何文旭
(惠州市百利宏晟安化工有限公司,廣東惠州 516083)
廣東某硫酸生產(chǎn)企業(yè)儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)設(shè)有3臺(tái)立式硫酸儲(chǔ)罐,其中1臺(tái)規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm,2臺(tái)規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm,罐體材質(zhì)為Q235B。原設(shè)計(jì)儲(chǔ)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(chǔ)罐需儲(chǔ)存一部分精制硫酸。硫酸企業(yè)根據(jù)存儲(chǔ)需求,分別對(duì)1臺(tái)規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm和1臺(tái)規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm儲(chǔ)罐作了耐酸瓷磚防腐襯里改造。
儲(chǔ)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(jì)600 mm厚度混凝土承臺(tái),承臺(tái)上為高700 mm、寬400 mm混凝土條形梁,梁間距為1 800 mm。
儲(chǔ)罐底部均布規(guī)格為32B型號(hào)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(chǔ)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(chǔ)罐頂板有放射狀加強(qiáng)筋,筒體無(wú)加強(qiáng)筋和補(bǔ)強(qiáng)圈。
儲(chǔ)罐改造的設(shè)計(jì)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(cuò)縫砌筑;筒體襯1層113 mm厚度耐酸標(biāo)準(zhǔn)磚,錯(cuò)縫砌筑;頂板4布6油乙烯基樹(shù)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。
該硫酸廠2臺(tái)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)罐在內(nèi)襯耐酸磚投用后的第二個(gè)月就發(fā)現(xiàn)所儲(chǔ)存的精制硫酸金屬離子含量超標(biāo)。技術(shù)人員打開(kāi)人孔檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)砌體存在開(kāi)裂現(xiàn)象,具體如下:
1)儲(chǔ)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(gè)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(jí)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(guò)裂開(kāi)的磚縫與儲(chǔ)罐殼體接觸后,對(duì)金屬殼體腐蝕污染后的硫酸。儲(chǔ)罐內(nèi)砌體裂縫分布見(jiàn)圖1~2。
圖1 儲(chǔ)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(jiàn)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(jiàn)圖4。
4)儲(chǔ)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(chǔ)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(jiàn)圖5。
圖5 與混凝土條形梁基礎(chǔ)分離上翹的工字鋼
針對(duì)規(guī)格為φ14 500 mm×14 000 mm的大型硫酸儲(chǔ)罐耐酸瓷磚襯里的開(kāi)裂問(wèn)題,硫酸企業(yè)組織了行業(yè)內(nèi)工藝、設(shè)備、土建、防腐、測(cè)量等不同專業(yè)的專家,分別從儲(chǔ)罐基礎(chǔ)、殼體結(jié)構(gòu)、材料、施工過(guò)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。
硫酸企業(yè)委托第三方設(shè)計(jì)院和建設(shè)監(jiān)理公司對(duì)儲(chǔ)罐土建基礎(chǔ)圖紙和相關(guān)驗(yàn)收資料進(jìn)行了復(fù)核,設(shè)計(jì)和驗(yàn)收符合規(guī)范。
經(jīng)當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)部門實(shí)地檢查測(cè)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(jì)范圍內(nèi)。
硫酸儲(chǔ)罐為立式圓柱形,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按JB/T 4735—1997《鋼制焊接常壓容器》制造、試驗(yàn)和驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)》規(guī)定的III級(jí)要求進(jìn)行射線探傷檢測(cè),壁板與底板連接按JB/T 4730.4—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》規(guī)定的MT-I級(jí)要求進(jìn)行總體試驗(yàn)和射線探傷。
經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)、審圖、驗(yàn)收資料檢查復(fù)核,硫酸儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)施工符合規(guī)范要求。為進(jìn)一步核實(shí),該企業(yè)聘請(qǐng)第三方設(shè)計(jì)院,依據(jù)GB 50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)該儲(chǔ)罐進(jìn)行了強(qiáng)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(jì)外壓P0=2.11 kPa,因[Pcr]≥P0,判斷殼體強(qiáng)度滿足要求。
