10 000 m3常壓醋酸儲罐罐頂失穩(wěn)分析及修復

姚佐權(quán) 張新建 陳美全

（1.合肥通用機械研究院 合肥 2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心 合肥）

一、引言

大型常壓（微正壓）儲罐作為油品和各種液體化學品的儲存設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于煉油、化工裝置和儲運系統(tǒng)。這類儲罐具有占地面積小、投資少、易于操作管理等優(yōu)點，但同時因儲罐的壁厚較薄，承受外壓的能力較低，在操作時，一旦安全保護系統(tǒng)故障或操作不當，往往會引起儲罐外壓失穩(wěn)。

一臺10 000 m3醋酸常壓儲罐（位號YG204）在執(zhí)行付料裝船作業(yè)時，罐頂部分發(fā)生失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象，最大凹陷深度約1500 mm，凹陷面積約為整個罐頂?shù)?/2，失穩(wěn)情況見圖1。

二、設(shè)備概況

醋酸儲罐區(qū)共有3臺10 000 m3醋酸儲罐，交付使用前進行水壓試驗時儲罐曾受損變形，罐壁頂部和罐頂有不同程度鼓癟，設(shè)計院進行了追加設(shè)計，在鼓癟處外部增加了加強箍，施工單位現(xiàn)場進行了修復，修復后經(jīng)檢驗合格并投入使用。YG204醋酸儲罐為一典型立式圓筒形鋼制焊接儲罐，主要包括罐底板、筒體、拱頂、接管、盤梯等部件。YG204醋酸儲罐的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 YG204醋酸儲罐罐頂失穩(wěn)現(xiàn)場照片

表1 YG204醋酸儲罐的主要設(shè)計參數(shù)

三、強度校核

根據(jù)提供的施工圖，對YG204儲罐進行全面校核分析，主要包括自支撐拱頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、罐頂與罐壁連接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、罐壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性校核等內(nèi)容。計算結(jié)果，罐頂可承受最大內(nèi)壓16.6 kPa，罐內(nèi)允許最大內(nèi)壓4.05 kPa，罐頂可承受最大外壓4 kPa，罐內(nèi)允許最大真空度3.34 kPa，罐頂與罐壁的連接處允許最大內(nèi)壓4.71 kPa，罐壁允許外壓5.2 kPa。分析后可以得出，儲罐的設(shè)計符合相關(guān)標準要求，儲罐拱頂最大能承受約3.34 kPa的負壓，罐壁最大能承受約5.2 kPa的負壓，儲罐發(fā)生負壓失穩(wěn)時，拱頂最先失穩(wěn)。

四、失穩(wěn)原因分析

為了確保儲罐的安全運行，該儲罐配有氮封系統(tǒng)、呼吸閥系統(tǒng)以及緊急泄放系統(tǒng)等安全保護系統(tǒng)。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件可知，自2010年投料之日起，即發(fā)現(xiàn)罐區(qū)3臺儲罐的氮封閥補氣和呼吸閥吸、排氣流通量不能滿足設(shè)計要求。不僅小流量收、付料作業(yè)時，儲罐氮封閥和呼吸閥滿足不了罐壓平衡，連春秋兩季晝夜溫差引起的罐壓變化，儲罐氮封閥和呼吸閥都不能滿足罐內(nèi)壓力平衡。

根據(jù)失穩(wěn)當天該罐付料時的液位壓力趨勢圖（圖3）可知，200 min時間內(nèi)儲罐液位下降了1.345 m，相應(yīng)罐內(nèi)氣體體積增大了888.4 m3。假定罐內(nèi)氣體為理想氣體且呼吸閥未開啟，則壓力下降約12.96 kPa，相當于罐內(nèi)形成了12.96 kPa的負壓（不考慮初始正壓），遠大于拱頂所能承受的3.34 kPa的負壓。由于氮封閥無法向罐內(nèi)及時補充氣體，且呼吸閥沒有打開（或補氣量不夠），因此造成罐頂負壓失穩(wěn)坍塌。由此可知，氮封閥失效是造成儲罐負壓的直接原因，呼吸閥失效（或補氣量不夠）是造成儲罐拱頂坍塌失穩(wěn)的直接原因。

五、修復方案

1.常用的修復方法

（1）局部更換法。對于失穩(wěn)嚴重的罐頂，可采用局部更換法，即將罐頂變形部位的鋼板進行切除，重新預制、安裝復原。

（2）吊拉法。對于失穩(wěn)面積較小也不太嚴重的罐頂，可采用吊拉法修復。修復時清除罐頂影響修復的一切附件，設(shè)置支架，用手動葫蘆吊拉罐頂塌陷部位，從而達到失穩(wěn)修復。

