10 000 m3常壓醋酸儲(chǔ)罐罐頂失穩(wěn)分析及修復(fù)

姚佐權(quán) 張新建 陳美全

（1.合肥通用機(jī)械研究院 合肥 2.國(guó)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(chǔ)罐作為油品和各種液體化學(xué)品的儲(chǔ)存設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于煉油、化工裝置和儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)。這類儲(chǔ)罐具有占地面積小、投資少、易于操作管理等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)因儲(chǔ)罐的壁厚較薄，承受外壓的能力較低，在操作時(shí)，一旦安全保護(hù)系統(tǒng)故障或操作不當(dāng)，往往會(huì)引起儲(chǔ)罐外壓失穩(wěn)。

一臺(tái)10 000 m3醋酸常壓儲(chǔ)罐（位號(hào)YG204）在執(zhí)行付料裝船作業(yè)時(shí)，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(gè)罐頂?shù)?/2，失穩(wěn)情況見圖1。

二、設(shè)備概況

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

圖1 YG204醋酸儲(chǔ)罐罐頂失穩(wěn)現(xiàn)場(chǎng)照片

表1 YG204醋酸儲(chǔ)罐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

三、強(qiáng)度校核

根據(jù)提供的施工圖，對(duì)YG204儲(chǔ)罐進(jìn)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(jì)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(chǔ)罐的設(shè)計(jì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，儲(chǔ)罐拱頂最大能承受約3.34 kPa的負(fù)壓，罐壁最大能承受約5.2 kPa的負(fù)壓，儲(chǔ)罐發(fā)生負(fù)壓失穩(wěn)時(shí)，拱頂最先失穩(wěn)。

四、失穩(wěn)原因分析

為了確保儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行，該儲(chǔ)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(hù)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(tái)儲(chǔ)罐的氮封閥補(bǔ)氣和呼吸閥吸、排氣流通量不能滿足設(shè)計(jì)要求。不僅小流量收、付料作業(yè)時(shí)，儲(chǔ)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(chǔ)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(dāng)天該罐付料時(shí)的液位壓力趨勢(shì)圖（圖3）可知，200 min時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)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(dāng)于罐內(nèi)形成了12.96 kPa的負(fù)壓（不考慮初始正壓），遠(yuǎn)大于拱頂所能承受的3.34 kPa的負(fù)壓。由于氮封閥無(wú)法向罐內(nèi)及時(shí)補(bǔ)充氣體，且呼吸閥沒(méi)有打開（或補(bǔ)氣量不夠），因此造成罐頂負(fù)壓失穩(wěn)坍塌。由此可知，氮封閥失效是造成儲(chǔ)罐負(fù)壓的直接原因，呼吸閥失效（或補(bǔ)氣量不夠）是造成儲(chǔ)罐拱頂坍塌失穩(wěn)的直接原因。

五、修復(fù)方案

1.常用的修復(fù)方法

（1）局部更換法。對(duì)于失穩(wěn)嚴(yán)重的罐頂，可采用局部更換法，即將罐頂變形部位的鋼板進(jìn)行切除，重新預(yù)制、安裝復(fù)原。

（2）吊拉法。對(duì)于失穩(wěn)面積較小也不太嚴(yán)重的罐頂，可采用吊拉法修復(fù)。修復(fù)時(shí)清除罐頂影響修復(fù)的一切附件，設(shè)置支架，用手動(dòng)葫蘆吊拉罐頂塌陷部位，從而達(dá)到失穩(wěn)修復(fù)。

（3）內(nèi)壓法。在儲(chǔ)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(chǔ)罐變形部位復(fù)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(chǔ)罐的接管向封閉的儲(chǔ)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(dá)到一定的壓力時(shí)，失穩(wěn)的罐頂會(huì)復(fù)原。對(duì)于微正壓拱頂儲(chǔ)罐拱頂?shù)男迯?fù)，也可采用罐內(nèi)注滿水將罐內(nèi)氣體全部排出，再將儲(chǔ)罐封閉，采用水壓修復(fù)變形。采用滿罐水壓修復(fù)應(yīng)注意兩個(gè)問(wèn)題，一是儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)承載能力是否滿足；二是罐壁的強(qiáng)度能否滿足液柱靜壓力和罐頂修復(fù)所需的內(nèi)壓之和。充氣加壓法是向密閉的儲(chǔ)罐內(nèi)充入壓縮空氣或氮?dú)猓龃蠊迌?nèi)的壓力以達(dá)到變形修復(fù)。無(wú)論采用哪種加壓方式，在儲(chǔ)罐升壓前，均應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行強(qiáng)度校核，尤其應(yīng)對(duì)內(nèi)壓對(duì)罐底產(chǎn)生的舉升力進(jìn)行驗(yàn)算。

2.修復(fù)方案

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

3.內(nèi)壓法修復(fù)的理論計(jì)算

采用內(nèi)壓法修復(fù)失穩(wěn)罐頂，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐的各部分所允許的最大內(nèi)壓進(jìn)行校核。

