液化烴球罐失效及事故模擬技術研究概述

唐源宋 劉貴杰

(中國海洋大學工程學院,山東青島 266071)

液化烴球罐失效及事故模擬技術研究概述

唐源宋 劉貴杰

(中國海洋大學工程學院,山東青島 266071)

石化工業是我國重要的支柱產業,國家財稅收入的主要來源,其發展狀況直接影響國家的經濟基礎。但同時石化行業屬高風險行業,裝備投資巨大,因此確保裝備的安全、防范裝備的風險是石化工業生產運行中非常重要的一個方面。石化裝備往往具有大型、工藝復雜、高自動化、直接或間接與危險介質(易燃、易爆、有毒)接觸等特點,其運行狀態一旦出現問題,不僅會導致生產損失,而且有可能引起災難性事故的發生,社會影響巨大,因此保證石化裝備的正常安全運行具有非常重要的現實意義,尤其是關鍵裝備,例如液態烴球罐。

液態烴球罐 火災 泄漏 腐蝕

1 液態烴球罐事故

液態烴球罐是石油化工行業中被廣泛應用且危險性較大的重要裝備之一。球罐作為存儲化學介質的壓力容器，在我國石油化工行業中得到了廣泛的應用。在所有球罐中，約有40%是用來存儲液化石油氣(LPG)的，但LPG球罐往往因其存儲介質中含有硫化氫等腐蝕性離子而具有很大的危險性，這些介質對球罐用鋼十分敏感，易造成球罐的開裂，進而造成一些突發性的災難。近些年來，隨著高含硫原油進口量逐年增加，國內原來煉制低硫原油的裝置工藝、設備已滿足不了所處理介質腐蝕性的要求以及不斷提高的產品標準的要求。由于煉制出來的LPG產品不能進行嚴格的脫硫和脫水處理，致使最后生產出來的LPG中往往含有超過標準含量的硫化氫。含超標硫化氫的LPG進入存儲設備后，硫化氫易與LPG中的少量水氣構成具有較強腐蝕性的濕硫化氫環境，導致在這樣環境中儲存LPG的一些碳鋼和低合金鋼設備由于腐蝕所造成的開裂事故率有上升的趨勢。

鋼制球形儲罐作為石油及化工行業應用較多的液態烴存儲設備之一，在石油、化工生產及日常生活中發揮著重要作用。作為Ⅲ類壓力容器，液態烴球罐在服役過程中，除了受罐內壓力波動產生的疲勞荷載作用外，還經常會受到內外環境介質的腐蝕，給球罐的安全運行及企業的安全生產帶來了嚴重威脅。其中罐壁的腐蝕開裂或裂紋擴展主要發生在焊接熱影響區、凹陷及變形處，球罐底部腐蝕裂紋主要發生在油水界面處。同時球罐由于自身結構的特點，在罐壁的接管處存在應力集中和較大的二次應力，極易在這些部位發生應力腐蝕開裂，使得這些區域罐體的腐蝕速率加快。加之球罐常用的涂料防腐效果較差，隨著使用年限的增加，球罐的腐蝕程度逐漸嚴重，局部罐體的更換又進一步改變了罐體的結構特征，這將導致球罐發生失效破壞事故。

當前國內在球罐的維修基本上是在發生故障后進行，損失較大、維修費用高。如何合理地分析球罐的缺陷分布情況，正確地評價球罐的安全可靠性、科學的模擬液化烴球罐事故，已成為相應煉油及石化儲存企業迫切需要解決的難題。

2 國內外研究背景

安全可靠的裝置設備是油氣加工系統安全保障的基礎和先決條件，而先進、科學的標準和規范則是提升裝置本質安全的依據，因而世界各國都把制定和完善相關規范作為研究的首要目標。目前世界各國上頒布的有關結構安全與缺陷評定的規范已不下數十部，這些標準按照其建立的理論基礎大致可以分為三類:①以線彈性斷裂理論為基礎的評定方法。②以COD理論為基礎的評定方法。③以失效評定圖技術為基礎的評定方法。

近年來斷裂力學涉及專業的廣度和深度不斷拓寬，推動了含缺陷結構評定規范不斷更新和完善，隨著老評定規范版本的退役和新評定標準的頒布，含缺陷結構的評定規范也發生了很大的變化。歐洲委員會(EuropeanCommission)于2000年發表了“歐洲工業結構完整性評定方法”，簡稱SINTAP，這實際上就是未來歐洲統一標準的草稿。目前新版R6和PD6493的2000版(現已改為BS7910)的評定技術和風格均已向SINTAP靠攏。其二是美國石油學會于2000年頒布了針對在用石油化工設備的合乎使用評定標準API579“推薦用于合乎使用的實施方法”(Recommendationpracticeforfitness-forservice)。這一標準在內容上具有鮮明特色，與SINTAP、R6和BS7910主要針對于電站、海洋石油平臺的工業背景不同，API579的背景是石油化工承壓設備，不僅包括了在用設備缺陷安全的評定，還在很廣范圍內給出在役設備及其材料的退化損傷評估方法，例如其第4章給出了均勻腐蝕的評定方法，第5章給出了關于局部減薄及槽形凹坑的評定技術及驗收準則，第6章給出了點腐蝕損傷的評定方法，第7章給出了鼓泡及分層的評定方法，第8章給出了筒體不圓、直焊縫噘嘴和錯邊的評定方法。第三是特殊環境下含缺陷結構的完整性評定。隨著以核電和石油化工為代表的工業向高溫、高壓等高參數化發展，促使人們重視并開始研究高溫環境下結構的設計和完整性理論與技術，例如英國R5規程、PD6539和BS7910，法國RCC-MR規范的附錄A16、以及德國的FBH方法等幾部都是專門用于高溫結構完整評定的規范。

