湖山铀矿项目大型硫酸罐修复及启示

潘前友

(华龙国际核电技术有限公司， 北京 100038)

1 湖山铀矿项目酸罐概述

湖山铀矿项目设计有自备浓硫酸厂，酸厂设计产能为140 t/d，生产的浓硫酸通过管道输送用于铀矿工艺中的浸出。考虑到硫酸厂维修时间及水冶厂连续生产的用酸量，现场设置了3个硫酸罐，每个硫酸罐大约可以储存12 000 t浓硫酸。

设计的酸罐拼装示意图如图1所示。

图1 酸罐拼装示意图

2 酸罐的设计参数

罐体的主要设计参数如下：

(1)罐内径27.5 m，最大储酸高度11.6 m，罐体材料为碳钢(南非材料S355J0)；

(2)单罐设计储酸6 850 m3，约12 000 t；

(3)罐基础为钢筋混凝土圆环上覆近500 mm钢筋混凝土板，混凝土板上表面设40条底宽60 mm放射状的检漏槽，混凝土板顶面及检漏槽有1%的坡自中心向外倾斜，如图2所示；酸罐基础顶面及检漏槽进行防酸处理后，在防酸层上铺设10 mm的沥青砂浆。

(4)在罐区的周边设有高约3.0 m的混凝土墙体防止事故状态下浓硫酸溢出罐区。

(5)每个罐设有人孔一个，另有出酸口一个(D200)位于罐底板；

(6)罐底板厚10 mm，沿环向由40块异型钢板拼装组成，板之间的焊接方式为对接，如图3、图4所示；

图2 酸罐承台顶面检漏槽布置

图3 酸罐底板拼装图

图4 酸罐底板的拼接现场

(7)侧壁分为5段，每段高2 380 mm，侧壁厚度从底到顶分别为20 mm，16 mm，12 mm，10 mm，10 mm；侧壁之间水平/竖向焊缝为对接，如图5、图6所示。

图5 筒壁模块之间的竖向焊缝

图6 筒壁模块的水平焊缝

3 酸罐施工中存在的问题

酸罐基础施工由中国某水电工程局承担，在2015年2月该局陆续完成三个酸罐(编号TK31/32/33)土建基础；验收中发现基础顶面最大误差分别为：TK31—43 mm；TK32—51 mm和TK33—52 mm，不满足设计要求。经后续防酸承包商A&T用树脂混合砂浆修复，修复后基础表面误差分别为：TK31—28 mm；TK32—22 mm；TK33—16 mm。随后由防酸承包商在修复的基础上对承台顶面进行防酸处理。最后按照设计要求由该工程局在防酸层上面加铺厚度35 mm沥青砂浆层(原设计10 mm，为调整基础表面误差，设计方调整沥青砂浆的厚度)。

酸罐安装承包商为南非公司某著名工程公司GF的分包商D承担，2015年11月3个罐体安装完成，验收中发现酸罐底板大量向上突起，最大突起接近100 mm，如图7所示。

图7 焊接完成的酸罐底板

4 设计方的处理建议

在施工过程中设计方多次派人来现场检查施工的进展，并处理施工中出现的基础误差问题。在酸罐完成拼装后，设计方发现酸罐底板出现大量突起，担心酸罐在装酸后无法满足设计要求，特别是检漏槽附近及局部突起部位在装酸量变化时出现上下变形，从而引起疲劳破坏。为此设计方提出将已经拼装好的底板全部切除，重新用沥青砂浆将基础表面的检漏槽填平(保持基础中心向边缘的坡度)，然后改变底板(钢板)的拼接方式，加强底板和筒壁相接处的焊接等。业主方在考虑项目进度、造价等综合因素后，最终决定将两个酸罐(TK32/33)按照以下描述的方法处理，以满足整个项目调试对于酸罐投用的进度要求，另一个酸罐TK31按照设计方建议的方式进行修复。

5 酸罐修复的方法

酸罐TK32/33的修复主要考虑到现场酸罐投用的进度要求，需要尽快提供储酸设施以便水冶厂可以开始调试。参照现场玻璃钢罐基础处理的方法，我们在充分试验的基础上采用类似的方法处理硫酸罐基础。进行的试验如下：

(1)填充材料(Trinicoat PU)对于浓硫酸的适应性：现场玻璃钢罐基础的处理采用填充Trinicoat的方式取得了比较好的效果。但玻璃钢罐储存的不是浓硫酸，同时玻璃钢罐容量小，基础上的荷载小。为此在现场对填充材料在浓硫酸作用下的性能进行了试验。试验表明，填充材料(Trinicoat PU)在浓硫酸作用下会被碳化，碳化后颜色变黑，承载能力降低。