（1）修復(fù)壓力的確定。根據(jù)表2可知，儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)罐建造時(shí)曾在內(nèi)壓3 kPa左右時(shí)發(fā)生過(guò)超壓變形，因此，修復(fù)罐頂時(shí)，罐內(nèi)最大內(nèi)壓應(yīng)＜3 kPa。

（2）加水量的計(jì)算。為安全起見，不宜采用充氣加壓法修復(fù)罐頂，而是采用注水加壓法。用注入少量的水達(dá)到修復(fù)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(huì)造成太大的危險(xiǎn)。

通過(guò)計(jì)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(fù)壓力的強(qiáng)度要求，小于計(jì)算所需的厚度（計(jì)算厚度為9.52 mm）。因此，無(wú)法通過(guò)全部充滿水來(lái)修復(fù)罐頂，因此采用罐內(nèi)預(yù)先注入一定水量，抵消一部分舉升力，使升壓過(guò)程更加安全。預(yù)先注入水量的多少，會(huì)影響修復(fù)效果，如預(yù)注水量太多，則罐內(nèi)氣相空間過(guò)小，壓力不易達(dá)到臨界值，加壓修復(fù)很難達(dá)到預(yù)期效果。預(yù)注水量過(guò)少，則罐內(nèi)氣相空間過(guò)大，在升壓過(guò)程中積蓄較大能量，一旦發(fā)生意外，可能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。因此，罐內(nèi)預(yù)注水位應(yīng)保持在合理的位置，一般預(yù)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?jí)毫Γ琍1=101.325 kPa

V1——充壓前罐內(nèi)氣相體積，當(dāng)充水高度為8.55 m時(shí)，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(jì)算得，充壓過(guò)程所需進(jìn)水量ΔV=V1-V2=218 m3，即充壓過(guò)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(dá)到臨界壓力。因此，以上確定的加壓前預(yù)充水位高度是合理的。

六、施工要求及修復(fù)情況

1.準(zhǔn)備工作

（1）將儲(chǔ)罐清理干凈，達(dá)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(jìn)行補(bǔ)焊、加強(qiáng)，以免加壓時(shí)導(dǎo)致焊縫撕裂。

（3）罐頂凹陷部位焊接一定數(shù)量的補(bǔ)強(qiáng)板和吊耳，以備吊拉時(shí)使用。

（4）儲(chǔ)罐內(nèi)部搭設(shè)腳手架，將變形嚴(yán)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(dāng)措施、儀表準(zhǔn)確測(cè)量罐內(nèi)水位高度。

（5）將儲(chǔ)罐的人孔、檢尺口、排污口、物料進(jìn)出口等開孔封好（透光孔除外，透光孔要徹底敞開，嚴(yán)防在充水過(guò)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(yù)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(guò)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(dá)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(fù)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(yán)重部位可能無(wú)法修復(fù)。

（4）加壓時(shí)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(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到3 kPa時(shí)，停止注水，保壓0.5～1 h，內(nèi)壓修復(fù)過(guò)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(fù)或恢復(fù)不完全的部位，采用吊拉法進(jìn)行修復(fù)。

（7）修復(fù)后檢查。對(duì)復(fù)原后的罐頂進(jìn)行全面檢查，對(duì)未全復(fù)原或存在折皺的板片進(jìn)行局部更換。

（8）試驗(yàn)驗(yàn)收。更換切斷的筋板或更換板片，使罐頂結(jié)構(gòu)型式達(dá)到原設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定，再根據(jù)原設(shè)計(jì)文件的要求進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)程序按儲(chǔ)罐建造時(shí)的程序和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行，但應(yīng)嚴(yán)防儲(chǔ)罐超壓。

3.修復(fù)情況

圖2 YG204醋酸儲(chǔ)罐修復(fù)后照片

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

YG204儲(chǔ)罐罐頂修復(fù)后，對(duì)其進(jìn)行全面檢驗(yàn)和試驗(yàn)，采用內(nèi)壓法修復(fù)滿足安全使用要求。同時(shí)，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(fù)時(shí)，將原有的2個(gè)公稱直徑為DN200的呼吸閥，換為2個(gè)公稱直徑為DN300的呼吸閥（帶阻火器），確保了儲(chǔ)罐的安全使用。該罐修復(fù)后已投入正常使用，運(yùn)行情況良好。

大型醋酸儲(chǔ)罐采用內(nèi)壓法修復(fù)負(fù)壓失穩(wěn)罐頂，工期短、費(fèi)用低、操作工藝簡(jiǎn)單、修復(fù)效果較好，但在儲(chǔ)罐修復(fù)前和修復(fù)過(guò)程中應(yīng)注意3點(diǎn)，一是在儲(chǔ)罐修復(fù)前，應(yīng)編制詳細(xì)的修復(fù)方案，并對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行強(qiáng)度校核。二是采用內(nèi)壓法修復(fù)時(shí)，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(jìn)行修復(fù)，以免天氣的急劇變化（如大氣壓下降）引起罐內(nèi)超壓。