2023年硫酸储罐设计

*欧阳光明*欧阳光明*创编2023.03.07*欧阳光明*欧阳光明*创编2023.03.07硫酸腐蚀原理及特点

欧阳光明〔2023.03.07〕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<5%

电化学腐蚀1〕65%浓度以下的稀硫酸在全部温度都为复原为主，腐蚀性；性一般 2〕稀硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的提高而增加肯定浓度后〔47%～50%是电化学腐蚀速点〕，腐蚀速率随浓度的提高而急剧下降；电化学腐蚀3〕同一浓度的稀硫酸随着温度的增加，腐蚀性5～ 稀硫酸为主，腐蚀会加大；65% 溶液 性格外强4〕杂质对腐蚀也有很大的影响，如含氟、氯等其他离子；溶液的腐蚀性。65～浓硫酸85% 溶液

电化学腐蚀1)65%～85%硫酸低温下为复原性，高温或沸点下为主 为氧化性；85～高浓度100% 硫酸

为主

硫酸及发烟硫酸在全部温度下都呈氧化性；浓硫酸变稀，对碳钢的腐蚀性增大；期间，随温度上升，其对碳钢的腐蚀速率下降；碳钢在80%～100%的硫酸中可形成钝化保护>100% 酸

为主 无流速、无冲刷、无充气、密封时可耐受60℃～80℃；以上的发烟硫酸，会破坏钝化膜，腐蚀速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，一般实行涂装防腐即可，不是这里争论的重点。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：下：Fe+H2S04→H2+FeS04金属材料的本质、外表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。硫酸储罐的设计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。本文仅争论常压硫酸储罐。硫酸不存在较大的蒸汽压力，无需承受内浮盘。为隔离空气及雨水等杂质，需要用固定顶保护罐内介质，一般实行自支撑的固定顶，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。从安全角度动身，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。假设必需设置罐顶平台，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，可按相关标准进展计算或选定，与其它储罐的设计是一样的，只不过与一般介质的储罐相比，钢制硫酸储罐需要承受较大的腐蚀裕量。碳钢罐尽量同时使用阳极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]。构造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。为削减泄漏，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。硫酸入口一般应承受吸取管的方式，马上管口内伸至液面下。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12mm的孔即可。硫酸出口一般也实行内伸吸取管的方式，且多承受可拆式构造，为2倍以上。硫酸出口也可设计成齐平接收的形式。为避开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，该管口与罐壁内外表平齐；也可不设置该管口，而直接利用高液位仪表掌握进料管线上的切断阀来到达目的。为保护罐壁，全部罐顶的接收都需要内伸至少25mm；管壁的接收180℃范围内伸至少25mm。一般状况下，放空管(压力阀口)应设置在罐的最高处，且与罐顶内外表齐平，假设储罐建在室内，还应将放空口引至室外。对直180℃弯头和丝网。为保证硫酸金属储罐具有良好的耐腐蚀性，全部位于液位下的焊缝，均应为全焊透对接构造，并进展局部X射线检测。罐顶可以承受搭接焊缝。全部的罐底焊缝，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。罐壁和罐底内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，为确保安全，除非另有要求，全部的接收PN2.0MPa的压力等级；由于承插焊及螺纹法兰等法兰的内在构造，打算了更简洁产生腐蚀，因此，应尽量避开使用这类法兰。当需要承受弯头时，为削减磨损腐蚀应力和腐蚀开裂，应尽量承受内部有涂层保护和曲率半径较大的无缝弯头。在接收焊接时，应留意避开不同厚度的接收直接焊在一起，在构造设计时应当将焊缝和构造不连续处分开。选用垫片时，应尽量使垫片的内径和管口直径一样，以避开磨损腐蚀和缝隙腐蚀。硫酸储罐的选材及防腐措施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，耐腐蚀选材也不尽一样。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。整体金属材质各种不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：一般碳钢不耐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、密封的他防腐处理，外壁只需做一般的弱腐蚀防锈耐候涂装处理。102%以上的发烟硫酸，因此不行作为发烟硫酸储罐的制造材料96%80%以下的硫酸210℃〔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。一般不锈钢〔304不锈钢〕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〔20号高合金钢〕。高硅不锈钢是硫酸行业承受最多的合金材料，用来制造硫酸工厂的枯燥塔、吸取塔、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。但是直接承受高硅不锈钢来制造硫酸储罐，还是不多。6〕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全部浓度的硫酸都具有格外好的耐蚀性能，但这些贵金属的本钱都格外昂贵，不行能用它们来制作硫酸储罐。碳钢外壳附加内壁防护措施实际市面上的金属硫酸罐，90%以上是承受一般碳钢制造的，局部发烟硫酸储罐是承受合金钢制造的。80%以下浓度稀硫酸时，务必实行牢靠的防护措施。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。承受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，直接承受有机塑料、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。依据具体浓度大小，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构造涂装防腐无异。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。其次类：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、耐温度骤变等特别性能，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〔80%65℃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，CRIIR2。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％65℃好好30％25℃好好30％65℃一般好50％25℃好好50％65℃不耐好50％100℃不耐一般70％～98%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。