1 液硫储罐防腐蚀设计
1.1 腐烛机理
纯的液硫对碳钢储罐基本上无腐蚀, 储罐内壁下部由于长期浸没在液硫环境中腐烛轻微。在罐顶的通气管口、蒸汽消防口、透光孔和检尺口等储罐开孔部位及附件处有冷凝水的地方, 会发生比较严重的腐烛[1]。H2S和水是液硫储罐内壁腐蚀的重要因素。
1.1.1 低温湿硫化氢腐蚀
碳钢在湿H2S的环境中, 随温度的变化形成不同的腐蚀产物。其中当温度稳定在100-150℃之间时, 生成的是具有良好保护性能的Fe (1-x) S (磁黄铁) 和Fe S2 (黄铁) , 而其他温度条件下生成的产物多为无保护性的[2]。针对上述特性, 液硫储罐可以通过控制罐内温度的方法来减缓腐蚀。
1.1.2 固体硫磺腐蚀
在储罐内壁 (包括罐顶、罐壁和通气管) 上形成的固体硫磺会腐蚀钢材, 这是造成罐顶局部腐蚀严重的原因之一。硫蒸汽遇低温钢材会形成固体硫磺层, 其阻止热量向罐内部传递从而使水蒸汽在碳钢与硫磺的界面冷凝, 为铁一硫接触腐蚀创造条件。在H2O、O2、H2S和S8单质等腐蚀条件的作用下, 碳钢表面腐蚀产物会形成Fe S、Fe2S3、Fe S2和Fe (1-x) S等复杂的混合物。其中高度自燃性腐蚀产物Fe S遇到空气中的氧气立即变为红热状态, 并持续放出大量热量。如果温度持续升高达到硫磺的自然点, 可能导致液硫隐形燃烧, 从而导致重大安全事故。
由此可知, 液硫储罐的加热系统结构、加热负荷和保温是维持储罐内壁在较高温度下的关键, 既能避免硫蒸气凝固为固体硫磺, 又使水以气相的方式存在。但是加热装置在一些部位相对比较集中, 且保温不可能做到无缺陷, 故很难避免储罐上部及罐顶气相区域内表面出现低温区。由此可知, 通过单一的温度调节来控制使腐蚀是比较困难的。
1.2 防腐蚀措施的选择
1.2.1 喷铝防腐机理
铝是一种耐腐蚀的金属材料, 碳钢上的喷铝防腐技术在国内外得到广泛的应用。实践证明它对于冷却水的腐蚀、高温气体的腐蚀、H2S-H2O系统的腐蚀、化工大气的腐蚀等均是行之有效的防腐措施。喷铝对钢铁基体有双重保护作用。一方面, 通过物理覆盖将碳钢与腐蚀介质隔离开来, 从而起到防护作用。另一方面, 由于铝的电化学性能较铁活泼, 使钢铁极化而受到阴极保护[3]。
热喷涂时, 铝以熔融液滴状态喷射到经过处理的碳钢表面上, 接触后因温度急剧下降而瞬间凝固。液体高温铝能在接触碳钢的瞬间融入约0.006mm, 从而形成牢固的结合强度, 且耐磨不会老化, 因而具有更长的保护周期[4]。另一方面, 热喷铝工艺喷涂时的工件表面温度较低, 一般低于80℃, 储罐不易变形。
1.2.2 液硫储罐热喷铝施工
研究表明, 钢铁件在大气和水介质中由于电化学腐蚀原因, 在没有保护的情况下, 碳钢的平均腐蚀速率比锌高5-20倍, 比铝高40-100倍, 铝涂层在大气环境中的腐蚀速率低于1μm/a[4]。液硫储罐罐体主体部分的腐蚀速率取15μm/a, 既液硫储罐的罐底板上表面、罐壁内表面、拱顶内表面设计喷铝厚度为300um。
储罐防腐在开口接管等焊接工作全部结束及罐体检查合格后进行。储罐热喷涂铝之前, 罐体应彻底除锈, 除锈后的质量等级应达到GB/T8923-1988《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》中的要求。罐壁内表面、罐底板上表面及罐顶板内表面、罐壁外表面、罐顶板外表面除锈等级最低为Sa2.5级。
热喷涂时铝以熔融液滴状态喷射罐内壁, 喷铝应分层进行, 每层完毕后必须间隔10-15 min以上, 且喷涂层表面温度应降到70℃以下时, 再进行下一层喷铝, 前一层和后一层必须进行90°或45°的交叉喷涂, 从而提高喷涂层的附着力[4]。喷涂过程中须控制好喷枪到基体的距离, 尽可能与其垂直, 且控制每一次喷涂厚度达到25-80μm。在进行过渡位置的喷涂时, 注意控制喷涂的质量, 使过渡位置的喷铝厚度均匀完整, 对基体金属形成致密的防腐层。
液硫储罐的操作温度较高, 一般的封堵剂无法正常使用, 通常采用自然封闭法, 依靠铝在空气中极易氧化形成致密氧化铝的特性, 在较短的时间内实现自然封闭。