（3）內(nèi)壓法。在儲罐密閉的情況下，用充氣或注水方法增大罐內(nèi)氣體壓力，使儲罐變形部位復原。內(nèi)壓法的壓力源一般采用注水加壓或充氣加壓。注水加壓法是經(jīng)儲罐的接管向封閉的儲罐內(nèi)注水，隨著罐內(nèi)液位的升高，氣相空間減小，罐內(nèi)壓力升高，達到一定的壓力時，失穩(wěn)的罐頂會復原。對于微正壓拱頂儲罐拱頂?shù)男迯停部刹捎霉迌?nèi)注滿水將罐內(nèi)氣體全部排出，再將儲罐封閉，采用水壓修復變形。采用滿罐水壓修復應(yīng)注意兩個問題，一是儲罐的基礎(chǔ)承載能力是否滿足；二是罐壁的強度能否滿足液柱靜壓力和罐頂修復所需的內(nèi)壓之和。充氣加壓法是向密閉的儲罐內(nèi)充入壓縮空氣或氮氣，增大罐內(nèi)的壓力以達到變形修復。無論采用哪種加壓方式，在儲罐升壓前，均應(yīng)對儲罐進行強度校核，尤其應(yīng)對內(nèi)壓對罐底產(chǎn)生的舉升力進行驗算。

2.修復方案

比較更換法、吊拉法和加壓法幾種修復方案并結(jié)合YG204的失穩(wěn)情況，如采用更換法修復罐頂，則基本上應(yīng)對整個罐頂進行切除更換，不僅施工難度大、周期長、浪費嚴重，對于在用的大型儲罐罐區(qū)，往往還受到施工場地的限制。如單獨采用吊拉法修復，由于罐頂大范圍嚴重塌陷，支架傳遞給拱頂上部的壓力太大，可能導致整個罐頂塌陷，同時也給施工人員帶來一定的危險。因此，針對于YG204的修復，首先采用內(nèi)壓法和吊拉法聯(lián)合進行修復，如還不能修復，再考慮采用局部切除法換頂。

3.內(nèi)壓法修復的理論計算

采用內(nèi)壓法修復失穩(wěn)罐頂，應(yīng)對儲罐的各部分所允許的最大內(nèi)壓進行校核。

（1）修復壓力的確定。根據(jù)表2可知，儲罐底部不被抬起的最大內(nèi)壓約為4.05 kPa，拱頂與罐壁連接處屈曲失穩(wěn)時的最大內(nèi)壓為4.71 kPa，根據(jù)該公司提供相關(guān)技術(shù)文件可知，儲罐建造時曾在內(nèi)壓3 kPa左右時發(fā)生過超壓變形，因此，修復罐頂時，罐內(nèi)最大內(nèi)壓應(yīng)＜3 kPa。

（2）加水量的計算。為安全起見，不宜采用充氣加壓法修復罐頂，而是采用注水加壓法。用注入少量的水達到修復所需要的壓力，罐內(nèi)積聚的能量不至于太大，一旦發(fā)生意外也不會造成太大的危險。

通過計算，在全部充滿水的狀態(tài)下，第10層罐壁板壁厚（8 mm）不能滿足液柱靜壓力和修復壓力的強度要求，小于計算所需的厚度（計算厚度為9.52 mm）。因此，無法通過全部充滿水來修復罐頂，因此采用罐內(nèi)預先注入一定水量，抵消一部分舉升力，使升壓過程更加安全。預先注入水量的多少，會影響修復效果，如預注水量太多，則罐內(nèi)氣相空間過小，壓力不易達到臨界值，加壓修復很難達到預期效果。預注水量過少，則罐內(nèi)氣相空間過大，在升壓過程中積蓄較大能量，一旦發(fā)生意外，可能產(chǎn)生嚴重的后果。因此，罐內(nèi)預注水位應(yīng)保持在合理的位置，一般預注水量為罐壁高度的50%，即8.55 m。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，式（1）。

式中P1——充壓前罐內(nèi)初始壓力，P1=101.325 kPa

V1——充壓前罐內(nèi)氣相體積，當充水高度為8.55 m時，V1=7575 m3

P2——充壓后罐內(nèi)氣相體積，P2=104.325 kPa

V2——充壓后罐內(nèi)氣相體積，V2=7357 m3

經(jīng)計算得，充壓過程所需進水量ΔV=V1-V2=218 m3，即充壓過程中液位上漲的最大高度Δh=330 mm，即可使罐內(nèi)氣相壓力達到臨界壓力。因此，以上確定的加壓前預充水位高度是合理的。