上述規范方法的形成是大量基礎研究成果的體現，納入了較先進的評定方法，包括先漏后爆(LBB)評定、裂紋止裂評定、概率斷裂評定和位移控制載荷下的評定，還考慮了拘束度影響的修正、強度不匹配影響的修正、局部法及加載歷史的影響等。

3 國內研究現狀

與工業發達國家已經系統性地開展了幾十年的研究工作相比，我國的研究時間較短，只是在文革以后，受到過程工業事故率第二個高發期的巨大壓力，國內學者才針對壓力容器大量存在的超標缺陷這一中國特有問題開展了全國性的聯合攻關，研究成果形成了“壓力容器缺陷評定規程”(CVDA－84)。此后經七五、八五和九五期間近千名研究人員的協同研究，對CVDA－84規程的技術路線進行了修正和改進，在吸收消化歐美國家先進失效評定圖技術的基礎上，完成了國家標準GB/T19624-2004“在用含缺陷壓力容器安全評定”。然而這一標準目前只涉及了承壓裝備的彈塑性斷裂和疲勞評定問題，不能用來處理腐蝕、應力腐蝕、高溫等環境下特種設備的失效和安全評定問題，對近期國際上在材料、斷裂力學、測試技術方面的最新研究成果，則沒有包括。

另外，1990年代美國石油協會在20多個石化公司的贊助下組織開展了針對石化成套裝置的RBI(基于風險的檢驗)技術研究，于2002年頒布了API580“RBI”，得到世界各國的廣泛認可，并迅速應用于石化企業的設備管理。風險評價技術在國內還剛剛開始，目前在科技部攻關項目的支持下，正在開始研究建立城市埋地燃氣管道風險評估技術體系，正在著手建立石化成套裝置RBI技術體系。

上述安全評價理論與規范主要是針對在用裝置與設備，近年來將安全理念貫穿裝備從設計、制造、運行、維修直至報廢的全生命周期正日益得到人們的重視，全壽命周期安全的概念旨在使人們在承壓裝置的設計和運行的早期階段可以預知其“出生”后的風險與“命運”，同時為預測維修模式的實施提供理論支持。這涉及材料、結構、使用環境和生產工藝等多方面的大量控制因素。如何建立從材料性能試驗數據，通過整體布局及局部應力分析技術，同時考慮系統工藝和環境介質的影響來預測復雜結構的損傷容限與可靠性，以及通過標準譜下的試驗數據確定裝備安全、可靠、經濟的使用壽命，是當今仍未解決的重大問題。

近些年來，由于原油中硫含量以及化工設備材料強度的級別不斷提高，使得很多設備在濕硫化氫環境下服役并發生應力腐蝕開裂(StressCorrosionCracking，SCC)或氫脆失效(Hydrogen Embrittlement，HE)，引起設備的破裂、泄漏甚至爆炸，造成巨大的經濟損失與人員傷亡。1984年，芝加哥Lemont煉油廠一液化氣球罐氫致開裂導致15人喪生，22人重傷;同年，墨西哥城一大型煉油廠液化氣儲罐由于硫化物應力腐蝕開裂(SulfideStressCracking，SSC)而導致泄漏，造成500人死亡，廠區周圍7000人受傷。

液態烴球罐所面臨的介質環境主要是濕硫化氫環境，在濕硫化氫環境下，金屬的失效行為都與金屬表面化學反應析氫有關。在濕硫化氫環境下，由氫導致的設備應力腐蝕開裂一般都稱為氫損傷，其形式基本可以分為兩類:①應變相關式，即裂紋的出現需要材料在宏觀上的塑性變形。這種形式因為需要宏觀上的屈服，所以一般發生在較高的應力情況下，同時會導致材料韌性的下降。其中典型的失效形式為硫化物應力腐蝕開裂(SSCC);②應變無關式。即裂紋由于材料內部局部區域的塑性變形而導致，可能在沒有拉應力的作用下形成。其中典型的失效形式有氫鼓泡、氫致開裂(Hydrogen-InducedCracking，HIC)、應力導向的氫致開裂等。由于球罐設計與制造的原因，造成濕硫化氫環境下開裂問題日益增多。

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