何文旭

(惠州市百利宏晟安化工有限公司，廣東惠州 516083)

1 設(shè)備簡介

廣東某硫酸生產(chǎn)企業(yè)儲罐區(qū)內(nèi)設(shè)有3臺立式硫酸儲罐，其中1臺規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm，2臺規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm，罐體材質(zhì)為Q235B。原設(shè)計儲存w（H2SO4）98%工業(yè)硫酸。該硫酸廠投產(chǎn)2年后，因裝置進(jìn)行精制硫酸技術(shù)改造，儲罐需儲存一部分精制硫酸。硫酸企業(yè)根據(jù)存儲需求，分別對1臺規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm和1臺規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm儲罐作了耐酸瓷磚防腐襯里改造。

儲罐土建基礎(chǔ)為φ800 mm樁基打至風(fēng)化層，樁間距1 800 mm×1 800 mm。樁頂設(shè)計600 mm厚度混凝土承臺，承臺上為高700 mm、寬400 mm混凝土條形梁，梁間距為1 800 mm。

儲罐底部均布規(guī)格為32B型號的工字鋼，工字鋼間距為392 mm，與基礎(chǔ)混凝土條形梁平面成90°夾角布設(shè)，與槽體底板焊接相連。

儲罐底板厚度為18 mm，筒體由底板向上約2 m處鋼板厚度為20 mm，2～4 m處鋼板厚度為18 mm，4～6 m處鋼板厚度為16 mm，6～8 m處鋼板厚度為14 mm，8～10 m處鋼板厚度為12 mm，10～14 m處鋼板厚度為12 mm，球面頂板厚度為8 mm。儲罐頂板有放射狀加強筋，筒體無加強筋和補強圈。

儲罐改造的設(shè)計襯里依次為：底板用耐酸混凝土找平，上襯2層耐酸標(biāo)準(zhǔn)磚，每層厚度為65 mm，層間按90°布設(shè)并錯縫砌筑；筒體襯1層113 mm厚度耐酸標(biāo)準(zhǔn)磚，錯縫砌筑；頂板4布6油乙烯基樹脂玻璃鋼粘貼。底部和筒體所用耐酸磚規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)磚230 mm×113 mm×65 mm，筒體配楔形磚230 mm×113 mm×65/55 mm找圓，人孔為20 mm厚耐酸瓷套管，砌筑黏結(jié)劑為鉀水玻璃配耐酸耐熱（KPI）膠泥。

2 存在問題

該硫酸廠2臺儲罐耐酸磚襯里改造完成后相繼投入使用，其中規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm的儲罐內(nèi)襯耐酸磚后使用至今狀態(tài)完好，但規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm儲罐在內(nèi)襯耐酸磚投用后的第二個月就發(fā)現(xiàn)所儲存的精制硫酸金屬離子含量超標(biāo)。技術(shù)人員打開人孔檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)砌體存在開裂現(xiàn)象，具體如下：

1）儲罐內(nèi)砌體磚縫有多處黑色液態(tài)物質(zhì)從磚縫向罐內(nèi)滲漏，分布在整個筒體的內(nèi)襯表面，橫向分布于1.5～2.0 m高度處、5～7 m高度處、9～11 m高度處，豎向呈梯級狀分布。經(jīng)檢查，這些黑色液態(tài)物質(zhì)滲出的地方磚體完好，但磚縫有微細(xì)的裂紋，最大裂縫達(dá)1 mm。經(jīng)分析判斷，該黑色液態(tài)物質(zhì)為通過裂開的磚縫與儲罐殼體接觸后，對金屬殼體腐蝕污染后的硫酸。儲罐內(nèi)砌體裂縫分布見圖1～2。

