液化烴球罐失效及事故模擬技術(shù)研究概述

唐源宋 劉貴杰

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266071)

液化烴球罐失效及事故模擬技術(shù)研究概述

唐源宋 劉貴杰

(中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266071)

石化工業(yè)是我國(guó)重要的支柱產(chǎn)業(yè),國(guó)家財(cái)稅收入的主要來(lái)源,其發(fā)展?fàn)顩r直接影響國(guó)家的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。但同時(shí)石化行業(yè)屬高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè),裝備投資巨大,因此確保裝備的安全、防范裝備的風(fēng)險(xiǎn)是石化工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行中非常重要的一個(gè)方面。石化裝備往往具有大型、工藝復(fù)雜、高自動(dòng)化、直接或間接與危險(xiǎn)介質(zhì)(易燃、易爆、有毒)接觸等特點(diǎn),其運(yùn)行狀態(tài)一旦出現(xiàn)問(wèn)題,不僅會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)損失,而且有可能引起災(zāi)難性事故的發(fā)生,社會(huì)影響巨大,因此保證石化裝備的正常安全運(yùn)行具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,尤其是關(guān)鍵裝備,例如液態(tài)烴球罐。

液態(tài)烴球罐 火災(zāi) 泄漏 腐蝕

1 液態(tài)烴球罐事故

液態(tài)烴球罐是石油化工行業(yè)中被廣泛應(yīng)用且危險(xiǎn)性較大的重要裝備之一。球罐作為存儲(chǔ)化學(xué)介質(zhì)的壓力容器，在我國(guó)石油化工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。在所有球罐中，約有40%是用來(lái)存儲(chǔ)液化石油氣(LPG)的，但LPG球罐往往因其存儲(chǔ)介質(zhì)中含有硫化氫等腐蝕性離子而具有很大的危險(xiǎn)性，這些介質(zhì)對(duì)球罐用鋼十分敏感，易造成球罐的開裂，進(jìn)而造成一些突發(fā)性的災(zāi)難。近些年來(lái)，隨著高含硫原油進(jìn)口量逐年增加，國(guó)內(nèi)原來(lái)煉制低硫原油的裝置工藝、設(shè)備已滿足不了所處理介質(zhì)腐蝕性的要求以及不斷提高的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于煉制出來(lái)的LPG產(chǎn)品不能進(jìn)行嚴(yán)格的脫硫和脫水處理，致使最后生產(chǎn)出來(lái)的LPG中往往含有超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)含量的硫化氫。含超標(biāo)硫化氫的LPG進(jìn)入存儲(chǔ)設(shè)備后，硫化氫易與LPG中的少量水氣構(gòu)成具有較強(qiáng)腐蝕性的濕硫化氫環(huán)境，導(dǎo)致在這樣環(huán)境中儲(chǔ)存LPG的一些碳鋼和低合金鋼設(shè)備由于腐蝕所造成的開裂事故率有上升的趨勢(shì)。

鋼制球形儲(chǔ)罐作為石油及化工行業(yè)應(yīng)用較多的液態(tài)烴存儲(chǔ)設(shè)備之一，在石油、化工生產(chǎn)及日常生活中發(fā)揮著重要作用。作為Ⅲ類壓力容器，液態(tài)烴球罐在服役過(guò)程中，除了受罐內(nèi)壓力波動(dòng)產(chǎn)生的疲勞荷載作用外，還經(jīng)常會(huì)受到內(nèi)外環(huán)境介質(zhì)的腐蝕，給球罐的安全運(yùn)行及企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。其中罐壁的腐蝕開裂或裂紋擴(kuò)展主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)、凹陷及變形處，球罐底部腐蝕裂紋主要發(fā)生在油水界面處。同時(shí)球罐由于自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在罐壁的接管處存在應(yīng)力集中和較大的二次應(yīng)力，極易在這些部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，使得這些區(qū)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(yán)重，局部罐體的更換又進(jìn)一步改變了罐體的結(jié)構(gòu)特征，這將導(dǎo)致球罐發(fā)生失效破壞事故。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)在球罐的維修基本上是在發(fā)生故障后進(jìn)行，損失較大、維修費(fèi)用高。如何合理地分析球罐的缺陷分布情況，正確地評(píng)價(jià)球罐的安全可靠性、科學(xué)的模擬液化烴球罐事故，已成為相應(yīng)煉油及石化儲(chǔ)存企業(yè)迫切需要解決的難題。