这类方案适用于肯定温度下的稀硫酸。玻璃钢的耐腐蚀性能主要取决于粘结料树脂种类及性能、增加材料种类及性能、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。其中乙烯基酯树脂承受最多，依据稀硫酸浓度和温度的不同，选用不3是典型通用乙烯基酯树脂牌号耐硫酸腐蚀性能的简表。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型乙烯基酯树脂硫酸树脂硫酸25100105硫酸50100100硫酸608090硫酸707080硫酸754080硫酸[3]804050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51/102525酸〔70%〕0～13/0～11/0～硫酸/硝酸/磷酸 656530酸[1]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[1]20/65560硫酸/盐酸/氢氟酸/磷酸/氯化溶剂[1]40/20/5/35/1NRLS25硫酸/铬酸混合液〔最大浓度506510%〕命〕；/：没有相关准确数据或没有进展过相关试验〔并非肯定不能使用，此时建议用户使用前先自行评估或者致电供给商询问〕；[1]：建议在防腐蚀阻挡层内层使用两层有机外表毡；[3]为最大限硫酸/硝酸/氢氟/60备注说明：NR命〕；/：没有相关准确数据或没有进展过相关试验〔并非肯定不能使用，此时建议用户使用前先自行评估或者致电供给商询问〕；[1]：建议在防腐蚀阻挡层内层使用两层有机外表毡；[3]为最大限硫酸/硝酸/氢氟/60度延长使用寿命，必需后固化；[4]在耐腐蚀阻挡层内，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构造层内，建议使用耐酸性较佳的玻璃纤维。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。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，一些特别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、操作便利、使用寿命长、重量轻、对设备的运输、安装、修理都比较有利。PE材质储罐，使用温度范围为-70℃～+70℃，可在上限温50%75%浓度以内的硫酸，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。PPPE更好，韧性更佳，整体塑料储罐材质更多项选择PP。PP材质储罐可在使用温度范围(-20℃～+120℃)内盛放65%以内浓度的硫酸，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，在使用温度范围(-40℃～+60℃)内适用于65%以内浓度的硫酸，也耐不了氧化性的硫酸。经过氯化的氯化聚氯乙烯CPVC80%85℃以下的硫酸溶液。聚四氟乙烯，PTFE240℃以内盛放任意浓度的硫酸或发烟硫酸，聚全氟乙丙稀F46PTFE更好，其材质的储罐也可在200℃以内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，但本钱格外高，实际使用极少。硫酸浓度〔%〕AEPR酚醛树脂PHR呋喃树脂(糠醇型)邻苯型UPR间苯型UPR双酚A型UPR双酚A型VER〔XXX〕酚醛型VER〔XXX〕254010010060709010010550251006025406010010060NR6040LS252540809070NR6025NRNR25708075NR25NRNRNRNR408080NRNRNRNRNRNR4050>80NRNRNRNRNRNRNRLS25发烟NRNRNRNRNRNRNRLS25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。3.2.2整体玻璃钢材质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。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。3.2.2整体玻璃钢材质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、纤维增加材料的不同而不同。4常见的热固性树脂耐受硫酸温度(℃)性能汇总命〕。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，构造层依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〔1.6-1.9g/cm31/4，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〕非标成型便利，修理便利；5〕耐低温性能好；6〕可在工厂内部制作，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内壁平板，固化成型后卷起来拼接，再制作构造增加层；另一类品质较高的是在模具上制作，通常：1〕依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，以便给耐蚀容器供给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，制作短切毡增加的耐蚀层；5〕使用缠绕或手糊的防腐制作容器的构造层，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〕储罐底座和盖顶也承受模具并结合喷射成型制作。玻璃钢硫酸储罐由内而外主要的构造如下：富树脂层〔内层耐蚀层〕：由耐腐蚀内衬树脂和外表毡组成，树90%1.0～1.5mm；耐腐蚀阻挡层〔次内层耐蚀层〕：为防渗层，由无碱短切纤维和70％～753mm；构造层〔增加层〕：该层对内表层和次内层起加强作用，抵抗罐体所受外界荷载，保证罐体刚度和强度，一般承受无碱玻璃布，环向缠绕与穿插螺旋缠绕结合，依据最终性能和耐热需要承受邻苯型、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。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，以防止构造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取剂和石蜡液，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200µm的耐候涂料。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：1〕93%～100%102%的发烟硫酸直接承受碳钢材质槽、桶、罐储存和运装即可；2〕75%～93%中等偏低的硫酸，承受钢质设备储存和运输，内壁进展防腐措施保护；3〕75%以下稀硫酸承受玻璃钢材质的储罐和槽车进展储存和运装。硫酸罐的防腐及运行安全措施，除了上述的耐腐蚀材料选择、构造的设计合理外，还可以实行一些其它措施，如降低硫酸流速、电化学保护、钝化、使用掩盖层保护及加强和改进储罐运行治理等。1〕转变硫酸流淌状态。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，其抗腐蚀力量大大下降，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掌握在50mm/s以内；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