2 液硫储罐结构设计
液硫储罐结构设计的重点是防止液硫凝固、硫蒸气结晶及冷凝水形成从而导致接管堵塞和罐体腐蚀, 确保液硫储罐的高效、安全的运行。液硫储罐结构设计需要重点注意液硫入口和出口的防堵塞设计, 罐顶通气管口、蒸汽消防口生成冷凝水而导致的局部腐蚀。设置加热器保证罐内的温度需要的热负荷, 并且通过合理的加热器结构设计来保证加热过程的均匀高效, 确保罐壁温度在硫磺凝固点以上[5]。
2.1 管口设计
为了工艺操作高效同时又避免发生进出料事故, 即防止液硫在入口、出口管中凝固而堵塞管子导致意外, 这就需要入口、出口管的温度保持在较高的操作温度下, 使管中的硫磺始终处于液相状态。为了达到上述要求, 最有效办法就是在入口、出口接管设置蒸汽夹套, 通过外部蒸汽加热使接管内的硫磺处于液相状态。
罐顶通气管口、蒸汽消防口附近是腐蚀的高危区域, 这在液硫储罐的实际使用中得到了充分的证实, 主要是因为这两管口处容易生成冷凝水, 而液体水的存在常常会加快碳钢的腐蚀速率。通气管口、蒸汽消防口的结构设计就是为了充分降低冷凝水出现的可能性, 且使硫蒸汽不结晶, 行之有效的办法也是设置蒸汽夹套。
2.2 加热器设计
2.2.1 罐底加热器设计
罐底设置加热器的主要目的是为了弥补液硫储罐热量的损失, 维持储罐内部液硫的温度在130-150℃之间。罐底板与土建基础接触, 通过罐底板传入基础的热量损失较多, 且局部液硫凝固后会在底部聚集, 故罐底热负荷较重应布置较多的加热盘管[6]。根据热负荷计算确定所需的换热面积, 按加热面积来确认加热盘管的型式, 当然一般采用二进二出或多进多出的蛇形盘管加热器。这类加热器的加热盘管在整个罐底平面上均匀对称布置, 可以很好地防止硫磺局部凝固, 并且加热盘管一般从蒸汽入口向冷凝水出口倾斜, 减少冷凝水对盘管的冲击, 延长其使用寿命。
2.2.2 罐壁加热器设计
虽然罐底设置了加热器, 但储罐的温度控制还是有比较困难的, 在罐壁设置加热器更有利于储罐的伴热及温度调节。罐壁加热器根据需要可以设置在罐内壁或罐外壁, 如果热负荷要求特别高, 则设置在内壁更有利于传热。本液硫储罐的主要热负荷通过罐底的加热器来控制, 因而罐壁的加热器设置在了外部保温层内。
通过腐蚀机理的分析, 液位上方气相内壁温度是需要保证的。本储罐外壁的加热器设计成了等距的螺旋结构, 螺距根据加热面积来确定, 这样有利于罐壁的温度均匀以及施工。当然也可设计成不等距的螺旋结构, 根据不同位置罐壁热负荷的需求来调整。在本储罐的设计过程中, 注意到由于保温层厚度的限制, 外壁加热盘管直径不易过大, 并尽量使盘管直径比保温厚度小40mm以上。
3 结语
为确保液硫储罐高效、安全的运行, 在设计阶段就应全面考虑各种影响因素。本文通过对液硫储罐复杂腐蚀机理的分析, 明确了诱导和减缓腐蚀的重要因素。采用了比较成熟的热喷铝涂层来保护碳钢基体材料, 抑制腐蚀发生的根本环境。并且, 通过设置蒸汽夹套接管、加热系统以及保温层等有效保障措施, 使液硫储罐的操作温度始终维持在要求的范围之内。简而言之, 就是通过热喷铝涂层及恰当的结构设计来保证液硫储罐的安全、长寿命使用。
摘要：本文通过对液硫储罐腐蚀机理的分析, 明确了诱导和减缓腐蚀的重要因素。采用了比较成熟的热喷铝涂层来保护碳钢基体材料, 抑制腐蚀发生的根本环境。并且, 通过设置蒸汽夹套接管、加热系统以及保温层等有效保障措施, 使液硫储罐的操作温度始终维持在要求的范围之内。
关键词：液硫储罐,防腐蚀,结构设计
参考文献
[1] 张培青.液硫储罐腐蚀原因分析[J].硫磷设计与粉体工程, 2014, 2:9-10.
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[4] 武建军, 曹晓明, 温明.现代金属热热喷涂技术[M].北京:化学工业出版社, 2007.
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[6] 赵凯.液体硫磺储罐设计要点[J].有色金属, 2015, 2:33-34, 37.