磷酸盐工业中设备选材及设计要点.pdf
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1、中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期:2024 年 01 月 22 日 作者简介:葛建峰,工程师,本科,现主要从事化工设备设计工作。-13-磷酸盐工业中设备选材及设计要点 葛建峰 中国电子系统工程第四建设有限公司,河北 石家庄 050000 摘要:摘要:设备设计选材时,不仅需满足强度和刚度要求,还需综合考虑材料与介质的相容性和经济性。本文介绍了磷酸盐工业中的磷酸生产、净化磷酸存贮、磷盐制备过程中,典型设备的选材及设计关注重点,简析了介质的腐蚀机理和防腐措施及安全设计要点,总结了在满足使用安全的前提下最佳的设计选材方案,可供其他设计人员设计选材时参考。关键词:关键词:磷酸;黄磷;储罐;选材 中
2、图分类号:中图分类号:TQ110.5 1 磷酸生产 磷酸生产分湿法和热法。湿法为硫酸和磷灰石作用,获取稀磷酸。热法先用磷灰石和碳、二氧化硅燃烧,制取黄磷,再经燃烧氧化、水解吸收生成磷酸。本节主要介绍湿法中粗磷酸储罐和热法中黄磷储罐。1.1 粗磷酸储罐 由于磷灰石中含有氟,湿法生产的粗磷酸中含有氟离子,氟离子会导致奥氏体不锈钢产生应力腐蚀,其腐蚀机理为不锈钢钝化膜受到局部破坏后,裂纹形核,并在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下,裂纹尖端沿某一择优路径定向活化溶解,导致裂纹扩展,最终发生断裂。防止应力腐蚀的常用措施有:选材时避免使用对介质敏感的材料。降低设计应力,使最大应力强度降低到引起应力腐蚀的临界
3、应力以下;采用合理的结构设计和加工方式减少局部应力集中。设置涂层,将腐蚀环境与金属材料表面分开。改善介质环境,加入缓蚀剂等物质降低环境敏感性。电化学保护,通过控制电位进行阴极保护或阳极保护防止应力腐蚀发生。根据上述措施,粗磷酸储罐选材时避免使用奥氏体不锈钢,鉴于粗磷酸的酸洗环境对碳钢材质化学腐蚀较强,最常用的选材为碳钢衬橡胶。天然橡胶、氯基和丁基橡胶均对 65、85%以下的磷酸具有良好的耐蚀性,其中以价格便宜的天然橡胶应用最广。磷酸储罐衬胶时采用预硫化胶板,衬层厚度为 46mm。以下将以储罐设计时衬里、罐壁、罐顶和罐底设计施工需注意的事项分别展开阐述。1.1.1 衬里设计 为保证衬里施工质量,
4、储罐结构设计时,罐体的厚度必须满足标准 GB 50726工业设备及管道防腐蚀工程技术标准要求的衬里钢壳最小名义厚度。结构棱角处和角焊缝必须采用圆弧过渡,其圆角半径 R不小于 5mm 与衬里厚度加 3mm 的较大值,焊缝余高不大于 1.5mm。衬里施工前,对金属基体进行喷砂除锈,表面质量达到 Sa2.5 级,表面粗糙度小于 50m 为合格。衬里施工时,宜按先罐壁,再罐顶,后罐底的顺序进行。橡胶衬里采用搭接缝,搭接宽度不小于胶板厚度的 4 倍,且不小于 32mm。相邻衬里的接头应错开,其最小距离不小于 200mm。胶板贴衬完成及总体检测合格后,方可进行加热硫化或预硫化,硫化工艺的选择按照胶板厂提供
5、的方案进行。衬里施工完成后进行外观检查和衬层厚度测定,合格后进行充水试验和电火花试验,无泄漏和击穿为合格。与塑料衬里不同的是,橡胶衬里还需进行胶板硬度检测,检测点硬度平均值在胶板制造厂提供的硬度值范围内为合格。1.1.2 罐壁设计 常压储罐罐壁主要承受液柱静压,磷酸的密度约为 1900kg/m3,远大于水的密度,宜采用自顶至底逐级增厚的阶梯壁厚设计。为方便衬胶层铺贴,减小焊缝打磨的工作量,罐壁焊接接头宜采用内侧齐平,坡口朝外的型式,如图 1 所示。中国科技期刊数据库 工业 A-14-图 1 罐壁焊接接头型式 按照标准 GB 50341立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范 中的定设计点法,每带罐壁壁厚
6、计算公式为:td=4.9D(H 0.3)d 其中 H 为所计算的那圈罐壁板底端到设计液位高度。可见,对于罐壁下部几带板,壁厚主要是强度计算决定的,可采用 Q345R 等容器板,利用其强度高、材料负偏差小的特性,降低罐体壁厚,降低总材料成本;对于剩余的罐壁上部带板,罐壁板承受压力较小,壁厚是刚度决定的,采用普通碳素钢 Q235B 即可。两种材质组合使用,达到降低罐壁材料总造价的目的。两种材料特性如下表所示:表 1 罐壁材料特性 材料特性 Q235B Q345R 许用应力(Mpa)150 230 材料负偏差(mm)0.6/0.8 0.3 材料单价(元/吨)5100 6000 1.1.3 罐顶设计
7、罐顶设计时,可根据储罐直径大小选择拱顶或锥顶型式。当采用拱顶型式,罐顶划分瓜皮瓣时,与钢制储罐采用搭接结构不同,衬胶储罐采用对接结构,目的是保证瓣间的平滑过渡,方便衬里施工。当储罐采用自支撑拱顶,罐顶设计外压较大时,需采用带肋球壳。与钢制储罐肋板设置在罐顶内部不同,衬胶储罐加强肋板设置在罐外,目的为保证罐顶内部衬胶面的连续。对罐壁包边角钢与罐顶连接处,因其存在结构不连续无法直接衬胶,需设置一块过渡锥环,形成平滑过渡,如图 2 所示。图 2 罐顶与罐壁连接处结构 1.1.4 罐底设计 由于磷酸具有强腐蚀性,罐体为衬胶设备,需要基础沉降较小,底板变形较小,底板泄漏时能及时发现且易维修,故磷酸储罐多
8、采用条形基础。同时,为提高罐底的整体刚度,降低罐底厚度,罐底下应设置型钢加强,常采用工字钢和 H 型钢,如图 3 所示。罐体施工前,先对型钢顶面进行找平,达到设计要求时安装罐底板。罐底板为对接焊接。罐底板与型钢采用间断焊,每侧焊缝总长不少于型钢长度 1/2。焊接完成后罐底板与型钢成为一体,跨在条形基础支撑线上端,共同承受液柱静压力和罐内气压,可简化为承受均布载荷的组合简支梁模型。由材料力学公式=MMAXW t可知,型钢的存在,极大地提高了组合截面的抗弯截面系数,抵抗均布载荷产生的弯矩时,产生的应力显著缩小,提高了罐底整体的经济性。图 3 罐底及基础结构 1.2 黄磷储罐 1.2.1 理化性质
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