室内硫酸储罐的设计与安全维护

胡健清

(中国恩菲工程技术有限公司 冶金化工事业部，北京 100038)

0 引言

硫酸是化学产品中应用最为广泛的物料之一，几乎所有的工业都直接或间接地使用硫酸，例如化肥、颜料、炸药、医药品、化学品、金属提纯、橡胶生产、蓄电池制造等。硫酸在冶金、化工、石油工业等领域的应用十分普遍，特别是贯穿于有色金属湿法冶炼的整个过程。为了满足湿法工艺各个车间溶液的配酸需求，小型钢制浓硫酸储罐如今经常会被配置在湿法冶炼的许多工段。尤其某些贵金属的精炼，更需要硫酸来溶解去除夹杂的其他金属。硫酸对金属具有很强的腐蚀性，因此对其贮存设备具有更高的要求，设备的选材、设计、安全等方面是非常值得关注的问题。随着湿法冶金工艺的不断改进，浓硫酸储罐的需求量日益增多，为了确保硫酸的及时供应，这些小型浓硫酸储罐一般都配备高位槽置于车间内部，使用非常方便。如某锌冶炼资源综合利用项目、某新材料项目、某铜阳极泥稀贵金属综合回收项目、某黄金冶炼项目、某锌铟冶炼技改项目等均采用Φ4 000 mm×4 000 mm以下规格浓硫酸储罐配合高位槽来满足工艺生产需求，现场反映使用情况良好。本文主要针对常温常压下，室内小型钢制浓硫酸储罐的选材、设计与安全维护问题进行探讨。

1 储罐的设计

1.1 材料的选取

不同的钢材在不同温度和浓度的硫酸中具有不同的耐蚀性，细微的浓度差别有时可能引起较大腐蚀性质的变化。本文简要介绍硫酸对碳钢、不锈钢304L、316L的腐蚀情况。

1.1.1 碳钢

在一定温度下，硫酸对碳钢的腐蚀速率随浓度的提高而增强，达到一定浓度以后，腐蚀速率随浓度的提高而急剧下降。室温下碳钢在硫酸中的腐蚀速率如下：硫酸浓度<65%，腐蚀速率为>1.5 mm/a，腐蚀严重，不适用；硫酸浓度65%～75%，腐蚀速率为0.5～1.5 mm/a，腐蚀较为严重，一般也不适用；硫酸浓度75%～100%，腐蚀速率为0.05～0.5 mm/a，情况良好，可以采用。

同一浓度的硫酸，随着温度的升高腐蚀性会大大增加；如硫酸浓度在75%～100%时，温度25 ℃时，碳钢是可以使用的，如果温度上升至65 ℃以上，碳钢腐蚀较为严重，不适用。在硫酸浓度<75%，温度高于65 ℃时，硫酸储罐选择碳钢是不适合的。对于浓度小于65%的硫酸，不论在什么温度下，碳钢均不能使用；但对于常温常压，浓度为93%～98%浓硫酸，碳钢作为储罐的选材是最经济合理的，后期的维护也是十分必要的。

1.1.2 不锈钢304L和316L

常温状态下，当硫酸的浓度<5%或>90%时，不锈钢304L和316L腐蚀情况良好，可以采用；在其他浓度区间内，不锈钢304L腐蚀较为严重，不建议采用；但当硫酸的浓度5%～30%时，不锈钢316L耐腐蚀性能良好，可以采用；温度逐步升高至80 ℃以后，不锈钢304L和316L的腐蚀明显加重，均不宜采用。

在保证一定的腐蚀裕量情况下，碳钢作为浓硫酸储罐的材料是最先考虑的。随着浓度和温度的变化，适用于硫酸储罐材料的使用范围被分成多个区域，包括碳钢、高镍铬合金、含钼不锈钢、钛、橡胶、陶瓷等多种材料。在常温下，对于浓硫酸，碳钢是适用的，也是最广泛的材料。对于浓度小于65%的硫酸，不论在什么温度下，碳钢都不能使用。温度在65 ℃以上时，硫酸的浓度在100%以下，碳钢一般也不能使用，需要采用更耐腐蚀的材料，可以考虑带衬里的材料。在特定的温度和浓度下，可以选用不锈钢316L。硫酸的腐蚀性除与浓度和温度有关，一些物理因素也会影响腐蚀性(如固相颗粒、介质流速、结垢等)，酸中的杂质(如含铁、铜离子等)对其腐蚀性也有很大影响。

1.2 盖板的设计

对于室内小型浓硫酸储罐而言，为了保证生产操作的安全性，避免将储罐时常打开，一般不考虑在槽体盖板上设置操作平台。为了操作和检修方便，可以在旁边另设独立的操作平台，必要时可以在槽盖上设置标准人孔或手孔。如果生产过程中必须在槽盖上设置平台，设计时应充分考虑槽盖自重及顶部平台、管道支架及相关设备的附加载荷。对于上述情况，顶部盖板采用平盖的结构，并且与槽体采用连续焊接的方式进行连接即能满足生产要求，具体结构形式见图1、图2所示。

