液體二氧化硫儲罐設計探討

李良建，李冬梅，黃志遠，熊麗芳

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031）

在濕法冶金行業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。

某企業冶煉煙氣制酸裝置副產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計參數見表1。

表1 液體二氧化硫儲罐工藝參數

2 設備類別劃分

設備類別劃分是壓力容器設計工作的第一步。通過查閱《硫酸工藝設計手冊 物化數據篇》中關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有數據，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《硫酸工藝設計手冊 物化數據篇》中關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《壓力容器中化學介質毒性危害和爆炸危險程度分類標準》對二氧化硫進行介質屬性分類：二氧化硫屬于高度危害介質。按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規范》要求，二氧化硫為高度危害介質，屬于第一組介質，根據設計壓力0.92 MPa和容積272.42 m3，在壓力容器分類圖上標出坐標點，確定壓力容器類別為II類。

3 材質選擇

儲罐材質根據設計溫度、設計壓力和介質特性，本著經濟合理的原則，結合以往工程實踐經驗和相關材料的性能進行選擇。

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

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，其他要求應滿足GB 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》的規定。

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

焊接材料選用應符合NB/T 47018.1～47018.5—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》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

在進行強度計算之前應選定超壓泄放裝置。根據GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》的規定，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計壓力無需調整。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，然后與預選取規格為DN250-PN25的安全閥的實際流通面積7 853.98 mm2進行比對，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值通過《硫酸工藝設計手冊 物化數據篇》查得，特別需要注意安全閥背壓以實際為準，不得盲目輸入“0”。

運用SW6-2011 V3.1計算程序對筒體、橢圓封頭、開孔補強以及鞍座進行強度計算。結合以往工程設計經驗，繪制最終的設計圖樣，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均取1；④鞍座優先選取大包角重型標準鞍座，如有必要，可以對其進行加強，例如腹板加厚，增加筋板數量等。

圖2 液體二氧化硫儲罐設計

5 相關要求

與焊接有關的要求有：筒體環焊縫和縱焊縫均應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《鋼制化工容器結構設計規范》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。

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

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

與試驗有關要求：水壓試驗時，試驗溫度不低于5 ℃，水壓試驗合格后應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。氣密性試驗介質應為干燥潔凈空氣。試驗合格后應保持儲罐內干燥。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》規定進行。

其他有關要求：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可靠接地且接地電阻不得大于10 Ω，避免雷擊時產生的能量引起儲罐內介質汽化導致超壓。

6 現場制作和安裝

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。為了確保施工質量和進度，要求施工單位編制詳細的施工方案，并組織相關技術專家評審，從組織和管理方面對施工質量進行預控。施工前，對施工單位相關人員進行了施工圖交底，特別強調質量控制點的施工要求。

現場實際施工時，設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的施工工藝，共同確保儲罐的安裝制作任務的順利完成。例如：

1）設計人員根據設計規范及以往工程經驗，選擇整體焊后熱處理方法。施工單位結合現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。中國瑞林工程技術股份有限公司組織相關技術專家進行討論，按照規范的相關要求，綜合考慮液體二氧化硫儲罐材質屬性、焊接工藝及介質特性等因素，認為施工單位的建議可行。

2）設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，接管與筒體內側焊腳高度為6 mm的角焊。此種做法沒有達到全焊透的目的，違反了TSG 21—2016相關要求，被設計人員否決。中國瑞林工程技術股份有限公司要求施工單位嚴格執行按圖施工的要求，并認真貫穿制造技術條件的各項規定，最終保質保量完成了液體二氧化硫儲罐的現場制作與安裝任務。

7 結語

二氧化硫屬于高度危害介質，且液體二氧化硫具易揮發性，因此液體二氧化硫儲罐的設計格外重要。必須嚴格按照相關設計規范進行設計，從材質選擇、焊接制作、強度計算、無損檢測和壓力試驗等方面重點著手，繪制合格設計圖樣，并編制詳細的制造技術條件，才能確保設備安全。