硫酸儲罐耐酸瓷磚襯里開裂原因分析

硫酸廠 2 臺儲罐耐酸磚襯里改造完成后相繼投入使用，其中規格為φ8 000 mm×14 000 mm 的儲罐內襯耐酸磚后使用至今狀態完好，但規格為φ14 500 mm×14 000 mm 儲罐在內襯耐酸磚投用后的第二個月就發現所儲存的精制硫酸金屬離子含量超標。技術人員打開人孔檢查發現內砌體存在開裂現象，具體如下 ： 1）儲罐內砌體磚縫有多處黑色液態物質從磚縫向罐內滲漏，分布在整個筒體的內襯表面，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。經檢查，這些黑色液態物質滲出的地方磚體完好，但磚縫有微細的裂紋，裂縫達 1 mm。經分析判斷，該黑色液態物質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。儲罐內砌體裂縫分布見圖1~2。

2) 槽體下部人孔的瓷套管有兩處環向裂縫，寬度達 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，裂紋寬度達 1 mm。具體見圖 4。

4) 儲罐內底板有磚縫掉落的部分砌筑膠泥。該膠泥可徒手捏碎。

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

3 　原因分析

針對規格為φ14 500 mm×14 000 mm 的大型硫酸儲罐耐酸瓷磚襯里的開裂問題，硫酸企業組織了行業內工藝、設備、土建、防腐、測量等不同的技術，分別從儲罐礎、殼體結構、材料、施工過程和質量控制、外力影響、環境溫度差、鋼殼體與磚襯里熱膨脹不均勻等各方面進行排查和綜合分析。

3.1　基礎沉降

硫酸企業委托第三方設計院和建設監理公司對儲罐土建基礎圖紙和相關驗收資料進行了復核，設計和驗收符合規范。

經當地質監部門實地檢查測量，未發現設備基礎沉降現象，設備殼體直線和垂直度在標準和設計范圍內。

殼體制造原因

自企業投產后， 該鋼儲罐作為 w（H2SO4）98% 工業硫酸儲罐投用，已使用 3 年多時間。經復查當時的竣工驗收資料，相關公差數據在設計標準范圍內，也未發現施工違規記錄。砌筑設計前企業聘請了當地特檢院檢測，儲罐鋼板厚度未發現明顯腐蝕變，檢測合格。該儲罐旁的另 1 臺同樣規格但沒有內襯的硫酸儲罐，由同一工程公司制造安裝，使用至當時未出現任何問題，因此基本排除殼體制造的問題。

3.4　砌筑設計

儲罐的砌筑防腐由國內大型設計院設計。經復核，設計藍圖有非常詳細的砌筑結構設計圖和技術說明，設計耐酸磚按 GB/T 8488—2008《耐酸磚》執行制造、試驗和驗收，砌筑按 HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設備》施工和驗收，相關節點、人孔和各管口套管等也未發現設計上的缺陷。該儲罐旁邊的另一臺規格為φ8 000 mm×14 000 mm 的硫酸儲罐，內襯耐酸瓷磚圖紙由同一設計院設計。除設備直徑較小外，設計內襯結構和材料與出現問題的硫酸儲罐一致。該硫酸儲罐未出現問題，基本可排除砌筑設計上的問題。

3.5　砌筑材料

按設計，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]。經復查，所用材料均由國內成熟材料制造廠家供貨，產品出廠檢驗合格、資料齊全，且進場后經企業抽檢合格。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《工業硅酸鉀》要求，KPI 膠泥粉料的含量和顆粒度

等相關數據符合 CECS116:2000《鉀水玻璃防腐蝕工程技術規程》和 GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗收規范》要求，氟硅酸鈉符合 GB/T 23936—2009《工業氟硅酸鈉》標準要求。

儲罐開裂事故發生后，硫酸生產企業把上述材料的留樣外發至符合資質的相關檢驗檢測，企業也對留樣按 GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗收規范》和 HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設備》作了膠泥試塊和砌筑試驗 [2]。經檢測其耐腐蝕性能（浸酸安定性）、抗拉強度、承壓強度、與耐酸磚的黏接溫度等指標均符合且優于上述設計規范規定的數據。

