湖山鈾礦項目大型硫酸罐修復(fù)及啟示

潘前友

(華龍國際核電技術(shù)有限公司， 北京 100038)

1 湖山鈾礦項目酸罐概述

湖山鈾礦項目設(shè)計有自備濃硫酸廠，酸廠設(shè)計產(chǎn)能為140 t/d，生產(chǎn)的濃硫酸通過管道輸送用于鈾礦工藝中的浸出。考慮到硫酸廠維修時間及水冶廠連續(xù)生產(chǎn)的用酸量，現(xiàn)場設(shè)置了3個硫酸罐，每個硫酸罐大約可以儲存12 000 t濃硫酸。

設(shè)計的酸罐拼裝示意圖如圖1所示。

圖1 酸罐拼裝示意圖

2 酸罐的設(shè)計參數(shù)

罐體的主要設(shè)計參數(shù)如下：

(1)罐內(nèi)徑27.5 m，最大儲酸高度11.6 m，罐體材料為碳鋼(南非材料S355J0)；

(2)單罐設(shè)計儲酸6 850 m3，約12 000 t；

(3)罐基礎(chǔ)為鋼筋混凝土圓環(huán)上覆近500 mm鋼筋混凝土板，混凝土板上表面設(shè)40條底寬60 mm放射狀的檢漏槽，混凝土板頂面及檢漏槽有1%的坡自中心向外傾斜，如圖2所示；酸罐基礎(chǔ)頂面及檢漏槽進行防酸處理后，在防酸層上鋪設(shè)10 mm的瀝青砂漿。

(4)在罐區(qū)的周邊設(shè)有高約3.0 m的混凝土墻體防止事故狀態(tài)下濃硫酸溢出罐區(qū)。

(5)每個罐設(shè)有人孔一個，另有出酸口一個(D200)位于罐底板；

(6)罐底板厚10 mm，沿環(huán)向由40塊異型鋼板拼裝組成，板之間的焊接方式為對接，如圖3、圖4所示；

圖2 酸罐承臺頂面檢漏槽布置

圖3 酸罐底板拼裝圖

圖4 酸罐底板的拼接現(xiàn)場

(7)側(cè)壁分為5段，每段高2 380 mm，側(cè)壁厚度從底到頂分別為20 mm，16 mm，12 mm，10 mm，10 mm；側(cè)壁之間水平/豎向焊縫為對接，如圖5、圖6所示。

圖5 筒壁模塊之間的豎向焊縫

圖6 筒壁模塊的水平焊縫

3 酸罐施工中存在的問題

酸罐基礎(chǔ)施工由中國某水電工程局承擔(dān)，在2015年2月該局陸續(xù)完成三個酸罐(編號TK31/32/33)土建基礎(chǔ)；驗收中發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)頂面最大誤差分別為：TK31—43 mm；TK32—51 mm和TK33—52 mm，不滿足設(shè)計要求。經(jīng)后續(xù)防酸承包商A&T用樹脂混合砂漿修復(fù)，修復(fù)后基礎(chǔ)表面誤差分別為：TK31—28 mm；TK32—22 mm；TK33—16 mm。隨后由防酸承包商在修復(fù)的基礎(chǔ)上對承臺頂面進行防酸處理。最后按照設(shè)計要求由該工程局在防酸層上面加鋪厚度35 mm瀝青砂漿層(原設(shè)計10 mm，為調(diào)整基礎(chǔ)表面誤差，設(shè)計方調(diào)整瀝青砂漿的厚度)。

酸罐安裝承包商為南非公司某著名工程公司GF的分包商D承擔(dān)，2015年11月3個罐體安裝完成，驗收中發(fā)現(xiàn)酸罐底板大量向上突起，最大突起接近100 mm，如圖7所示。