2 國(guó)內(nèi)外研究背景

安全可靠的裝置設(shè)備是油氣加工系統(tǒng)安全保障的基礎(chǔ)和先決條件，而先進(jìn)、科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范則是提升裝置本質(zhì)安全的依據(jù)，因而世界各國(guó)都把制定和完善相關(guān)規(guī)范作為研究的首要目標(biāo)。目前世界各國(guó)上頒布的有關(guān)結(jié)構(gòu)安全與缺陷評(píng)定的規(guī)范已不下數(shù)十部，這些標(biāo)準(zhǔn)按照其建立的理論基礎(chǔ)大致可以分為三類:①以線彈性斷裂理論為基礎(chǔ)的評(píng)定方法。②以COD理論為基礎(chǔ)的評(píng)定方法。③以失效評(píng)定圖技術(shù)為基礎(chǔ)的評(píng)定方法。

近年來(lái)斷裂力學(xué)涉及專業(yè)的廣度和深度不斷拓寬，推動(dòng)了含缺陷結(jié)構(gòu)評(píng)定規(guī)范不斷更新和完善，隨著老評(píng)定規(guī)范版本的退役和新評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的頒布，含缺陷結(jié)構(gòu)的評(píng)定規(guī)范也發(fā)生了很大的變化。歐洲委員會(huì)(EuropeanCommission)于2000年發(fā)表了“歐洲工業(yè)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定方法”，簡(jiǎn)稱SINTAP，這實(shí)際上就是未來(lái)歐洲統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的草稿。目前新版R6和PD6493的2000版(現(xiàn)已改為BS7910)的評(píng)定技術(shù)和風(fēng)格均已向SINTAP靠攏。其二是美國(guó)石油學(xué)會(huì)于2000年頒布了針對(duì)在用石油化工設(shè)備的合乎使用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)API579“推薦用于合乎使用的實(shí)施方法”(Recommendationpracticeforfitness-forservice)。這一標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上具有鮮明特色，與SINTAP、R6和BS7910主要針對(duì)于電站、海洋石油平臺(tái)的工業(yè)背景不同，API579的背景是石油化工承壓設(shè)備，不僅包括了在用設(shè)備缺陷安全的評(píng)定，還在很廣范圍內(nèi)給出在役設(shè)備及其材料的退化損傷評(píng)估方法，例如其第4章給出了均勻腐蝕的評(píng)定方法，第5章給出了關(guān)于局部減薄及槽形凹坑的評(píng)定技術(shù)及驗(yàn)收準(zhǔn)則，第6章給出了點(diǎn)腐蝕損傷的評(píng)定方法，第7章給出了鼓泡及分層的評(píng)定方法，第8章給出了筒體不圓、直焊縫噘嘴和錯(cuò)邊的評(píng)定方法。第三是特殊環(huán)境下含缺陷結(jié)構(gòu)的完整性評(píng)定。隨著以核電和石油化工為代表的工業(yè)向高溫、高壓等高參數(shù)化發(fā)展，促使人們重視并開始研究高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和完整性理論與技術(shù)，例如英國(guó)R5規(guī)程、PD6539和BS7910，法國(guó)RCC-MR規(guī)范的附錄A16、以及德國(guó)的FBH方法等幾部都是專門用于高溫結(jié)構(gòu)完整評(píng)定的規(guī)范。

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

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)系統(tǒng)性地開展了幾十年的研究工作相比，我國(guó)的研究時(shí)間較短，只是在文革以后，受到過(guò)程工業(yè)事故率第二個(gè)高發(fā)期的巨大壓力，國(guó)內(nèi)學(xué)者才針對(duì)壓力容器大量存在的超標(biāo)缺陷這一中國(guó)特有問(wèn)題開展了全國(guó)性的聯(lián)合攻關(guān)，研究成果形成了“壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)程”(CVDA－84)。此后經(jīng)七五、八五和九五期間近千名研究人員的協(xié)同研究，對(duì)CVDA－84規(guī)程的技術(shù)路線進(jìn)行了修正和改進(jìn)，在吸收消化歐美國(guó)家先進(jìn)失效評(píng)定圖技術(shù)的基礎(chǔ)上，完成了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19624-2004“在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定”。然而這一標(biāo)準(zhǔn)目前只涉及了承壓裝備的彈塑性斷裂和疲勞評(píng)定問(wèn)題，不能用來(lái)處理腐蝕、應(yīng)力腐蝕、高溫等環(huán)境下特種設(shè)備的失效和安全評(píng)定問(wèn)題，對(duì)近期國(guó)際上在材料、斷裂力學(xué)、測(cè)試技術(shù)方面的最新研究成果，則沒有包括。

