常壓儲(chǔ)罐改造為氮封儲(chǔ)罐的要點(diǎn)分析

葉超(九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司，江西 九江 332100)

0 引言

鋼制儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存單元儲(chǔ)備原料、油品調(diào)合和成品油運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分，中石化股份公司某煉化分公司儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)罐-404是儲(chǔ)存介質(zhì)為焦化汽柴油的中間原料罐，該罐建造于上世紀(jì)80年代，為常壓固定頂儲(chǔ)罐，其規(guī)格尺寸為φ18 584 mm(直徑)×12 256 mm (罐壁高度)，公稱容量3 000 m3。根據(jù)GB 50160—2008 《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》(2018版)第6.2.2條規(guī)定：儲(chǔ)存甲B、乙A類的液體應(yīng)選用金屬浮艙式浮頂或內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐；當(dāng)單罐容積小于或等于5 000 m3的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐采用易熔材料制作的浮盤(pán)時(shí)，應(yīng)設(shè)置氮?dú)獗Ｗo(hù)等安全措施。同時(shí)SH/T 3007—2014 《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.5條規(guī)定：儲(chǔ)存沸點(diǎn)大于或等于45 ℃或在37.8 ℃時(shí)飽和蒸氣壓不大于88 kPa的甲B、乙A類液體，應(yīng)選用浮頂儲(chǔ)罐或內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐。由于罐-404中的焦化汽柴油為乙A類介質(zhì)，閃點(diǎn)為42 ℃，沸點(diǎn)大于45 ℃，因此，為滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，該罐需增設(shè)內(nèi)浮頂，同時(shí)增加氮封設(shè)施。

集團(tuán)公司安監(jiān)局發(fā)布的“集團(tuán)工單安風(fēng)(2018)38號(hào)”文件第六款第(一)條要求：為防止裝配式鋁合金箱式內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐再次發(fā)生事故，新建儲(chǔ)罐不得采用此結(jié)構(gòu)的內(nèi)浮頂，使用此結(jié)構(gòu)的內(nèi)浮頂在役儲(chǔ)罐應(yīng)制定逐步更換計(jì)劃。為滿足總部“38號(hào)文”要求，增設(shè)的內(nèi)浮頂不應(yīng)采用鋁制箱式。罐-404中的焦化汽柴油含硫量較高，可達(dá)268.5 mg/kg，綜合考慮內(nèi)浮頂對(duì)介質(zhì)的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，與主管處室及油品儲(chǔ)運(yùn)運(yùn)行部會(huì)議討論后最終確定選用“浮筒式不銹鋼制內(nèi)浮頂”。

1 罐體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核

儲(chǔ)罐在正常操作條件下主要承受靜液壓作用，GB 50341—2014 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定碳素鋼和低合金鋼罐罐壁鋼板的許用應(yīng)力是按照材料屈服強(qiáng)度的三分之二確定的，不像壓力容器那樣用抗拉強(qiáng)度作為許用應(yīng)力的控制因素，以新建一臺(tái)3 000 m3儲(chǔ)罐用厚度為12 mm的Q235B鋼板為例，設(shè)計(jì)溫度為20 ℃，在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中的許用應(yīng)力為150 MPa，而在壓力容器設(shè)計(jì)中的許用應(yīng)力為116 MPa，即同樣的鋼材在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中的許用應(yīng)力是壓力容器設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的1.29倍，應(yīng)力水平提高了近30%。從這一例子可以看出即使是常壓情況罐壁中的應(yīng)力也是相當(dāng)高的，而罐-404為舊罐且增加了氮封，因此對(duì)罐壁及罐頂壁厚進(jìn)行校核是十分必要的。

