大型硫酸储罐耐酸瓷砖衬里开裂原因分析

何文旭

(惠州市百利宏晟安化工有限公司，广东惠州 516083)

1 设备简介

广东某硫酸生产企业储罐区内设有3台立式硫酸储罐，其中1台规格为φ8 000 mm×14 000 mm，2台规格为φ14 500 mm×14 000 mm，罐体材质为Q235B。原设计储存w（H2SO4）98%工业硫酸。该硫酸厂投产2年后，因装置进行精制硫酸技术改造，储罐需储存一部分精制硫酸。硫酸企业根据存储需求，分别对1台规格为φ8 000 mm×14 000 mm和1台规格为φ14 500 mm×14 000 mm储罐作了耐酸瓷砖防腐衬里改造。

储罐土建基础为φ800 mm桩基打至风化层，桩间距1 800 mm×1 800 mm。桩顶设计600 mm厚度混凝土承台，承台上为高700 mm、宽400 mm混凝土条形梁，梁间距为1 800 mm。

储罐底部均布规格为32B型号的工字钢，工字钢间距为392 mm，与基础混凝土条形梁平面成90°夹角布设，与槽体底板焊接相连。

储罐底板厚度为18 mm，筒体由底板向上约2 m处钢板厚度为20 mm，2～4 m处钢板厚度为18 mm，4～6 m处钢板厚度为16 mm，6～8 m处钢板厚度为14 mm，8～10 m处钢板厚度为12 mm，10～14 m处钢板厚度为12 mm，球面顶板厚度为8 mm。储罐顶板有放射状加强筋，筒体无加强筋和补强圈。

储罐改造的设计衬里依次为：底板用耐酸混凝土找平，上衬2层耐酸标准砖，每层厚度为65 mm，层间按90°布设并错缝砌筑；筒体衬1层113 mm厚度耐酸标准砖，错缝砌筑；顶板4布6油乙烯基树脂玻璃钢粘贴。底部和筒体所用耐酸砖规格为标准砖230 mm×113 mm×65 mm，筒体配楔形砖230 mm×113 mm×65/55 mm找圆，人孔为20 mm厚耐酸瓷套管，砌筑黏结剂为钾水玻璃配耐酸耐热（KPI）胶泥。

2 存在问题

该硫酸厂2台储罐耐酸砖衬里改造完成后相继投入使用，其中规格为φ8 000 mm×14 000 mm的储罐内衬耐酸砖后使用至今状态完好，但规格为φ14 500 mm×14 000 mm储罐在内衬耐酸砖投用后的第二个月就发现所储存的精制硫酸金属离子含量超标。技术人员打开人孔检查发现内砌体存在开裂现象，具体如下：

1）储罐内砌体砖缝有多处黑色液态物质从砖缝向罐内渗漏，分布在整个筒体的内衬表面，横向分布于1.5～2.0 m高度处、5～7 m高度处、9～11 m高度处，竖向呈梯级状分布。经检查，这些黑色液态物质渗出的地方砖体完好，但砖缝有微细的裂纹，最大裂缝达1 mm。经分析判断，该黑色液态物质为通过裂开的砖缝与储罐壳体接触后，对金属壳体腐蚀污染后的硫酸。储罐内砌体裂缝分布见图1～2。

图1 储罐内砌体裂缝分布

2)槽体下部人孔的瓷套管有两处环向裂缝，宽度达0.2 mm。具体见图3。

3)槽体底板砖块完好，但中部砖缝有3道纵向裂纹，裂纹最大宽度达1 mm。具体见图4。

4)储罐内底板有砖缝掉落的部分砌筑胶泥。该胶泥可徒手捏碎。

图2 储罐内砌体清洗后裂缝

图3 人孔套管裂缝

图4 底板裂缝

5)槽底外部工字钢与混凝土基础条形梁之间周边紧贴，但工字钢中部逐渐向上翘曲分离，最大处达16 mm。具体见图5。

图5 与混凝土条形梁基础分离上翘的工字钢

3 原因分析

针对规格为φ14 500 mm×14 000 mm的大型硫酸储罐耐酸瓷砖衬里的开裂问题，硫酸企业组织了行业内工艺、设备、土建、防腐、测量等不同专业的专家，分别从储罐基础、壳体结构、材料、施工过程和质量控制、外力影响、环境温度差、钢壳体与砖衬里热膨胀不均匀等各方面进行排查和综合分析。