另外，1990年代美國(guó)石油協(xié)會(huì)在20多個(gè)石化公司的贊助下組織開展了針對(duì)石化成套裝置的RBI(基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn))技術(shù)研究，于2002年頒布了API580“RBI”，得到世界各國(guó)的廣泛認(rèn)可，并迅速應(yīng)用于石化企業(yè)的設(shè)備管理。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還剛剛開始，目前在科技部攻關(guān)項(xiàng)目的支持下，正在開始研究建立城市埋地燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系，正在著手建立石化成套裝置RBI技術(shù)體系。

上述安全評(píng)價(jià)理論與規(guī)范主要是針對(duì)在用裝置與設(shè)備，近年來(lái)將安全理念貫穿裝備從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維修直至報(bào)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?cè)诔袎貉b置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行的早期階段可以預(yù)知其“出生”后的風(fēng)險(xiǎn)與“命運(yùn)”，同時(shí)為預(yù)測(cè)維修模式的實(shí)施提供理論支持。這涉及材料、結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境和生產(chǎn)工藝等多方面的大量控制因素。如何建立從材料性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)整體布局及局部應(yīng)力分析技術(shù)，同時(shí)考慮系統(tǒng)工藝和環(huán)境介質(zhì)的影響來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的損傷容限與可靠性，以及通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)譜下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定裝備安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的使用壽命，是當(dāng)今仍未解決的重大問(wèn)題。

近些年來(lái)，由于原油中硫含量以及化工設(shè)備材料強(qiáng)度的級(jí)別不斷提高，使得很多設(shè)備在濕硫化氫環(huán)境下服役并發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂(StressCorrosionCracking，SCC)或氫脆失效(Hydrogen Embrittlement，HE)，引起設(shè)備的破裂、泄漏甚至爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(dǎo)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(chǔ)罐由于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SulfideStressCracking，SSC)而導(dǎo)致泄漏，造成500人死亡，廠區(qū)周圍7000人受傷。

液態(tài)烴球罐所面臨的介質(zhì)環(huán)境主要是濕硫化氫環(huán)境，在濕硫化氫環(huán)境下，金屬的失效行為都與金屬表面化學(xué)反應(yīng)析氫有關(guān)。在濕硫化氫環(huán)境下，由氫導(dǎo)致的設(shè)備應(yīng)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(yīng)變相關(guān)式，即裂紋的出現(xiàn)需要材料在宏觀上的塑性變形。這種形式因?yàn)樾枰暧^上的屈服，所以一般發(fā)生在較高的應(yīng)力情況下，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料韌性的下降。其中典型的失效形式為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC);②應(yīng)變無(wú)關(guān)式。即裂紋由于材料內(nèi)部局部區(qū)域的塑性變形而導(dǎo)致，可能在沒有拉應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)向的氫致開裂等。由于球罐設(shè)計(jì)與制造的原因，造成濕硫化氫環(huán)境下開裂問(wèn)題日益增多。

[1]R D Merick. Refinery Experience with Cracking in Wet H2S Environment[J]. Mater Perf,1988,27(1):30-36.

[2]J E Cantwell. LPG Storage Vessel Cracking Experience [J]. Mater Perf,1988, 27(10):79-82.

[3]D K Trivedi, S C Gupta. Cracking in Liquid Petroleum Gas Horton Spheres[J]. Mater Perf,1997,36(7):59-61.

[4]許適群.加工高硫原油可能出現(xiàn)的腐蝕問(wèn)題[J].石油化工腐蝕與防護(hù),1998,15(1):1-6.

[5]王維宗,賈鵬林,許適群.濕硫化氫環(huán)境中腐蝕失效實(shí)例及對(duì)策[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2001,18(2),7-13.

[6]上田修山(荊洪陽(yáng)譯).結(jié)構(gòu)鋼的焊接——低合金鋼的性能及冶金學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.273-274.

[7]S Y Tai, J C Oung. Statistical Analysis of Corrosion Problems in Over 80 LPG Tanks in Taiwan [C]. Houston, Corrosion91, 1991.315-320.

[8]卓旻.加工含硫原油工藝設(shè)備的腐蝕與防護(hù)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2002,2(3):53-56.