六、施工要求及修復情況

1.準備工作

（1）將儲罐清理干凈，達到檢修條件。

（2）檢查罐頂抗壓圈及承壓環(huán)的角焊縫、罐底大角焊縫以及罐頂塌陷折皺部位是否受損，如有受損，則必須進行補焊、加強，以免加壓時導致焊縫撕裂。

（3）罐頂凹陷部位焊接一定數(shù)量的補強板和吊耳，以備吊拉時使用。

（4）儲罐內(nèi)部搭設(shè)腳手架，將變形嚴重的罐頂縱向筋板割斷，并采用一定數(shù)量的支撐件，穩(wěn)住凹陷的罐頂板，以免罐頂再次塌陷。采取適當措施、儀表準確測量罐內(nèi)水位高度。

（5）將儲罐的人孔、檢尺口、排污口、物料進出口等開孔封好（透光孔除外，透光孔要徹底敞開，嚴防在充水過程中意外關(guān)閉），各開孔處法蘭加盲板封閉，接好注水消防帶。

（6）保證罐頂透光孔敞開，使罐內(nèi)外壓力平衡，壓力表指示為0，向罐內(nèi)注水到規(guī)定的高度，將預制好的法蘭蓋安裝到罐頂檢尺口上，裝上微壓表。

2.注水升壓流程

（1）注水過程中，觀察罐內(nèi)氣相壓力上升情況，并做好記錄。

（2）首先確保透光孔敞開，將罐內(nèi)水位充至8.55 m，充水速率應(yīng)＜300 m3/h；水位到達8.55 m后，封閉罐體上所有接管。

（3）向罐內(nèi)注水升壓，應(yīng)注意微壓表的讀數(shù)及罐壁和罐底變化情況。加壓速度≤1 kPa/h，即注水速率≤72.5 m3/h；關(guān)注拱頂修復情況，由于拱頂在失穩(wěn)部位局部產(chǎn)生了塑性變形，折皺嚴重部位可能無法修復。

（4）加壓時應(yīng)密切注意罐體的變化以及罐底板是否存在提升情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止注水。當罐內(nèi)壓力達到3 kPa時，停止注水，保壓0.5～1 h，內(nèi)壓修復過程結(jié)束。

（5）將罐體所有管口打開，卸壓。

（6）凹陷部位尚未恢復或恢復不完全的部位，采用吊拉法進行修復。

（7）修復后檢查。對復原后的罐頂進行全面檢查，對未全復原或存在折皺的板片進行局部更換。

（8）試驗驗收。更換切斷的筋板或更換板片，使罐頂結(jié)構(gòu)型式達到原設(shè)計圖紙規(guī)定，再根據(jù)原設(shè)計文件的要求進行相應(yīng)的試驗，試驗程序按儲罐建造時的程序和相關(guān)標準規(guī)定執(zhí)行，但應(yīng)嚴防儲罐超壓。

3.修復情況

圖2 YG204醋酸儲罐修復后照片

2012年6月，根據(jù)修復方案要求，對YG204進行了內(nèi)壓法修復。修復后，絕大部分塌陷恢復了儲罐的初始狀態(tài)，局部未能復原的罐頂板進行了更換和加蓋，修復后情況見圖2。

YG204儲罐罐頂修復后，對其進行全面檢驗和試驗，采用內(nèi)壓法修復滿足安全使用要求。同時，為了改變罐呼吸閥的吸排氣流通量不能滿足正常使用的缺陷，本次罐頂修復時，將原有的2個公稱直徑為DN200的呼吸閥，換為2個公稱直徑為DN300的呼吸閥（帶阻火器），確保了儲罐的安全使用。該罐修復后已投入正常使用，運行情況良好。

大型醋酸儲罐采用內(nèi)壓法修復負壓失穩(wěn)罐頂，工期短、費用低、操作工藝簡單、修復效果較好，但在儲罐修復前和修復過程中應(yīng)注意3點，一是在儲罐修復前，應(yīng)編制詳細的修復方案，并對儲罐進行強度校核。二是采用內(nèi)壓法修復時，應(yīng)緩慢注水，密切注意罐內(nèi)壓力和罐底的抬升情況，防止超壓而產(chǎn)生新的損壞。三是應(yīng)在天氣情況良好的情況下進行修復，以免天氣的急劇變化（如大氣壓下降）引起罐內(nèi)超壓。