(2)填充材料的流动性试验：为保证灌浆的切实可行，使罐底部空间能灌实而不留空腔，需要对填充材料在现场温度下的流动性进行试验。经试验，可以大体确定灌浆孔间距为2.0米；

(3)灌浆时周边围堰材料的力学性能试验：为保证填充材料充满酸罐底面以下的空间，需要在酸罐周边加做围堰，防止填充材料外溢。为避免罐底板应力集中，围堰材料在硬化后弹性模量不宜超过填充材料Trinicoat PU太多。

6 酸罐修复施工

(1)在明确修复方法后，在试验的基础上确定酸罐底板开孔位置，考虑填充材料的流动性，尽量控制孔间距在2.0米以内，并采取酸罐中央密、周边疏的方式，整个底板布置100个孔径40 mm灌浆孔，如图8所示。

图8 注浆孔的布置

(2)为便于灌浆，在每个开孔上安装直径50 mm高500 mm注浆管，然后利用漏斗形容器将填充浆体灌入注浆管，如图9、图10所示。灌浆作业比较关键，需要在注浆时观察浆体的流动，两种灌浆材料混合后尽量在15分钟以内将浆体灌注完毕，否则会影响浆体的扩散。另外，注意灌浆时气体的排出，利用周围的开孔使气体尽可能完全地逸出，否则会出现罐底的空鼓区。

图9 安装好的注浆管

图10 注浆作业

再者，由于我们采用的灌浆材料的流动性随着温度升高而钝化，该材料在凝固过程中会放出热量。经反复试验证明温度低于25 ℃是比较适宜的操作温度。

(3)灌浆完毕待浆体完全固化后移除注浆管、清理灌浆孔，在灌浆孔内塞入直径38 mm厚10 mm的圆板，如图11所示，并在圆板周边和底板之间塞焊。然后在灌浆孔上面加焊一个直径100 mm厚10 mm碳钢板，圆板和酸罐底板的焊接采用10 mm高的角焊缝，如图12所示。

图11 圆板和底板间的焊接

图12 注浆完毕后注浆孔的盖板

7 注浆效果的检验

在注浆孔封闭完成后，可以用敲击法检测是否还存在空腔。如有，则补充钻孔，注浆；对于修复后酸罐力学性能的检验，可以通过水压试验进行最终检验，应力测试结果示例如图13所示(测点5～8均为筒壁底部)。

图13 水压试验结果示例(储水高度12米)

8 酸罐修复的启示

从湖山铀矿项目硫酸储罐的修复得到的几点体会如下：

(1)湖山项目采用EPCM合同模式，由世界知名的工程公司承担项目的设计采购及施工管理，酸罐的设计则由EPCM承包商分包给南非的一家设计公司。由于在酸罐设计过程中EPCM承包方没有对酸罐设计方给予必要的指导和管理，设计方案存在不少缺陷，包括基础的形式、基础表面的检漏槽设置、基础表面/检漏槽的坡度、出酸口的布置等，这些都是分包方在和业主运行人员沟通时针对运行人员提出的要求创新性地提出的方案，确定的基础设计方案在业界没有先例、形成的基础方案无法达到业主方设想的检漏槽功能，相反削弱了基础对于底板的支撑，容易导致局部应力集；另外设计方在罐体本身的设计中没有遵循规范的要求，在底板和侧壁的相接处焊缝的设计、底板的厚度、底板的拼接、甚至出酸口的位置等设计上没有遵循规范的要求，导致焊接施工后底板残余变形大、起鼓严重。

(2)对于新颖的设计施工方案，需要反复论证，确保其实施的可靠性。湖山项目酸罐的设计方在设计过程中和后来确定的施工承包商进行了沟通，确定的酸罐焊接方案中由于底板分块、焊接顺序等与业内通行的方式不同，导致了酸罐焊接完成后残余应力大，底板起鼓严重，这一点可以在工程实施中出酸口变更时出现侧壁翘曲得到印证。因此，当国外项目的设计施工方案和国内常规做法不同时，需要对当地公司的设计施工方案进行详细的审查，尽量参照国内成熟的方案，这样可以规避项目实施的风险。

(3)设计施工方案审查中注重细节，防止局部设计的疏忽影响整个项目。湖山铀矿酸罐设计方在出酸口设计上只考虑运行时酸罐泥浆等的排放、没有考虑出酸管的检修等要求，特别是在出酸管周边底板缺乏承台支撑，原设计计算中没有细致考虑该区域在加酸时的应力状态，在核算后该区域可能出现应力超限的状态。因此，对于外方的设计，预留出设计审查的时间，关注细节，关注设计方容易疏忽的地方，这有利于减轻项目实施的风险。