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。其在硫酸行業塔、槽的砌筑經驗豐富，在國內有多套大型硫酸吸收塔砌筑防腐的成功案例。該儲罐開裂事故發生后，企業組織由多家設計院和工程公司技術組成的技術組對施工方案、施工日志、驗收資料進行了復核，并對施工和工程管理人員作了詢問了解。據技術組分析，施工方案中執行 HG/T 20676—1990《磚板襯里化工設備》、HGJ 229—1991《工業設備、管道防腐蝕工程施工及驗收規范》、GB 50212—2002《建筑防腐蝕工程施工及驗收規范》，符合該工程要求，竣工驗收資料也未發現問題，但從施工日志記錄并向企業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驗進行配比，沒有嚴格稱量 ；也有部分批次的KPI 膠泥調配好后，砌筑使用過程中超出規定的間隔時間。這些失誤雖然在監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，技術人員分析認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，存儲介質溫度在20~45 ℃，儲罐所處位置空曠且自然通風良好，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據中也能證明。儲罐投用前狀態完好，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襯開裂的可能性不大。

3.8　外力影響

儲罐出現問題后，經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象。儲罐筒體內部四周橫向及縱向均產生較多裂縫，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（即工字鋼鋪設方向）有磚縫裂紋數條，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變形。儲罐筒體為鋼板，有彈性，但內襯瓷磚層的剛度大而彈性極小。從計算數據上分析，儲罐鋼殼的強度和剛度雖滿足設計規范，但裝滿硫酸后筒體整體受力向外膨脹 ；在硫酸介質巨大的壓力下，耐酸瓷磚與 KPI 膠泥的黏接強度并不足以承受，壓力會轉

移到鋼殼上。相對于瓷磚襯體的剛度不足，金屬筒體膨脹產生彈性變形，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，因此導致瓷磚襯層在徑向方向開裂。當儲罐內的硫酸排空后，鋼殼筒體基本復位，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的壓力膨脹產生向外彈性變形，底板四周與筒體焊接固定，固定點形成支點產生杠桿效應，使儲罐底板和工字鋼承受上翹力。其上翹力在儲罐沒有內襯時，因儲罐的彈性變形是相對均勻的，這種杠桿效應產生的上翹力不大，遠少于硫酸介質對底板的壓力，因此此時底板與工字鋼和土建基礎緊貼，甚至可能

使儲罐底板向外微凸 ；當儲罐內襯耐酸瓷磚后，儲罐筒體的整體剛度相對變強，產生的反向應力形成強大的杠桿效應，導致底板和工字鋼變形，中心向上翹起，金屬底板變形導致底板內襯瓷磚層產生裂紋。

3.9　分析結論

經過綜合分析，儲罐筒體內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，硫酸介質巨大的壓力轉移到鋼殼上。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 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格按相關規范控制，導致局部磚縫的黏接力不足。

因此，儲罐筒體的裂縫就產生于整個防腐砌體的最弱處，即存在施工缺陷的磚縫位置。儲罐環向裂縫主要產生在襯磚施工換位高度的位置。這是由于筒體瓷磚砌體產生縱向裂紋后，局部磚體發生位移，并由上述施工過程引起的質量缺陷影響導致的。

儲罐底板的裂紋主要是由于筒體向外膨脹產生整體杠桿效應，使儲罐底板和工字鋼受力上翹，導致底板施工質量缺陷位置的內襯瓷磚層產生裂紋，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弱方位。

儲罐人孔套管被槽體產生彈性變形后的應力所拉裂。

儲罐底板與筒體的連接是“T”形結構，輔以工字鋼焊接連接，其結構剛度較高。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變大，相對彈性余量降低；當儲罐內的硫酸排空后，底板和工字鋼存在一定量的塑性變形，無法完全復位，儲罐工字鋼與混凝土條形基礎梁之間形成脫離。

4　修補措施與建議

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

技術人員對儲罐內部進行的清洗后風干。針對已發現的磚縫裂縫，使用厚度 2 mm 金剛切割片切割至 40~50 mm 深，用 KPI 膠泥稀料浸漬石棉繩堵實至 25~30 mm 深，最外層用 KPI 膠泥封堵。

技術人員用鋼板填實底部發生撓曲的工字鋼與混凝土條形梁之間的間隙，焊接固定。按上述措施修補后，該儲罐投入使用，至今未發現所儲存的精制硫酸的金屬離子含量超標至不合格的現象。

從該儲罐修補后的使用結果，對比位于同一儲罐區規格較小的 φ8 000 mm×14 000 mm 耐酸瓷磚襯里儲罐及相同規格的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。關于內襯耐酸磚設備筒體所要求的相對剛度數據，目前在國內和行業標準規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計和工程技術人員的經驗估算，建議內襯防腐設備行業同仁可以該案例為參考，制定相關標準規范。另外，對于設備內襯耐酸磚防腐的施工質量控制，例如膠泥配比、環境要求、固化時間、砌筑程序等，應按標準規范嚴格執行。