圖1 儲罐內(nèi)砌體裂縫分布

2)槽體下部人孔的瓷套管有兩處環(huán)向裂縫，寬度達(dá)0.2 mm。具體見圖3。

3)槽體底板磚塊完好，但中部磚縫有3道縱向裂紋，裂紋最大寬度達(dá)1 mm。具體見圖4。

4)儲罐內(nèi)底板有磚縫掉落的部分砌筑膠泥。該膠泥可徒手捏碎。

圖2 儲罐內(nèi)砌體清洗后裂縫

圖3 人孔套管裂縫

圖4 底板裂縫

5)槽底外部工字鋼與混凝土基礎(chǔ)條形梁之間周邊緊貼，但工字鋼中部逐漸向上翹曲分離，最大處達(dá)16 mm。具體見圖5。

圖5 與混凝土條形梁基礎(chǔ)分離上翹的工字鋼

3 原因分析

針對規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm的大型硫酸儲罐耐酸瓷磚襯里的開裂問題，硫酸企業(yè)組織了行業(yè)內(nèi)工藝、設(shè)備、土建、防腐、測量等不同專業(yè)的專家，分別從儲罐基礎(chǔ)、殼體結(jié)構(gòu)、材料、施工過程和質(zhì)量控制、外力影響、環(huán)境溫度差、鋼殼體與磚襯里熱膨脹不均勻等各方面進(jìn)行排查和綜合分析。

3.1 基礎(chǔ)沉降

硫酸企業(yè)委托第三方設(shè)計院和建設(shè)監(jiān)理公司對儲罐土建基礎(chǔ)圖紙和相關(guān)驗收資料進(jìn)行了復(fù)核，設(shè)計和驗收符合規(guī)范。

經(jīng)當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)部門實地檢查測量，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)沉降現(xiàn)象，設(shè)備殼體直線和垂直度在標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計范圍內(nèi)。

3.2 殼體設(shè)計

硫酸儲罐為立式圓柱形，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計按JB/T 4735—1997《鋼制焊接常壓容器》制造、試驗和驗收，焊接電弧焊執(zhí)行JB/T 4709—2000 《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》規(guī)定，罐體壁板、底板、頂板按JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測》規(guī)定的III級要求進(jìn)行射線探傷檢測，壁板與底板連接按JB/T 4730.4—2005《承壓設(shè)備無損檢測》規(guī)定的MT-I級要求進(jìn)行總體試驗和射線探傷。

經(jīng)對設(shè)計、審圖、驗收資料檢查復(fù)核，硫酸儲罐設(shè)計施工符合規(guī)范要求。為進(jìn)一步核實，該企業(yè)聘請第三方設(shè)計院，依據(jù)GB 50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》對該儲罐進(jìn)行了強度和剛度核算，得出結(jié)論如下：

1）罐壁筒體許用臨界力[Pcr]＝4.72 kPa，罐壁筒體設(shè)計外壓P0＝2.11 kPa，因[Pcr]≥P0，判斷殼體強度滿足要求。

2）設(shè)計溫度下罐壁材料Q235B的許用應(yīng)力為[σ]＝150 MPa，計算罐壁鋼板最大彎曲應(yīng)力為σ＝73.28 MPa；計算焊縫剪應(yīng)力為τ＝17.65 MPa，許用剪應(yīng)力為 [τ]＝ 89.25MPa；因σ＜ [σ]，τ＜ [τ]，判斷儲罐剛度滿足要求。

該硫酸儲罐旁也有1臺同樣規(guī)格但沒有內(nèi)襯的硫酸儲罐，設(shè)計圖紙完全相同，使用至當(dāng)時未發(fā)現(xiàn)任何問題，因此可排除殼體設(shè)計的問題。

3.3 殼體制造原因

自企業(yè)投產(chǎn)后，該鋼儲罐作為w（H2SO4）98%工業(yè)硫酸儲罐投用，已使用3年多時間。經(jīng)復(fù)查當(dāng)時的竣工驗收資料，相關(guān)公差數(shù)據(jù)在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，也未發(fā)現(xiàn)施工違規(guī)記錄。砌筑設(shè)計前企業(yè)聘請了當(dāng)?shù)靥貦z院檢測，儲罐鋼板厚度未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕變薄，檢測合格。

該儲罐旁的另1臺同樣規(guī)格但沒有內(nèi)襯的硫酸儲罐，由同一工程公司制造安裝，使用至當(dāng)時未出現(xiàn)任何問題，因此基本排除殼體制造的問題。