图1 无包边角钢的盖板

图2 带加强筋的盖板

根据盖板直径的大小，槽盖和槽体的连接方式有以上两种。图1为槽盖与槽体直接焊接，这种储罐一般直径D≤2 200 mm，由《NB/T 47003.1—2009钢制焊接常压容器》可以查得。图2为槽盖与槽体通过包边角钢进行连续焊接，这种储罐的直径较大。由于槽盖在本身自重的情况下会发生变形，并且中心的变形最为明显。由圆形平板计算公式计算出盖板中心挠度[1]：

(1)

式中q——均布载荷，N/mm2；

R——盖板半径，mm；

h——盖板厚度，mm；

E——盖板材料的弹性模量，MPa；

f——盖板中心挠度，mm。

如果中心变形量小于1‰，一般认为槽盖的变形在允许的范围内。此时，盖板的厚度满足要求。如果中心变形量大于1‰，盖板上就需要加型钢作支撑来抵抗槽盖变形。对于这种槽盖与槽体焊接的储罐结构，一般将其看成是两端固定梁结构，根据槽盖中心变形量的合理范围来确定型钢的大小。

盖板中心变形的计算公式：

(2)

式中L——贯通型钢长度，mm；

I——型钢惯性矩，mm4；

fmax——设备顶盖贯通型钢中心挠度，mm。

1.3 罐体的设计

浓硫酸储罐与普通介质的储罐相比，需要更大的腐蚀裕量。对碳钢材料而言，如果不采用阳极保护时，中部、底部槽体壁板和槽底，通常腐蚀裕量取4～6 mm；在复杂工况下，槽壁腐蚀裕量甚至可以达到9 mm；如果采用阳极保护，硫酸对碳钢的腐蚀性就大大降低，不锈钢304L、316L在93%～98%的浓硫酸中腐蚀速率大大减慢，基本上为0.05～0.2 mm/a[2]。因此，对于浓硫酸储罐而言，为了增加使用寿命，保证安全生产，侧壁板和底板的厚度应该取得大一些，一般不低于10 mm。同时，为了缓冲硫酸进液时带来的槽底冲击，在底板正对进酸管的位置焊接一块防冲板。为了方便检查硫酸储罐底部是否漏液，通常情况下，将底部的钢筋混凝土基础做成条形基础，或者在罐底加支撑型钢，具体的结构形式如图3、图4所示。

图3 槽底条形基础支撑

图4 槽底型钢支撑

1.4 管口的设计

室内浓硫酸储罐一般包括以下管口：进酸口、出酸口、液位计口、回流口、备用口、放空口(排污口)、人孔、排气口等，具体形式如图5所示。

1.4.1 进酸口

为了减少硫酸储罐的泄漏问题，一般将进酸口设置在槽顶，采用汲取管的方式，将管口伸到液面以下。对于小型浓硫酸储罐而言，进酸管可以做成可拆卸结构，也可以直接焊接到盖板上。如果条件受限，也可将进酸口设置在靠近顶部的槽壁处，此时需要采用90°弯头使进酸口在槽体内保证竖直状态。为了保护槽壁，进酸口要与槽壁留有一定的距离。为了防止液体飞溅和保护槽底，进酸管在槽体内要伸入足够的长度，并且在槽底正对进酸口末端的相应位置设置防冲板。为了防止虹吸现象，进酸管上部气相位置开设一个直径为8～12 mm的孔即可。

1.进酸口 2.出酸口 3.外置液位计口 4.回流口 5.备用口 6.放空口 7.人孔 8.排气口 9.顶部液位计口图5 浓硫酸储罐模型

1.4.2 出酸口

出酸口和进酸口一样，一般也采用汲取管的方式，且多为可拆卸结构，方便出酸管的更换。为了便于拆卸，外套管的直径一般取出酸口管径的两倍以上。另外，出酸口也可以设计成齐平接管的形式。对于小型浓硫酸储罐来说，一般采用后者的接管方式为宜。

1.4.3 液位计口

浓硫酸具有强腐蚀性，为防止溶液过满，产生“冒槽”状态带来安全隐患，通常我们采用液位计来及时观察储罐内硫酸液位的变化情况，方便控制液位达到合理的工艺要求，可以通过DCS远程控制系统，提示高低液位报警。为了进一步保证现场操作人员的人身安全，一般在槽体外侧设置浮子磁翻板液位计，便于实地观测，实现双重保护；同时，可以在槽壁靠近罐体上部设置溢流口，便于超出液位的酸液溢流到其他的贮存设备中，溢流管口与槽壁内表面平齐。