3.1 基础沉降

硫酸企业委托第三方设计院和建设监理公司对储罐土建基础图纸和相关验收资料进行了复核，设计和验收符合规范。

经当地质监部门实地检查测量，未发现设备基础沉降现象，设备壳体直线和垂直度在标准和设计范围内。

3.2 壳体设计

硫酸储罐为立式圆柱形，钢结构设计按JB/T 4735—1997《钢制焊接常压容器》制造、试验和验收，焊接电弧焊执行JB/T 4709—2000 《钢制压力容器焊接规程》规定，罐体壁板、底板、顶板按JB/T 4730.2—2005《承压设备无损检测》规定的III级要求进行射线探伤检测，壁板与底板连接按JB/T 4730.4—2005《承压设备无损检测》规定的MT-I级要求进行总体试验和射线探伤。

经对设计、审图、验收资料检查复核，硫酸储罐设计施工符合规范要求。为进一步核实，该企业聘请第三方设计院，依据GB 50341—2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》对该储罐进行了强度和刚度核算，得出结论如下：

1）罐壁筒体许用临界力[Pcr]＝4.72 kPa，罐壁筒体设计外压P0＝2.11 kPa，因[Pcr]≥P0，判断壳体强度满足要求。

2）设计温度下罐壁材料Q235B的许用应力为[σ]＝150 MPa，计算罐壁钢板最大弯曲应力为σ＝73.28 MPa；计算焊缝剪应力为τ＝17.65 MPa，许用剪应力为 [τ]＝ 89.25MPa；因σ＜ [σ]，τ＜ [τ]，判断储罐刚度满足要求。

该硫酸储罐旁也有1台同样规格但没有内衬的硫酸储罐，设计图纸完全相同，使用至当时未发现任何问题，因此可排除壳体设计的问题。

3.3 壳体制造原因

自企业投产后，该钢储罐作为w（H2SO4）98%工业硫酸储罐投用，已使用3年多时间。经复查当时的竣工验收资料，相关公差数据在设计标准范围内，也未发现施工违规记录。砌筑设计前企业聘请了当地特检院检测，储罐钢板厚度未发现明显腐蚀变薄，检测合格。

该储罐旁的另1台同样规格但没有内衬的硫酸储罐，由同一工程公司制造安装，使用至当时未出现任何问题，因此基本排除壳体制造的问题。

3.4 砌筑设计

储罐的砌筑防腐由国内大型设计院设计。经复核，设计蓝图有非常详细的砌筑结构设计图和技术说明，设计耐酸砖按GB/T 8488—2008《耐酸砖》执行制造、试验和验收，砌筑按HG/T 20676—1990《砖板衬里化工设备》施工和验收，相关节点、人孔和各管口套管等也未发现设计上的缺陷。

该储罐旁边的另一台规格为φ8 000 mm×14 000 mm的硫酸储罐，内衬耐酸瓷砖图纸由同一设计院设计。除设备直径较小外，设计内衬结构和材料与出现问题的硫酸储罐一致。该硫酸储罐未出现问题，基本可排除砌筑设计上的问题。

3.5 砌筑材料

按设计，储罐衬里材料为耐酸瓷砖，黏接材料为KPI胶泥（KPI胶泥粉料、硅酸钾、氟硅酸钠）[1]。经复查，所用材料均由国内成熟材料制造厂家供货，产品出厂检验合格、资料齐全，且进场后经企业抽检合格。其中耐酸瓷砖符合GB/T 8488—2008《耐酸砖》要求，硅酸钾符合HG/T 4131—2010《工业硅酸钾》要求，KPI胶泥粉料的含量和颗粒度等相关数据符合CECS116：2000《钾水玻璃防腐蚀工程技术规程》和GB 50212—2002《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》要求，氟硅酸钠符合GB/T 23936—2009《工业氟硅酸钠》标准要求。