圖7 焊接完成的酸罐底板

4 設(shè)計方的處理建議

在施工過程中設(shè)計方多次派人來現(xiàn)場檢查施工的進展，并處理施工中出現(xiàn)的基礎(chǔ)誤差問題。在酸罐完成拼裝后，設(shè)計方發(fā)現(xiàn)酸罐底板出現(xiàn)大量突起，擔(dān)心酸罐在裝酸后無法滿足設(shè)計要求，特別是檢漏槽附近及局部突起部位在裝酸量變化時出現(xiàn)上下變形，從而引起疲勞破壞。為此設(shè)計方提出將已經(jīng)拼裝好的底板全部切除，重新用瀝青砂漿將基礎(chǔ)表面的檢漏槽填平(保持基礎(chǔ)中心向邊緣的坡度)，然后改變底板(鋼板)的拼接方式，加強底板和筒壁相接處的焊接等。業(yè)主方在考慮項目進度、造價等綜合因素后，最終決定將兩個酸罐(TK32/33)按照以下描述的方法處理，以滿足整個項目調(diào)試對于酸罐投用的進度要求，另一個酸罐TK31按照設(shè)計方建議的方式進行修復(fù)。

5 酸罐修復(fù)的方法

酸罐TK32/33的修復(fù)主要考慮到現(xiàn)場酸罐投用的進度要求，需要盡快提供儲酸設(shè)施以便水冶廠可以開始調(diào)試。參照現(xiàn)場玻璃鋼罐基礎(chǔ)處理的方法，我們在充分試驗的基礎(chǔ)上采用類似的方法處理硫酸罐基礎(chǔ)。進行的試驗如下：

(1)填充材料(Trinicoat PU)對于濃硫酸的適應(yīng)性：現(xiàn)場玻璃鋼罐基礎(chǔ)的處理采用填充Trinicoat的方式取得了比較好的效果。但玻璃鋼罐儲存的不是濃硫酸，同時玻璃鋼罐容量小，基礎(chǔ)上的荷載小。為此在現(xiàn)場對填充材料在濃硫酸作用下的性能進行了試驗。試驗表明，填充材料(Trinicoat PU)在濃硫酸作用下會被碳化，碳化后顏色變黑，承載能力降低。

(2)填充材料的流動性試驗：為保證灌漿的切實可行，使罐底部空間能灌實而不留空腔，需要對填充材料在現(xiàn)場溫度下的流動性進行試驗。經(jīng)試驗，可以大體確定灌漿孔間距為2.0米；

(3)灌漿時周邊圍堰材料的力學(xué)性能試驗：為保證填充材料充滿酸罐底面以下的空間，需要在酸罐周邊加做圍堰，防止填充材料外溢。為避免罐底板應(yīng)力集中，圍堰材料在硬化后彈性模量不宜超過填充材料Trinicoat PU太多。

6 酸罐修復(fù)施工

(1)在明確修復(fù)方法后，在試驗的基礎(chǔ)上確定酸罐底板開孔位置，考慮填充材料的流動性，盡量控制孔間距在2.0米以內(nèi)，并采取酸罐中央密、周邊疏的方式，整個底板布置100個孔徑40 mm灌漿孔，如圖8所示。

圖8 注漿孔的布置

(2)為便于灌漿，在每個開孔上安裝直徑50 mm高500 mm注漿管，然后利用漏斗形容器將填充漿體灌入注漿管，如圖9、圖10所示。灌漿作業(yè)比較關(guān)鍵，需要在注漿時觀察漿體的流動，兩種灌漿材料混合后盡量在15分鐘以內(nèi)將漿體灌注完畢，否則會影響漿體的擴散。另外，注意灌漿時氣體的排出，利用周圍的開孔使氣體盡可能完全地逸出，否則會出現(xiàn)罐底的空鼓區(qū)。

圖9 安裝好的注漿管

圖10 注漿作業(yè)

再者，由于我們采用的灌漿材料的流動性隨著溫度升高而鈍化，該材料在凝固過程中會放出熱量。經(jīng)反復(fù)試驗證明溫度低于25 ℃是比較適宜的操作溫度。

(3)灌漿完畢待漿體完全固化后移除注漿管、清理灌漿孔，在灌漿孔內(nèi)塞入直徑38 mm厚10 mm的圓板，如圖11所示，并在圓板周邊和底板之間塞焊。然后在灌漿孔上面加焊一個直徑100 mm厚10 mm碳鋼板，圓板和酸罐底板的焊接采用10 mm高的角焊縫，如圖12所示。

