液體二氧化硫儲罐設(shè)計探討

李良建，李冬梅，黃志遠(yuǎn)，熊麗芳

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

在濕法冶金行業(yè)通常采用二氧化硫作為還原劑，用于浸出礦漿液中的金屬元素。制備純二氧化硫氣體的方法有3種：吸收法、三氧化硫-硫黃法和純氧燃硫法[1]，二氧化硫液化主要途徑有直接加壓液化法、直接降溫液化法和加壓降溫組合液化法，其中加壓降溫組合液化法較為常用。

某企業(yè)冶煉煙氣制酸裝置副產(chǎn)液體二氧化硫項目采用吸收法制備純二氧化硫氣體，再采用加壓降溫組合液化法制備液體二氧化硫。

1 工藝流程

該冶煉煙氣制酸裝置副產(chǎn)液體二氧化硫項目以解吸塔解吸出的純二氧化硫氣體為原料，經(jīng)過螺桿式壓縮機加壓后，液體二氧化硫壓力為0.6～0.8 MPa、溫度約為130 ℃，再經(jīng)管殼式冷卻器冷卻降溫，溫度約為40 ℃，生成的液體二氧化硫在重力作用下自流至液體二氧化硫儲罐儲存。工藝流程見圖1。

圖1 液體二氧化硫工藝流程

液體二氧化硫儲罐工藝設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 液體二氧化硫儲罐工藝參數(shù)

2 設(shè)備類別劃分

設(shè)備類別劃分是壓力容器設(shè)計工作的第一步。通過查閱《硫酸工藝設(shè)計手冊 物化數(shù)據(jù)篇》中關(guān)于液體二氧化硫蒸氣壓力表得知：在50 ℃時，液體二氧化硫的飽和蒸氣壓為0.869 7 MPa。分析液體二氧化硫蒸氣壓力表中現(xiàn)有數(shù)據(jù)，采用線性法求得液體二氧化硫在55 ℃時的飽和蒸氣壓為0.92 MPa。通過查閱《硫酸工藝設(shè)計手冊 物化數(shù)據(jù)篇》中關(guān)于液體二氧化硫不同溫度下密度值表得知：液體二氧化硫在55 ℃的密度為1.279 7 g/cm3。

通過查閱HG/T 20660—2017《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類標(biāo)準(zhǔn)》對二氧化硫進(jìn)行介質(zhì)屬性分類：二氧化硫?qū)儆诟叨任：橘|(zhì)。按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)范》要求，二氧化硫為高度危害介質(zhì)，屬于第一組介質(zhì)，根據(jù)設(shè)計壓力0.92 MPa和容積272.42 m3，在壓力容器分類圖上標(biāo)出坐標(biāo)點，確定壓力容器類別為II類。

3 材質(zhì)選擇

儲罐材質(zhì)根據(jù)設(shè)計溫度、設(shè)計壓力和介質(zhì)特性，本著經(jīng)濟(jì)合理的原則，結(jié)合以往工程實踐經(jīng)驗和相關(guān)材料的性能進(jìn)行選擇。

主要受壓元件選用Q345R鋼板，逐張進(jìn)行超聲檢測且合格級別不低于II級，熱軋狀態(tài)供貨，做-20 ℃低溫沖擊試驗，沖擊吸收能量不小于41 J，其他要求應(yīng)滿足GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定。

管材選用10號鋼管，外徑小于70 mm且壁厚不小于6.5 mm，正火狀態(tài)供貨，做-20 ℃低溫沖擊試驗，沖擊吸收能量不小于31 J，其他要求應(yīng)滿足GB 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》的規(guī)定。

法蘭和補強管選用16 Mn鍛件，應(yīng)符合III級要求，正火狀態(tài)供貨，做-20 ℃低溫沖擊試驗，沖擊吸收能量不小于34 J，其他要求應(yīng)滿足NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的規(guī)定。

焊接材料選用應(yīng)符合NB/T 47018.1～47018.5—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》的要求：低合金之間母材焊條牌號（型號）為J507（E5015），埋弧焊焊絲（焊劑）為SJ101-H10Mn2（F5A2-H10Mn2），碳鋼之間母材焊條牌號（型號）為J427（E4315），低合金與碳鋼之間母材焊條牌號（型號）為J507（E5015）。

4 強度計算

在進(jìn)行強度計算之前應(yīng)選定超壓泄放裝置。根據(jù)GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》的規(guī)定，超壓泄放裝置選用彈簧全啟密封式安全閥，整定壓力為0.92 MPa。因滿足設(shè)計壓力大于或等于安全閥整定壓力的要求，故液體二氧化硫儲罐的設(shè)計壓力無需調(diào)整。安全閥選型可借助SW6-2011 V3.1計算程序，先計算出所需泄放面積為7 829 mm2，然后與預(yù)選取規(guī)格為DN250-PN25的安全閥的實際流通面積7 853.98 mm2進(jìn)行比對，所選安全閥實際流通面積大于所需泄放面積為合格，否則重選。7 853.98 mm2大于7 829 mm2，故所選規(guī)格為DN250-PN25的彈簧全啟密封式安全閥滿足要求。計算過程中液體二氧化硫的汽化潛熱數(shù)值通過《硫酸工藝設(shè)計手冊 物化數(shù)據(jù)篇》查得，特別需要注意安全閥背壓以實際為準(zhǔn)，不得盲目輸入“0”。