储罐开裂事故发生后，硫酸生产企业把上述材料的留样外发至符合资质的相关检验机构检测，企业也对留样按GB 50212—2002《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》和HG/T 20676—1990《砖板衬里化工设备》作了胶泥试块和砌筑试验[2]。经检测其耐腐蚀性能（浸酸安定性）、抗拉强度、承压强度、与耐酸砖的黏接极限温度等指标均符合且优于上述设计规范规定的数据。

3.6 砌筑施工

储罐砌筑施工方为江西省某防腐工程承建商。其在硫酸行业塔、槽的砌筑经验丰富，在国内有多套大型硫酸吸收塔砌筑防腐的成功案例。该储罐开裂事故发生后，企业组织由多家设计院和工程公司资深专家组成的专家组对施工方案、施工日志、验收资料进行了复核，并对施工和工程管理人员作了询问了解。据专家组分析，施工方案中执行HG/T 20676—1990《砖板衬里化工设备》、HGJ 229—1991《工业设备、管道防腐蚀工程施工及验收规范》、GB 50212—2002《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》，符合该工程要求，竣工验收资料也未发现问题，但从施工日志记录并向企业的工程管理人员咨询核实，施工人员在KPI胶泥的配制中有个别批次只按经验进行配比，没有严格称量；也有部分批次的KPI胶泥调配好后，砌筑使用过程中超出规定的间隔时间。这些失误虽然在监管人员提出后能及时纠正，但对砌筑砖缝的黏接力和强度有一定影响。储罐底板上砖缝掉落的砌筑胶泥可徒手捏碎，技术人员分析认为也是这一原因造成的。

3.7 温度差造成钢壳体与衬里热膨胀不均匀

该储罐为常温常压储罐，存储介质温度在20～45 ℃，储罐所处位置空旷且自然通风良好，即使有较强的日照，温差造成的线膨胀也不大。这一点从储罐的竣工验收资料数据中也能证明。储罐投用前状态完好，因此由温度差造成钢壳体与衬里热膨胀不均匀所引起的储罐内衬开裂的可能性不大。

3.8 外力影响

储罐出现问题后，经检测储罐筒体外部没有形变，但储罐底板中部有上翘，下部工字钢也有上翘现象。储罐筒体内部四周横向及纵向均产生较多裂缝，裂缝均布在筒体中下部，以竖向裂纹为主，呈放射状，筒体环向裂缝多分布在施工衬砖换位高度位置（即衬砖施工缝位置）。沿底板焊缝方向（即工字钢铺设方向）有砖缝裂纹数条，间距在2 m左右，垂直方向基本没有裂缝。

上述情况分析，内衬瓷砖后的储罐充装硫酸后，储罐筒体的刚度不能满足衬砖后要求的最小变形。储罐筒体为钢板，有弹性，但内衬瓷砖层的刚度大而弹性极小。从计算数据上分析，储罐钢壳的强度和刚度虽满足设计规范，但装满硫酸后筒体整体受力向外膨胀；在硫酸介质巨大的压力下，耐酸瓷砖与KPI胶泥的黏接强度并不足以承受，压力会转移到钢壳上。相对于瓷砖衬体的刚度不足，金属筒体膨胀产生弹性变形，储罐直径越大、相对刚度则越低，这种弹性变形量则越大。瓷砖衬层是脆性材料且允许的膨胀量较小，因此导致瓷砖衬层在径向方向开裂。当储罐内的硫酸排空后，钢壳筒体基本复位，因此检测不出储罐筒体的形变。

储罐底板的裂纹主要是由于筒体受硫酸介质的压力膨胀产生向外弹性变形，底板四周与筒体焊接固定，固定点形成支点产生杠杆效应，使储罐底板和工字钢承受上翘力。其上翘力在储罐没有内衬时，因储罐的弹性变形是相对均匀的，这种杠杆效应产生的上翘力不大，远少于硫酸介质对底板的压力，因此此时底板与工字钢和土建基础紧贴，甚至可能使储罐底板向外微凸；当储罐内衬耐酸瓷砖后，储罐筒体的整体刚度相对增强，产生的反向应力形成强大的杠杆效应，导致底板和工字钢变形，中心向上翘起，金属底板变形导致底板内衬瓷砖层产生裂纹。