1.4.4 回流口与备用口

回流口一般设置在浓硫酸储罐的顶部。主要作用是接收由硫酸高位槽或是其它储罐多余的硫酸。为了防止液体飞溅，回流口也要尽量伸入液面以下。考虑到今后工艺的改进需求，槽盖上设置的备用口在不使用的情况下，必须用盲板将其封住。备用口接管设计时，最好也伸入槽内一定的距离。

1.4.5 放空口

也称排污口，当浓硫酸储罐使用一定时间后，槽体需要进行全面检修，内部要及时清理干净，这时就需要停槽排空，一些混入到液体里的杂质或者外排，或是泵打到其他的贮存设备中。放空口接管与槽壁内表面平齐。

1.4.6 人孔

方便操作人员在液体放空后清理槽内污垢和检修。对于普通介质的储罐来说，人孔盖一般搭在人孔上即可，有时也可当观察口使用，但对于浓硫酸储罐来说，为了保证操作的安全性，一般将入口和盖子通过螺栓连接在一起，不轻易开启，并且人孔与槽盖内表面平齐。

1.4.7 排气口

通常情况下，排气口的尺寸需要考虑进出硫酸流速的影响。现场操作人员要及时检查排气口的状态，禁止遮盖排气口。排气口最好设置在槽盖顶部最高处，并且管口与槽盖内表面齐平。对于直接排入大气的管口，应配置180°弯头和丝网。由于排气口附近的硫酸受到气相腐蚀，弯头和接管一般采用耐腐蚀材料来制作。排气口弯头正下部盖板应做局部防腐处理，避免排出的酸液腐蚀盖板。

1.5 制造与检验

室内钢制浓硫酸储罐所有对接焊缝要求全焊透，主要针对槽体侧壁板、底板等部位，侧壁板与底板之间的双面角焊缝需采用连续焊，焊脚尺寸应选取两者间较薄件的厚度。设备制造完毕后需进行盛水试漏，槽体侧壁与槽底所有焊缝必须做煤油渗漏试验，不得有渗漏现象。

2 安全维护

(1)室内浓硫酸储罐存放的场所要阴凉、干燥、通风良好，必须与易燃或可燃物、碱类及金属粉末分开存放。鉴于有发生火灾和爆炸的可能，贮存浓硫酸的车间要有可靠的防火、防爆措施。

(2)浓硫酸具有很强的吸湿性，如果生产过程中经常停车，罐内酸放空后长时间不用，附着在设备内壁上的浓酸会迅速吸收空气中的水分而变成稀酸，腐蚀会变得相当严重，尽量缩短放空时间。并且当操作维护硫酸储罐时，要特别注意分析储罐内的氢含量，避免维修时引起爆炸事故。

(3)浓硫酸储罐周围要设置防泄漏安全的围堰，基础和地平防腐可以用耐酸花岗岩或耐酸瓷板，围堰外设置事故存液池，可以将废酸通过碱性介质中和后排放。围堰外作业区一般设置洗眼器、喷淋头，用于浓硫酸溅伤事故处理；设置消防、高压雾化水装置，用于灭火和罐壁降温。作业和维修人员应穿戴合适的防护用品，如手套、胶靴、防护服、防护眼镜及面罩等。

(4)浓硫酸放空口(排污口)不要用法兰盖盲死。如果采用该方式，打开盲板时液体容易喷出，造成人身安全隐患。因此，最好在放空口处安装控制阀门，排出的硫酸可以通过接管流向附近设置的酸性排水沟，或者采用其他的容器进行盛装。

(5)当容器中盛装易燃易爆危险介质和毒性程度为中度、高度、极度介质时，不允许选用玻璃管液位计[3]。一般情况下，浓硫酸外置液位计可选用浮球式液位计或者磁翻板液位计。单一液位计高度不能满足要求时，可采用多个液位计交替布置，当高度大于4 m时应设中间支撑，并且在液位计与罐体之间设置截止阀门，便于后续维修或更换。

3 小结

温度和浓度是影响浓硫酸储罐选材的关键因素。对于室内浓硫酸储罐而言，为了确保储罐在湿法冶金生产过程中安全使用，在投料初始阶段或槽内空置进料时，应对硫酸的流速加以控制，预防氧化膜被冲刷破坏；卸料时，放空管道周围可能堆积硫酸亚铁，操作时间过长可能会堵塞管口，需定时清理；盖板与槽体采用全焊接结构进一步保证了设备的严密性；加强对盖板包边角钢焊缝处的漏点检查，及时处理；槽底做成条形基础或加型钢支撑，方便检查泄漏位置；为了进一步确保储罐的安全运行，延长使用寿命，需做好巡查工作，每年检查一次储罐壁厚，定期进行槽体内部检测；在设备明显位置涂刷腐蚀性物品标志，警示他人。总而言之，做好室内浓硫酸储罐的结构设计和维护对于保证安全生产的正常运行至关重要。