2)設(shè)計(jì)溫度下罐壁材料Q235B的許用應(yīng)力為[σ]=150 MPa,計(jì)算罐壁鋼板最大彎曲應(yīng)力為σ=73.28 MPa;計(jì)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(chǔ)罐剛度滿足要求。
該硫酸儲(chǔ)罐旁也有1臺(tái)同樣規(guī)格但沒(méi)有內(nèi)襯的硫酸儲(chǔ)罐,設(shè)計(jì)圖紙完全相同,使用至當(dāng)時(shí)未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題,因此可排除殼體設(shè)計(jì)的問(wèn)題。
自企業(yè)投產(chǎn)后,該鋼儲(chǔ)罐作為w(H2SO4)98%工業(yè)硫酸儲(chǔ)罐投用,已使用3年多時(shí)間。經(jīng)復(fù)查當(dāng)時(shí)的竣工驗(yàn)收資料,相關(guān)公差數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)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(jì)前企業(yè)聘請(qǐng)了當(dāng)?shù)靥貦z院檢測(cè),儲(chǔ)罐鋼板厚度未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕變薄,檢測(cè)合格。
該儲(chǔ)罐旁的另1臺(tái)同樣規(guī)格但沒(méi)有內(nèi)襯的硫酸儲(chǔ)罐,由同一工程公司制造安裝,使用至當(dāng)時(shí)未出現(xiàn)任何問(wèn)題,因此基本排除殼體制造的問(wèn)題。
儲(chǔ)罐的砌筑防腐由國(guó)內(nèi)大型設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)。經(jīng)復(fù)核,設(shè)計(jì)藍(lán)圖有非常詳細(xì)的砌筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖和技術(shù)說(shuō)明,設(shè)計(jì)耐酸磚按GB/T 8488—2008《耐酸磚》執(zhí)行制造、試驗(yàn)和驗(yàn)收,砌筑按HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設(shè)備》施工和驗(yàn)收,相關(guān)節(jié)點(diǎn)、人孔和各管口套管等也未發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的缺陷。
該儲(chǔ)罐旁邊的另一臺(tái)規(guī)格為φ8 000 mm×14 000 mm的硫酸儲(chǔ)罐,內(nèi)襯耐酸瓷磚圖紙由同一設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)。除設(shè)備直徑較小外,設(shè)計(jì)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和材料與出現(xiàn)問(wèn)題的硫酸儲(chǔ)罐一致。該硫酸儲(chǔ)罐未出現(xiàn)問(wèn)題,基本可排除砌筑設(shè)計(jì)上的問(wèn)題。
按設(shè)計(jì),儲(chǔ)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(guó)內(nèi)成熟材料制造廠家供貨,產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)合格、資料齊全,且進(jìn)場(chǎng)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(yàn)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(chǔ)罐開(kāi)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(yàn)機(jī)構(gòu)檢測(cè),企業(yè)也對(duì)留樣按GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗(yàn)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(yàn)[2]。經(jīng)檢測(cè)其耐腐蝕性能(浸酸安定性)、抗拉強(qiáng)度、承壓強(qiáng)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(jì)規(guī)范規(guī)定的數(shù)據(jù)。
儲(chǔ)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(yàn)豐富,在國(guó)內(nèi)有多套大型硫酸吸收塔砌筑防腐的成功案例。該儲(chǔ)罐開(kāi)裂事故發(fā)生后,企業(yè)組織由多家設(shè)計(jì)院和工程公司資深專家組成的專家組對(duì)施工方案、施工日志、驗(yàn)收資料進(jìn)行了復(fù)核,并對(duì)施工和工程管理人員作了詢問(wèn)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(yàn)收規(guī)范》、GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》,符合該工程要求,竣工驗(yàn)收資料也未發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(shí),施工人員在KPI膠泥的配制中有個(gè)別批次只按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配比,沒(méi)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(guò)程中超出規(guī)定的間隔時(shí)間。這些失誤雖然在監(jiān)管人員提出后能及時(shí)糾正,但對(duì)砌筑磚縫的黏接力和強(qiáng)度有一定影響。儲(chǔ)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。
該儲(chǔ)罐為常溫常壓儲(chǔ)罐,存儲(chǔ)介質(zhì)溫度在20~45 ℃,儲(chǔ)罐所處位置空曠且自然通風(fēng)良好,即使有較強(qiáng)的日照,溫差造成的線膨脹也不大。這一點(diǎn)從儲(chǔ)罐的竣工驗(yàn)收資料數(shù)據(jù)中也能證明。儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)襯開(kāi)裂的可能性不大。