3.4 砌筑設(shè)計

儲罐的砌筑防腐由國內(nèi)大型設(shè)計院設(shè)計。經(jīng)復(fù)核，設(shè)計藍(lán)圖有非常詳細(xì)的砌筑結(jié)構(gòu)設(shè)計圖和技術(shù)說明，設(shè)計耐酸磚按GB/T 8488—2008《耐酸磚》執(zhí)行制造、試驗和驗收，砌筑按HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設(shè)備》施工和驗收，相關(guān)節(jié)點、人孔和各管口套管等也未發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的缺陷。

該儲罐旁邊的另一臺規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm的硫酸儲罐，內(nèi)襯耐酸瓷磚圖紙由同一設(shè)計院設(shè)計。除設(shè)備直徑較小外，設(shè)計內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和材料與出現(xiàn)問題的硫酸儲罐一致。該硫酸儲罐未出現(xiàn)問題，基本可排除砌筑設(shè)計上的問題。

3.5 砌筑材料

按設(shè)計，儲罐襯里材料為耐酸瓷磚，黏接材料為KPI膠泥（KPI膠泥粉料、硅酸鉀、氟硅酸鈉）[1]。經(jīng)復(fù)查，所用材料均由國內(nèi)成熟材料制造廠家供貨，產(chǎn)品出廠檢驗合格、資料齊全，且進(jìn)場后經(jīng)企業(yè)抽檢合格。其中耐酸瓷磚符合GB/T 8488—2008《耐酸磚》要求，硅酸鉀符合HG/T 4131—2010《工業(yè)硅酸鉀》要求，KPI膠泥粉料的含量和顆粒度等相關(guān)數(shù)據(jù)符合CECS116：2000《鉀水玻璃防腐蝕工程技術(shù)規(guī)程》和GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗收規(guī)范》要求，氟硅酸鈉符合GB/T 23936—2009《工業(yè)氟硅酸鈉》標(biāo)準(zhǔn)要求。

儲罐開裂事故發(fā)生后，硫酸生產(chǎn)企業(yè)把上述材料的留樣外發(fā)至符合資質(zhì)的相關(guān)檢驗機構(gòu)檢測，企業(yè)也對留樣按GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗收規(guī)范》和HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設(shè)備》作了膠泥試塊和砌筑試驗[2]。經(jīng)檢測其耐腐蝕性能（浸酸安定性）、抗拉強度、承壓強度、與耐酸磚的黏接極限溫度等指標(biāo)均符合且優(yōu)于上述設(shè)計規(guī)范規(guī)定的數(shù)據(jù)。

3.6 砌筑施工

儲罐砌筑施工方為江西省某防腐工程承建商。其在硫酸行業(yè)塔、槽的砌筑經(jīng)驗豐富，在國內(nèi)有多套大型硫酸吸收塔砌筑防腐的成功案例。該儲罐開裂事故發(fā)生后，企業(yè)組織由多家設(shè)計院和工程公司資深專家組成的專家組對施工方案、施工日志、驗收資料進(jìn)行了復(fù)核，并對施工和工程管理人員作了詢問了解。據(jù)專家組分析，施工方案中執(zhí)行HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設(shè)備》、HGJ 229—1991《工業(yè)設(shè)備、管道防腐蝕工程施工及驗收規(guī)范》、GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗收規(guī)范》，符合該工程要求，竣工驗收資料也未發(fā)現(xiàn)問題，但從施工日志記錄并向企業(yè)的工程管理人員咨詢核實，施工人員在KPI膠泥的配制中有個別批次只按經(jīng)驗進(jìn)行配比，沒有嚴(yán)格稱量；也有部分批次的KPI膠泥調(diào)配好后，砌筑使用過程中超出規(guī)定的間隔時間。這些失誤雖然在監(jiān)管人員提出后能及時糾正，但對砌筑磚縫的黏接力和強度有一定影響。儲罐底板上磚縫掉落的砌筑膠泥可徒手捏碎，技術(shù)人員分析認(rèn)為也是這一原因造成的。