增設(shè)氮封系統(tǒng)后，罐-404的正常操作壓力為0.5 kPa，最大操作壓力為1.8 kPa，最大負(fù)壓為-0.3 kPa?？紤]設(shè)計(jì)余量，確定設(shè)計(jì)壓力為正壓1.96 kPa，負(fù)壓-0.49 kPa。試驗(yàn)壓力為正壓2.2 kPa，負(fù)壓-0.6 kPa。由于該罐正常操作工況為微正壓，且建造年代較早，罐體有不同程度的腐蝕減薄，因此需要根據(jù)測(cè)厚報(bào)告對(duì)罐壁和罐頂進(jìn)行強(qiáng)度校核，以及針對(duì)負(fù)壓對(duì)罐頂進(jìn)行穩(wěn)定性校核。罐壁板及罐頂板實(shí)測(cè)厚度如表1所示。

表1 罐-404定點(diǎn)測(cè)厚報(bào)告

1.1 罐壁的強(qiáng)度校核

根據(jù)GB 50341—2014 《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》，在設(shè)計(jì)條件和試水條件下采用定設(shè)計(jì)點(diǎn)法對(duì)罐壁各帶壁板進(jìn)行強(qiáng)度校核。經(jīng)核算，罐壁在現(xiàn)有厚度情況下能滿足上述兩種條件下的強(qiáng)度要求，不需對(duì)罐壁進(jìn)行相應(yīng)改造。具體核算結(jié)果如表2所示。

表2 罐-404罐壁校核

需要強(qiáng)調(diào)的是，儲(chǔ)罐從原常壓到加氮封后的微正壓，且壁板腐蝕后重量會(huì)有所減輕，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，用軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)特別注意：

(1) 內(nèi)壓產(chǎn)生的舉升力是否大于罐壁、罐頂及其所支撐構(gòu)件的總重，若舉升力大于上述總重，則會(huì)引起罐體提離，這時(shí)應(yīng)按GB 50341—2014第11.2條對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和儲(chǔ)罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)向土建專業(yè)提出委托條件要求其對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行埋設(shè)膨脹螺栓等適應(yīng)性改造。

(2) 設(shè)計(jì)內(nèi)壓引起的傾覆彎矩和水平與垂直風(fēng)力引起的傾覆彎矩導(dǎo)致罐不穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)要求同樣要設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)。

(3) 由于儲(chǔ)罐運(yùn)行多年，罐體會(huì)有不同程度的減薄，從而導(dǎo)致罐壁筒體許用臨界應(yīng)力[Pcr]減小，計(jì)算結(jié)果如果需要設(shè)置中間抗風(fēng)圈，則應(yīng)按照GB 50341—2014第6.3.4條在當(dāng)量筒體位置上設(shè)置中間抗風(fēng)圈。

1.2 罐頂?shù)膹?qiáng)度和穩(wěn)定性校核

定點(diǎn)測(cè)厚報(bào)告顯示，罐頂腐蝕較嚴(yán)重，這與外部空氣、水蒸氣不斷進(jìn)入罐內(nèi)有很大關(guān)系，而介質(zhì)的硫含量又較高，蒸發(fā)后頂部形成氣象空間與空氣中的O2和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致腐蝕減薄，尤其罐頂東面出現(xiàn)了大面積腐蝕性穿孔。增加氮封系統(tǒng)后，罐頂又新增了兩個(gè)DN200的呼吸閥和一個(gè)DN600的緊急泄放人孔，每個(gè)呼吸閥和緊急泄壓人孔的重量均在200 kg以上，造成較大的集中載荷，更換罐頂已經(jīng)勢(shì)在必行。罐-404的內(nèi)徑為φ18 584 mm，該值大于12 m且小于40 m，所以采用常規(guī)的帶肋球殼自支撐拱頂即可。更換的罐頂應(yīng)滿足以下四點(diǎn)要求：

(1) 通過(guò)計(jì)算，罐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)具有承受內(nèi)壓的強(qiáng)度和承受負(fù)壓的穩(wěn)定性的能力。

(2) 罐頂帶肋球殼的肋條布置要避免與安裝管口的開(kāi)孔相碰，當(dāng)不能滿足開(kāi)孔與罐頂焊縫之間的距離規(guī)定時(shí)，需與儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)協(xié)商適當(dāng)調(diào)整開(kāi)孔方位。