運用SW6-2011 V3.1計算程序?qū)ν搀w、橢圓封頭、開孔補強以及鞍座進(jìn)行強度計算。結(jié)合以往工程設(shè)計經(jīng)驗，繪制最終的設(shè)計圖樣，如圖2所示。需要注意：①液體二氧化硫頂部平臺可視為作用在筒體上的均布載荷；②在采用厚壁管進(jìn)行開孔補強時，要綜合考慮壁厚和厚壁管長度；③筒體及封頭的焊縫系數(shù)均取1；④鞍座優(yōu)先選取大包角重型標(biāo)準(zhǔn)鞍座，如有必要，可以對其進(jìn)行加強，例如腹板加厚，增加筋板數(shù)量等。

圖2 液體二氧化硫儲罐設(shè)計

5 相關(guān)要求

與焊接有關(guān)的要求有：筒體環(huán)焊縫和縱焊縫均應(yīng)采用全焊透的焊接接頭，通常選用Y型封底焊；其他焊縫按照HG/T 20583—2020《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求，對接接頭通常采用DU4、DU25形式，接管與筒體的焊接采用G4全焊透形式。

與焊后熱處理有關(guān)的要求有：受壓元件焊后進(jìn)行消除熱應(yīng)力處理，熱處理后不得在設(shè)備上施焊；制備的焊接試件應(yīng)與受壓元件共同進(jìn)行熱處理；焊后熱處理要及時，避免產(chǎn)生延遲裂紋。

與無損檢測有關(guān)要求：筒體和封頭等受壓元件的焊縫進(jìn)行100%射線檢測，合格等級為II級。封頭焊縫還需進(jìn)行100%磁粉檢測，合格等級為I級。

與試驗有關(guān)要求：水壓試驗時，試驗溫度不低于5 ℃，水壓試驗合格后應(yīng)立即通過液體二氧化硫底部排污管將水分排凈，并用干燥空氣吹干。氣密性試驗介質(zhì)應(yīng)為干燥潔凈空氣。試驗合格后應(yīng)保持儲罐內(nèi)干燥。具體試驗程序按照GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》規(guī)定進(jìn)行。

其他有關(guān)要求：項目所在地具有強雷電天氣，因此液體二氧化硫儲罐接地線應(yīng)可靠接地且接地電阻不得大于10 Ω，避免雷擊時產(chǎn)生的能量引起儲罐內(nèi)介質(zhì)汽化導(dǎo)致超壓。

6 現(xiàn)場制作和安裝

該項目所在地為非洲某國，施工條件惡劣，施工工藝受到各種約束條件限制。為了確保施工質(zhì)量和進(jìn)度，要求施工單位編制詳細(xì)的施工方案，并組織相關(guān)技術(shù)專家評審，從組織和管理方面對施工質(zhì)量進(jìn)行預(yù)控。施工前，對施工單位相關(guān)人員進(jìn)行了施工圖交底，特別強調(diào)質(zhì)量控制點的施工要求。

現(xiàn)場實際施工時，設(shè)計單位采納施工單位提出的合理建議，拒絕其提出的不妥當(dāng)?shù)氖┕すに?，共同確保儲罐的安裝制作任務(wù)的順利完成。例如：

1）設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計規(guī)范及以往工程經(jīng)驗，選擇整體焊后熱處理方法。施工單位結(jié)合現(xiàn)場施工條件及施工安全問題，建議采用機械振動方法代替整體熱處理。中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司組織相關(guān)技術(shù)專家進(jìn)行討論，按照規(guī)范的相關(guān)要求，綜合考慮液體二氧化硫儲罐材質(zhì)屬性、焊接工藝及介質(zhì)特性等因素，認(rèn)為施工單位的建議可行。

2）設(shè)計圖樣要求接管與筒體采用開坡口全焊透焊接方式，施工單位提出采用14 mm補強圈與接管全焊透，接管與筒體內(nèi)側(cè)焊腳高度為6 mm的角焊。此種做法沒有達(dá)到全焊透的目的，違反了TSG 21—2016相關(guān)要求，被設(shè)計人員否決。中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司要求施工單位嚴(yán)格執(zhí)行按圖施工的要求，并認(rèn)真貫穿制造技術(shù)條件的各項規(guī)定，最終保質(zhì)保量完成了液體二氧化硫儲罐的現(xiàn)場制作與安裝任務(wù)。

7 結(jié)語

二氧化硫?qū)儆诟叨任：橘|(zhì)，且液體二氧化硫具易揮發(fā)性，因此液體二氧化硫儲罐的設(shè)計格外重要。必須嚴(yán)格按照相關(guān)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，從材質(zhì)選擇、焊接制作、強度計算、無損檢測和壓力試驗等方面重點著手，繪制合格設(shè)計圖樣，并編制詳細(xì)的制造技術(shù)條件，才能確保設(shè)備安全。