100m3貯罐球拱頂?shù)氖Х€(wěn)修復(fù)

（浙江鎮(zhèn)洋發(fā)展股份有限公司，浙江 寧波 315204）

常壓容器是食品、醫(yī)藥、石油和化學工業(yè)等行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的貯存設(shè)備之一。由于其設(shè)計壓力較低，壁厚較薄，因此在使用中，常常發(fā)生吸癟失穩(wěn)現(xiàn)象。某公司一臺100m3立式圓柱平底球拱頂燒堿常壓不銹鋼貯罐，在一次對與其相連的氫氣高空放空管道系統(tǒng)檢修作業(yè)后因操作失誤發(fā)生了貯罐拱頂被嚴重吸癟凹陷現(xiàn)象。本文以該貯罐為例，分析貯罐拱頂失穩(wěn)凹癟的原因，探討修復(fù)的方法。

1 設(shè)備簡介

該臺常壓不銹鋼貯罐全容積為114m3，工作介質(zhì)主要為燒堿溶液，貯罐本體結(jié)構(gòu)為平底，圓柱形罐身和自支撐式球拱頂結(jié)構(gòu)，拱頂頂板間為搭接形式，拱頂與罐身以包邊角鋼相聯(lián)。貯罐總高4205mm，其中直筒體高3000mm，罐體內(nèi)直徑6700mm，球拱頂曲率內(nèi)半徑為8040mm，弦高733mm，罐壁、罐底和罐頂名義厚度均為6mm，實測厚度為5.7-5.8mm，材質(zhì)為S30408，其彈性模數(shù)E值為1.95×105MPa，許用應(yīng)力[σ]=137MPa，屈服極限σ0.2＝206MPa，σb＝520MPa，該設(shè)備技術(shù)特性見表1。

表1 設(shè)備技術(shù)特性表

全容積 m3 114.2介質(zhì)密度 kg/m3 1310設(shè)計標準 GB50341-2003焊縫系數(shù) 0.9設(shè)備凈重 kg 7350

2 失穩(wěn)發(fā)生過程及原因

失穩(wěn)發(fā)生在大修期間。在停車過程中，該罐裝滿了離子膜電槽排空的堿性液體，在檢修該罐外接的氫氣高空放空管路系統(tǒng)時，用盲板將放空管路和罐頂放空口進行隔離，但在檢修完畢后未及時抽出盲板，而崗位操作工未經(jīng)確認即啟動輸送泵將堿液送至后系統(tǒng)用于氯氣吸收，從而導(dǎo)致貯罐球拱頂被吸癟變形。失穩(wěn)變形情況如圖1所示。

圖1 拱頂失穩(wěn)凹癟情況

3 罐頂失穩(wěn)修復(fù)方案及相關(guān)計算

貯罐失穩(wěn)凹癟變形后，如果修復(fù)措施得當，貯罐一般能恢復(fù)原狀并可繼續(xù)使用。修復(fù)的方法有挖補更換法、機械拉拽或撐頂法、充氣補壓法、注水加壓法、注水靜壓法等。

為了盡快修復(fù)罐頂，使堿罐處于正常備用狀態(tài)，根據(jù)貯罐的失穩(wěn)狀態(tài)和失穩(wěn)罐頂鋼板變形狀態(tài)，判定引起罐頂吸癟時的真空度小于罐壁失穩(wěn)時的臨界外壓。據(jù)文獻[5][6]介紹，外壓引起的貯罐失穩(wěn)往往是由瞬時外壓控制，在一定范圍內(nèi)失穩(wěn)是完全彈性的。故決定嘗試采用向罐內(nèi)灌注自然水進行修復(fù)。修復(fù)過程中，確保以下幾個修復(fù)原則：

（1）罐底、罐壁和罐頂材料不產(chǎn)生塑性變形；

（2）罐底、罐壁和罐頂兩兩間的連接焊縫強度在許可范圍內(nèi)。

3.1 按罐頂承受外壓確定修復(fù)時的注水高度范圍

按罐頂吸癟失穩(wěn)外壓來反算所需修復(fù)時的注水高度。

3.1.1 最大注水高度

最大注水高度可由小撓度彈性穩(wěn)定理論得到的球殼臨界壓力經(jīng)典公式計算。

按文獻[1]式（3-61），因此罐頂吸癟時的失穩(wěn)臨界壓力為：

式中：S0為罐頂?shù)挠嬎愫穸?，取實測厚度，mm；R為罐頂?shù)那手忻姘霃?，mm。

故最大注水高度對罐頂產(chǎn)生的水柱靜壓不能超過上述Pcr。

3.1.2 最小注水高度

根據(jù)球殼失穩(wěn)試驗結(jié)果，球殼臨界壓力實驗值要比由小撓度彈性穩(wěn)定理論得到的經(jīng)典公式計算得到理論數(shù)據(jù)小得多，故按文獻[1]式（3-62）計算得到的許用外壓來確定最小注水高度：