(3) 罐頂上設(shè)置的呼吸閥和緊急泄放裝置較重，必須核算該位置的局部應(yīng)力，沒(méi)有分析設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位可利用SW6計(jì)算軟件中的“零部件設(shè)計(jì)”建立簡(jiǎn)單模型計(jì)算局部應(yīng)力，若局部應(yīng)力大于罐頂板材的許用應(yīng)力，則應(yīng)采取罐頂板局部增厚或(和)增設(shè)內(nèi)(外)加強(qiáng)筋來(lái)降低局部應(yīng)力以滿足計(jì)算要求。該局部應(yīng)力的核算非常重要，某園區(qū)化工企業(yè)就有在利舊的儲(chǔ)罐罐頂盲目增加靜載荷較大的呼吸閥而導(dǎo)致局部凹陷的案例。

(4) 增加氮封系統(tǒng)后，更換的罐頂與原罐壁包邊角鋼相焊仍需采用弱連接(如圖1所示)。首先氮封的微正壓并沒(méi)有超過(guò)原設(shè)計(jì)壓力，這種單面焊結(jié)構(gòu)能滿足強(qiáng)度要求，其次如果罐外遇到意外情況使內(nèi)部壓力迅速升高時(shí)會(huì)在單面角焊縫處首先撕裂，罐內(nèi)壓力得以釋放，保護(hù)了罐體。

圖1 罐頂與罐壁采用的弱連接結(jié)構(gòu)

2 內(nèi)浮頂設(shè)計(jì)、制造要點(diǎn)

2.1 確定內(nèi)浮頂密封圈系統(tǒng)

儲(chǔ)罐的密封圈系統(tǒng)安裝于浮頂與罐壁之間的間隙處，它可以確保浮頂在運(yùn)行中與罐壁間隙發(fā)生變化時(shí)有良好的密封，是內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐重要的密封組件。內(nèi)浮頂?shù)囊淮蚊芊饪刹捎靡韵滦褪交蚱渌玫男褪絒1]：(1)軟泡沫橡膠包帶式密封；(2)充液管式密封；(3)彈性材料制成的舌型密封。不同型式的密封費(fèi)用差別較大。

從表1各帶罐壁內(nèi)徑可以看出，最下端罐壁內(nèi)徑最大，越往上罐壁直徑越小，所以罐-404為搭接罐。加上施工或地基不均勻沉降引起變形，罐壁個(gè)點(diǎn)到罐中心的距離可能差別較大，因此不能按罐的公稱直徑來(lái)確定內(nèi)浮頂直徑[2]。按最苛刻條件考慮，內(nèi)浮頂在最低位時(shí)邊緣構(gòu)件處于第一帶壁板位置，此時(shí)罐內(nèi)徑為18 584 mm，內(nèi)浮頂處于最高位時(shí)邊緣板所在的罐壁內(nèi)徑為18 468 mm，最高位與最低位的半徑方向差值為58 mm。為了能彌補(bǔ)罐壁半徑方向的差值同時(shí)又能起到密封作用，不能采用高效大補(bǔ)償密封結(jié)構(gòu)，而要采用彈性材料制作的密封，如軟泡沫橡膠包帶式密封(材質(zhì)為丁晴橡膠)，這種型式的密封彈性大，既可實(shí)現(xiàn)浮頂與罐壁間的間隙發(fā)生變化時(shí)有良好的密封效果，又能同時(shí)保證浮頂在儲(chǔ)罐內(nèi)升降自如而不被卡住，從而減少儲(chǔ)液蒸發(fā)損耗。丁晴橡膠的壓縮比為0.35～0.9，通過(guò)試算，將邊緣構(gòu)件的外緣與第一帶板內(nèi)壁的距離取184 mm，則內(nèi)浮頂運(yùn)行至最高位時(shí)與罐內(nèi)壁的距離為126 mm，此時(shí)密封塊在自由狀態(tài)下的寬度取220 mm，那么它的壓縮范圍在77～198 mm之間，所以184 mm的間距既能滿足密封要求又符合密封元件自身的壓縮安全。經(jīng)與內(nèi)浮頂供應(yīng)廠家溝通，這樣的取值是合適的，因此，本罐內(nèi)浮頂邊緣構(gòu)件的直徑取18 584-184=18 400 mm。