3.7 溫度差造成鋼殼體與襯里熱膨脹不均勻

該儲罐為常溫常壓儲罐，存儲介質(zhì)溫度在20～45 ℃，儲罐所處位置空曠且自然通風(fēng)良好，即使有較強的日照，溫差造成的線膨脹也不大。這一點從儲罐的竣工驗收資料數(shù)據(jù)中也能證明。儲罐投用前狀態(tài)完好，因此由溫度差造成鋼殼體與襯里熱膨脹不均勻所引起的儲罐內(nèi)襯開裂的可能性不大。

3.8 外力影響

儲罐出現(xiàn)問題后，經(jīng)檢測儲罐筒體外部沒有形變，但儲罐底板中部有上翹，下部工字鋼也有上翹現(xiàn)象。儲罐筒體內(nèi)部四周橫向及縱向均產(chǎn)生較多裂縫，裂縫均布在筒體中下部，以豎向裂紋為主，呈放射狀，筒體環(huán)向裂縫多分布在施工襯磚換位高度位置（即襯磚施工縫位置）。沿底板焊縫方向（即工字鋼鋪設(shè)方向）有磚縫裂紋數(shù)條，間距在2 m左右，垂直方向基本沒有裂縫。

上述情況分析，內(nèi)襯瓷磚后的儲罐充裝硫酸后，儲罐筒體的剛度不能滿足襯磚后要求的最小變形。儲罐筒體為鋼板，有彈性，但內(nèi)襯瓷磚層的剛度大而彈性極小。從計算數(shù)據(jù)上分析，儲罐鋼殼的強度和剛度雖滿足設(shè)計規(guī)范，但裝滿硫酸后筒體整體受力向外膨脹；在硫酸介質(zhì)巨大的壓力下，耐酸瓷磚與KPI膠泥的黏接強度并不足以承受，壓力會轉(zhuǎn)移到鋼殼上。相對于瓷磚襯體的剛度不足，金屬筒體膨脹產(chǎn)生彈性變形，儲罐直徑越大、相對剛度則越低，這種彈性變形量則越大。瓷磚襯層是脆性材料且允許的膨脹量較小，因此導(dǎo)致瓷磚襯層在徑向方向開裂。當(dāng)儲罐內(nèi)的硫酸排空后，鋼殼筒體基本復(fù)位，因此檢測不出儲罐筒體的形變。

儲罐底板的裂紋主要是由于筒體受硫酸介質(zhì)的壓力膨脹產(chǎn)生向外彈性變形，底板四周與筒體焊接固定，固定點形成支點產(chǎn)生杠桿效應(yīng)，使儲罐底板和工字鋼承受上翹力。其上翹力在儲罐沒有內(nèi)襯時，因儲罐的彈性變形是相對均勻的，這種杠桿效應(yīng)產(chǎn)生的上翹力不大，遠(yuǎn)少于硫酸介質(zhì)對底板的壓力，因此此時底板與工字鋼和土建基礎(chǔ)緊貼，甚至可能使儲罐底板向外微凸；當(dāng)儲罐內(nèi)襯耐酸瓷磚后，儲罐筒體的整體剛度相對增強，產(chǎn)生的反向應(yīng)力形成強大的杠桿效應(yīng)，導(dǎo)致底板和工字鋼變形，中心向上翹起，金屬底板變形導(dǎo)致底板內(nèi)襯瓷磚層產(chǎn)生裂紋。

3.9 分析結(jié)論

經(jīng)過綜合分析，儲罐筒體內(nèi)襯耐酸瓷磚開裂的主要原因是由于儲罐裝滿硫酸后，筒體整體向外受力，硫酸介質(zhì)巨大的壓力轉(zhuǎn)移到鋼殼上。相對于瓷磚襯體的剛度不足，金屬筒體向外膨脹產(chǎn)生彈性變形。這種彈性變形的量在儲罐筒體上若向外均勻膨脹0.5 mm，則耐酸瓷磚砌體上的縱向裂縫總量可達(dá)3.14 mm。其次，由于施工過程中施工人員對部分KPI膠泥的配比、膠泥使用的間隔時間沒有嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范控制，導(dǎo)致局部磚縫的黏接力不足。因此，儲罐筒體的裂縫就產(chǎn)生于整個防腐砌體的最薄弱處，即存在施工缺陷的磚縫位置。