圖11 圓板和底板間的焊接

圖12 注漿完畢后注漿孔的蓋板

7 注漿效果的檢驗

在注漿孔封閉完成后，可以用敲擊法檢測是否還存在空腔。如有，則補充鉆孔，注漿；對于修復(fù)后酸罐力學(xué)性能的檢驗，可以通過水壓試驗進行最終檢驗，應(yīng)力測試結(jié)果示例如圖13所示(測點5～8均為筒壁底部)。

圖13 水壓試驗結(jié)果示例(儲水高度12米)

8 酸罐修復(fù)的啟示

從湖山鈾礦項目硫酸儲罐的修復(fù)得到的幾點體會如下：

(1)湖山項目采用EPCM合同模式，由世界知名的工程公司承擔(dān)項目的設(shè)計采購及施工管理，酸罐的設(shè)計則由EPCM承包商分包給南非的一家設(shè)計公司。由于在酸罐設(shè)計過程中EPCM承包方?jīng)]有對酸罐設(shè)計方給予必要的指導(dǎo)和管理，設(shè)計方案存在不少缺陷，包括基礎(chǔ)的形式、基礎(chǔ)表面的檢漏槽設(shè)置、基礎(chǔ)表面/檢漏槽的坡度、出酸口的布置等，這些都是分包方在和業(yè)主運行人員溝通時針對運行人員提出的要求創(chuàng)新性地提出的方案，確定的基礎(chǔ)設(shè)計方案在業(yè)界沒有先例、形成的基礎(chǔ)方案無法達到業(yè)主方設(shè)想的檢漏槽功能，相反削弱了基礎(chǔ)對于底板的支撐，容易導(dǎo)致局部應(yīng)力集；另外設(shè)計方在罐體本身的設(shè)計中沒有遵循規(guī)范的要求，在底板和側(cè)壁的相接處焊縫的設(shè)計、底板的厚度、底板的拼接、甚至出酸口的位置等設(shè)計上沒有遵循規(guī)范的要求，導(dǎo)致焊接施工后底板殘余變形大、起鼓嚴重。

(2)對于新穎的設(shè)計施工方案，需要反復(fù)論證，確保其實施的可靠性。湖山項目酸罐的設(shè)計方在設(shè)計過程中和后來確定的施工承包商進行了溝通，確定的酸罐焊接方案中由于底板分塊、焊接順序等與業(yè)內(nèi)通行的方式不同，導(dǎo)致了酸罐焊接完成后殘余應(yīng)力大，底板起鼓嚴重，這一點可以在工程實施中出酸口變更時出現(xiàn)側(cè)壁翹曲得到印證。因此，當(dāng)國外項目的設(shè)計施工方案和國內(nèi)常規(guī)做法不同時，需要對當(dāng)?shù)毓镜脑O(shè)計施工方案進行詳細的審查，盡量參照國內(nèi)成熟的方案，這樣可以規(guī)避項目實施的風(fēng)險。

(3)設(shè)計施工方案審查中注重細節(jié)，防止局部設(shè)計的疏忽影響整個項目。湖山鈾礦酸罐設(shè)計方在出酸口設(shè)計上只考慮運行時酸罐泥漿等的排放、沒有考慮出酸管的檢修等要求，特別是在出酸管周邊底板缺乏承臺支撐，原設(shè)計計算中沒有細致考慮該區(qū)域在加酸時的應(yīng)力狀態(tài)，在核算后該區(qū)域可能出現(xiàn)應(yīng)力超限的狀態(tài)。因此，對于外方的設(shè)計，預(yù)留出設(shè)計審查的時間，關(guān)注細節(jié)，關(guān)注設(shè)計方容易疏忽的地方，這有利于減輕項目實施的風(fēng)險。