3.9 分析结论

经过综合分析，储罐筒体内衬耐酸瓷砖开裂的主要原因是由于储罐装满硫酸后，筒体整体向外受力，硫酸介质巨大的压力转移到钢壳上。相对于瓷砖衬体的刚度不足，金属筒体向外膨胀产生弹性变形。这种弹性变形的量在储罐筒体上若向外均匀膨胀0.5 mm，则耐酸瓷砖砌体上的纵向裂缝总量可达3.14 mm。其次，由于施工过程中施工人员对部分KPI胶泥的配比、胶泥使用的间隔时间没有严格按相关规范控制，导致局部砖缝的黏接力不足。因此，储罐筒体的裂缝就产生于整个防腐砌体的最薄弱处，即存在施工缺陷的砖缝位置。

储罐环向裂缝主要产生在衬砖施工换位高度的位置。这是由于筒体瓷砖砌体产生纵向裂纹后，局部砖体发生位移，并由上述施工过程引起的质量缺陷影响导致的。

储罐底板的裂纹主要是由于筒体向外膨胀产生整体杠杆效应，使储罐底板和工字钢受力上翘，导致底板施工质量缺陷位置的内衬瓷砖层产生裂纹，裂纹的方向与工字钢的布置方向基本平行。这是由于该方向相对于槽体底板整体刚度也是相对薄弱方位。

储罐人孔套管被槽体产生弹性变形后的应力所拉裂。

储罐底板与筒体的连接是“T”形结构，辅以工字钢焊接连接，其结构刚度较高。储罐钢壳底板与筒体底部的瓷砖砌体对储罐底部形成较大的支撑，使储罐下部整体刚度增大，相对弹性余量降低；当储罐内的硫酸排空后，底板和工字钢存在一定量的塑性变形，无法完全复位，储罐工字钢与混凝土条形基础梁之间形成脱离。

4 修复措施与建议

储罐内衬耐酸瓷砖开裂的原因找到后，针对储罐钢壳筒体内衬耐酸瓷砖后的相对刚度不足，技术人员在筒体外部由底板往上每隔2 m位置焊接规格为20B的槽钢加强圈，增强钢壳筒体的刚度，使钢壳体的弹性变形量与衬砖层相适应，使耐酸瓷砖砌体不会产生裂纹。焊接过程中采取适当的冷却散热措施，避免筒体受热变形。

技术人员对储罐内部进行彻底的清洗后风干。针对已发现的砖缝裂缝，使用厚度2 mm金刚切割片切割至40～50 mm深度，用KPI胶泥稀料浸渍石棉绳堵实至25～30 mm深度，最外层用KPI胶泥封堵。

技术人员用钢板填实底部发生挠曲的工字钢与混凝土条形梁之间的间隙，焊接固定。

按上述措施修复后，该储罐投入使用，至今未发现所储存的精制硫酸的金属离子含量超标至不合格的现象。

从该储罐修复后的使用结果，对比位于同一储罐区规格较小的φ8 000 mm×14 000 mm耐酸瓷砖衬里储罐及相同规格的φ14 500 mm×14 000 mm没有瓷砖衬里储罐的使用情况可知，上述对φ14 500mm×14 000 mm大型硫酸储罐耐酸瓷砖衬里开裂的原因分析和处理措施是正确的。关于内衬耐酸砖设备筒体所要求的相对刚度数据，目前在国家和行业标准规范中并没有明确界定，该储罐针对其筒体刚度的加强更多是基于设计和工程技术人员的经验估算，建议内衬防腐设备行业同仁可以该案例为参考，制定相关标准规范。另外，对于设备内衬耐酸砖防腐的施工质量控制，例如胶泥配方、环境要求、固化时间、砌筑程序等，应按标准规范严格执行。