儲罐環(huán)向裂縫主要產(chǎn)生在襯磚施工換位高度的位置。這是由于筒體瓷磚砌體產(chǎn)生縱向裂紋后，局部磚體發(fā)生位移，并由上述施工過程引起的質(zhì)量缺陷影響導(dǎo)致的。

儲罐底板的裂紋主要是由于筒體向外膨脹產(chǎn)生整體杠桿效應(yīng)，使儲罐底板和工字鋼受力上翹，導(dǎo)致底板施工質(zhì)量缺陷位置的內(nèi)襯瓷磚層產(chǎn)生裂紋，裂紋的方向與工字鋼的布置方向基本平行。這是由于該方向相對于槽體底板整體剛度也是相對薄弱方位。

儲罐人孔套管被槽體產(chǎn)生彈性變形后的應(yīng)力所拉裂。

儲罐底板與筒體的連接是“T”形結(jié)構(gòu)，輔以工字鋼焊接連接，其結(jié)構(gòu)剛度較高。儲罐鋼殼底板與筒體底部的瓷磚砌體對儲罐底部形成較大的支撐，使儲罐下部整體剛度增大，相對彈性余量降低；當(dāng)儲罐內(nèi)的硫酸排空后，底板和工字鋼存在一定量的塑性變形，無法完全復(fù)位，儲罐工字鋼與混凝土條形基礎(chǔ)梁之間形成脫離。

4 修復(fù)措施與建議

儲罐內(nèi)襯耐酸瓷磚開裂的原因找到后，針對儲罐鋼殼筒體內(nèi)襯耐酸瓷磚后的相對剛度不足，技術(shù)人員在筒體外部由底板往上每隔2 m位置焊接規(guī)格為20B的槽鋼加強圈，增強鋼殼筒體的剛度，使鋼殼體的彈性變形量與襯磚層相適應(yīng)，使耐酸瓷磚砌體不會產(chǎn)生裂紋。焊接過程中采取適當(dāng)?shù)睦鋮s散熱措施，避免筒體受熱變形。

技術(shù)人員對儲罐內(nèi)部進(jìn)行徹底的清洗后風(fēng)干。針對已發(fā)現(xiàn)的磚縫裂縫，使用厚度2 mm金剛切割片切割至40～50 mm深度，用KPI膠泥稀料浸漬石棉繩堵實至25～30 mm深度，最外層用KPI膠泥封堵。

技術(shù)人員用鋼板填實底部發(fā)生撓曲的工字鋼與混凝土條形梁之間的間隙，焊接固定。

按上述措施修復(fù)后，該儲罐投入使用，至今未發(fā)現(xiàn)所儲存的精制硫酸的金屬離子含量超標(biāo)至不合格的現(xiàn)象。

從該儲罐修復(fù)后的使用結(jié)果，對比位于同一儲罐區(qū)規(guī)格較小的φ8 000 mm×14 000 mm耐酸瓷磚襯里儲罐及相同規(guī)格的φ14 500 mm×14 000 mm沒有瓷磚襯里儲罐的使用情況可知，上述對φ14 500mm×14 000 mm大型硫酸儲罐耐酸瓷磚襯里開裂的原因分析和處理措施是正確的。關(guān)于內(nèi)襯耐酸磚設(shè)備筒體所要求的相對剛度數(shù)據(jù)，目前在國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中并沒有明確界定，該儲罐針對其筒體剛度的加強更多是基于設(shè)計和工程技術(shù)人員的經(jīng)驗估算，建議內(nèi)襯防腐設(shè)備行業(yè)同仁可以該案例為參考，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。另外，對于設(shè)備內(nèi)襯耐酸磚防腐的施工質(zhì)量控制，例如膠泥配方、環(huán)境要求、固化時間、砌筑程序等，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。