrespondingsolvingmethodswerepro2posed.
Keywords:controlvalve,principle,application,proposalBuildingModelofSpecialFittingsinPDS
WangJianyu,YaoXueming
ShanghaiEngineeringCo.,Ltd,SINOPEC
Shanghai,200120
Withthepopulationof32Dfactorydesign,theapplicationofPDSiswidespread.Inthisarticle,themethodsofbuildingmodelforspecialfittingsinPDSwereintroduced.
Keywords:PDS,specialfitting,buildingmodel,database