式中：S0為罐頂?shù)挠嬎愫穸龋@里取實測厚度，mm。Ri為罐頂?shù)那蕛?nèi)半徑，mm。

故最小注水高度對罐頂產(chǎn)生的水柱靜壓不能低于上述[Pmin]。

3.2 按罐頂承受內(nèi)壓計算修復(fù)時的允許最大水柱高度

按文獻[2]式（3-12）和文獻[2]式（5-7）來求得罐頂最大允許內(nèi)壓，從而得到修復(fù)時的罐頂最大允許水柱高度。

式中：φ為焊縫系數(shù)，取φ＝0.6；Q為系數(shù)，由文獻[2]圖5-5并按外插法查得，Q≈4.5；

綜上所述，罐頂修復(fù)時的灌水高度應(yīng)在0.79-3.89m之間。

3.3 按修復(fù)時的允許最大水柱高度校核罐體強度

根據(jù)前述計算，修復(fù)時的允許最大水柱高度為3.89m，加上罐體高度的水柱壓力，即為罐體底部在修復(fù)時可能承受的最大內(nèi)壓力，故Pw=0.0689MPa。

式中：Di為罐體內(nèi)徑，mm；φ為焊縫系數(shù)，取φ＝0.9

3.4 校核修復(fù)時罐頂、罐體、罐底間的連接焊縫強度

修復(fù)時，罐頂、罐體、罐底間的連接焊縫主要承受內(nèi)壓引起的軸向拉力，焊縫中產(chǎn)生的應(yīng)力以剪應(yīng)力為主。

軸向拉力：F=π(Di/2)2[Pmax]

焊縫截面積：A=π(Di+2S)S

剪應(yīng)力：τ=F/A=(Di/2)2[Pmax]/(Di+2S)S=(6700÷2)2×0.0389÷(6700+2×5.7)÷5.7=11.66MPa

按文獻[3]，并取安全系數(shù)為n=1.5，焊縫系數(shù)為φ=0.6，則許用剪應(yīng)力為：

3.5 罐壁底部不被抬起的最大內(nèi)壓計算

按文獻[4]，當內(nèi)壓產(chǎn)生的舉升力大于罐頂、罐壁及其所支撐的構(gòu)件總重時，貯罐應(yīng)加錨固。故注水修復(fù)時，當作用在罐頂?shù)乃畨寒a(chǎn)生的舉升力等于罐內(nèi)充滿的自然水的重量加上罐頂、罐壁及其所支撐的構(gòu)件組成的重量時，罐底恰好不需要增加錨固。此時作用在罐頂?shù)乃畨簽閇P舉]。

舉升力：F=π(Di/2)2[P舉]=(m1+m2)g；

故：[P舉]=(m1+m2)/π/(Di/2)2=4×(5572+11420 0)×9.8÷3.14÷67002=0.0333MPa；

式中：m1為罐頂、罐壁及其所支撐的構(gòu)件組成的重量，m1=5572kg；

m2為罐內(nèi)充滿的自然水的重量，m2=114200kg

4 修復(fù)過程簡介

通過以上計算，我們在采用注水修復(fù)罐頂時的注水高度范圍為修復(fù)時的灌水高度應(yīng)在0.79-3.33m之間。

修復(fù)時，利用貯罐底部排凈口作為往貯罐內(nèi)加水的注水口，位于貯罐拱頂中心的DN80放空口作為控制注水高度的接口，將貯罐的其它接口用盲板可靠封堵。

考慮到貯罐拱頂弦高為0.733m，為安全和方便安裝起見，控制注水高度的接管準備了三根，長度分別是2m（二端帶法蘭）、0.6m（單端法蘭）和1.3m（單端法蘭）。

注水修復(fù)時，為盡可能排空貯罐內(nèi)的空氣和防止發(fā)生意外，往貯罐內(nèi)注水應(yīng)緩慢進行。

注水修復(fù)過程如下：

（1）注水開始時，先將貯罐拱頂?shù)腄N500人孔蓋打開，在貯罐拱頂?shù)娜丝缀头趴湛诰凶⑷氲乃绯鲋敝疗鋬?nèi)沒有空氣鼓泡時，將人孔蓋復(fù)位。

（2）繼續(xù)注水數(shù)分鐘，觀察放空口再次確認沒有空氣鼓泡后，在放空口裝上2m長的接管。繼續(xù)注水，一邊注意接管出水情況，一邊觀察貯罐拱頂失穩(wěn)凹癟部位變化情況。

（3）在放空口2m長接管上法蘭口持續(xù)出水后，發(fā)現(xiàn)貯罐拱頂失穩(wěn)凹癟部位沒有絲毫變化，故加裝0.6m長接管，繼續(xù)緩慢注水過程中，貯罐拱頂失穩(wěn)凹癟部位開始回彈，當接管頂端接口全部有水溢出后，貯罐拱頂失穩(wěn)凹癟部位已基本回彈如初。如圖2所示。

圖2 修復(fù)后貯罐拱頂形狀

5 結(jié)語

（1）修復(fù)后的貯罐經(jīng)驗收合格后投用，目前運行正常，說明采用貯罐內(nèi)注水靜壓法來修復(fù)常壓貯罐是完全可行的。注水靜壓法施工工期短、操作方便，費用低廉，是一種簡單易行比較理想的修復(fù)方法。在常壓貯罐失穩(wěn)凹癟修復(fù)時，是可以考慮的首選修復(fù)方法。

（2）常壓貯罐的失穩(wěn)凹癟往往是使用不當或操作失誤造成的，其中絕大部分失穩(wěn)凹癟的原因均可歸于“過度出料”，本文中的常壓貯罐失穩(wěn)凹癟就是這種“過度出料”的表現(xiàn)形式之一，因而在設(shè)計、使用和管理上均要引起高度重視。