儲(chǔ)罐出現(xiàn)問(wèn)題后,經(jīng)檢測(cè)儲(chǔ)罐筒體外部沒(méi)有形變,但儲(chǔ)罐底板中部有上翹,下部工字鋼也有上翹現(xiàn)象。儲(chǔ)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(méi)有裂縫。
上述情況分析,內(nèi)襯瓷磚后的儲(chǔ)罐充裝硫酸后,儲(chǔ)罐筒體的剛度不能滿足襯磚后要求的最小變形。儲(chǔ)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(jì)算數(shù)據(jù)上分析,儲(chǔ)罐鋼殼的強(qiáng)度和剛度雖滿足設(shè)計(jì)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(qiáng)度并不足以承受,壓力會(huì)轉(zhuǎn)移到鋼殼上。相對(duì)于瓷磚襯體的剛度不足,金屬筒體膨脹產(chǎn)生彈性變形,儲(chǔ)罐直徑越大、相對(duì)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(kāi)裂。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的硫酸排空后,鋼殼筒體基本復(fù)位,因此檢測(cè)不出儲(chǔ)罐筒體的形變。
儲(chǔ)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(diǎn)形成支點(diǎn)產(chǎn)生杠桿效應(yīng),使儲(chǔ)罐底板和工字鋼承受上翹力。其上翹力在儲(chǔ)罐沒(méi)有內(nèi)襯時(shí),因儲(chǔ)罐的彈性變形是相對(duì)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(duì)底板的壓力,因此此時(shí)底板與工字鋼和土建基礎(chǔ)緊貼,甚至可能使儲(chǔ)罐底板向外微凸;當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)襯耐酸瓷磚后,儲(chǔ)罐筒體的整體剛度相對(duì)增強(qiáng),產(chǎn)生的反向應(yīng)力形成強(qiáng)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。
經(jīng)過(guò)綜合分析,儲(chǔ)罐筒體內(nèi)襯耐酸瓷磚開(kāi)裂的主要原因是由于儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)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(guò)程中施工人員對(duì)部分KPI膠泥的配比、膠泥使用的間隔時(shí)間沒(méi)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(chǔ)罐筒體的裂縫就產(chǎn)生于整個(gè)防腐砌體的最薄弱處,即存在施工缺陷的磚縫位置。
儲(chǔ)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(guò)程引起的質(zhì)量缺陷影響導(dǎo)致的。
儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)于槽體底板整體剛度也是相對(duì)薄弱方位。
儲(chǔ)罐人孔套管被槽體產(chǎn)生彈性變形后的應(yīng)力所拉裂。
儲(chǔ)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(chǔ)罐鋼殼底板與筒體底部的瓷磚砌體對(duì)儲(chǔ)罐底部形成較大的支撐,使儲(chǔ)罐下部整體剛度增大,相對(duì)彈性余量降低;當(dāng)儲(chǔ)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(wú)法完全復(fù)位,儲(chǔ)罐工字鋼與混凝土條形基礎(chǔ)梁之間形成脫離。
儲(chǔ)罐內(nèi)襯耐酸瓷磚開(kāi)裂的原因找到后,針對(duì)儲(chǔ)罐鋼殼筒體內(nèi)襯耐酸瓷磚后的相對(duì)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(qiáng)圈,增強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生裂紋。焊接過(guò)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(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部進(jìn)行徹底的清洗后風(fēng)干。針對(duì)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(shí)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(shí)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(chǔ)罐投入使用,至今未發(fā)現(xiàn)所儲(chǔ)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(chǔ)罐修復(fù)后的使用結(jié)果,對(duì)比位于同一儲(chǔ)罐區(qū)規(guī)格較小的φ8 000 mm×14 000 mm耐酸瓷磚襯里儲(chǔ)罐及相同規(guī)格的φ14 500 mm×14 000 mm沒(méi)有瓷磚襯里儲(chǔ)罐的使用情況可知,上述對(duì)φ14 500mm×14 000 mm大型硫酸儲(chǔ)罐耐酸瓷磚襯里開(kāi)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(duì)剛度數(shù)據(jù),目前在國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中并沒(méi)有明確界定,該儲(chǔ)罐針對(duì)其筒體剛度的加強(qiáng)更多是基于設(shè)計(jì)和工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(shí)間、砌筑程序等,應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行。