根據(jù)用戶要求，本項(xiàng)目在一次密封上部增加了二次密封，二次密封采用了同樣材質(zhì)的丁晴橡膠制成舌形密封。因此本內(nèi)浮頂密封圈系統(tǒng)為一次軟泡沫橡膠包帶式密封附加二次舌形密封，具體結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

圖2 內(nèi)浮頂密封圈系統(tǒng)

2.2 主梁和防旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)、制造要點(diǎn)

主梁是構(gòu)成內(nèi)浮頂主體框架的主要元件，它與起輔助作用的副梁一起構(gòu)成內(nèi)浮頂骨架，所以它的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)直接影響整個(gè)內(nèi)浮頂?shù)膹?qiáng)度和剛度，它也是除密封圈系統(tǒng)外影響整個(gè)內(nèi)浮頂密封效果的關(guān)鍵元件。本項(xiàng)目不銹鋼制內(nèi)浮頂主梁的上表面要求采用弧形結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)與鋁制內(nèi)浮頂?shù)闹髁阂笠恢拢淠康耐瑯邮菫榱嗽龃笈c蓋板的接觸面積，保證更好的密封效果。在詢比價(jià)過(guò)程中少數(shù)廠家反應(yīng)不銹鋼制型材硬度大，不像鋁合金型材那樣表面容易加工成弧形，通過(guò)咨詢、了解，大多數(shù)廠家是能夠做到的。

防旋轉(zhuǎn)裝置作為內(nèi)浮頂?shù)囊粋€(gè)重要附件之一，作用是不可替代的，它一旦產(chǎn)生傾斜，對(duì)浮筒式內(nèi)浮頂?shù)奈：艽?，因?yàn)楦⊥彩絻?nèi)浮頂較鋼制單盤(pán)或雙盤(pán)式等內(nèi)浮頂強(qiáng)度相對(duì)較弱，所以防旋轉(zhuǎn)裝置較其他型式的內(nèi)浮頂更重要一些。本項(xiàng)目罐-404新增了一個(gè)雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波管，在詢比價(jià)過(guò)程中有的供貨商建議在該導(dǎo)波管處通過(guò)設(shè)置滾輪導(dǎo)向裝置以減少一套防旋轉(zhuǎn)裝置，這樣可以進(jìn)一步控制成本。個(gè)人認(rèn)為是不可行的，一是防旋轉(zhuǎn)裝置一般設(shè)置在邊緣，這樣可增大反力矩，更有效地防止浮頂旋轉(zhuǎn)及傾斜，而罐-404的導(dǎo)波管離罐壁較遠(yuǎn)；二是雷達(dá)液位計(jì)作為儀表元件其自身的安裝精度、測(cè)量精度都很高，若將此導(dǎo)波管作為防旋轉(zhuǎn)裝置使用，勢(shì)必影響雷達(dá)液位計(jì)的安全運(yùn)行和測(cè)量精度。最終主管部門(mén)采納了本人的意見(jiàn)。

3 罐體及內(nèi)浮頂施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 罐體施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1.1 通氣孔的改造

罐-404原為拱頂罐，罐壁有6個(gè)環(huán)向通氣孔，罐頂中心有1個(gè)通氣口。在以往的項(xiàng)目中，因增加了氮封，常會(huì)將通氣孔(口)進(jìn)行焊接封死，但這樣處理存在氮?dú)忾L(zhǎng)時(shí)間停用后安全風(fēng)險(xiǎn)較大的缺點(diǎn)，因此本項(xiàng)目將通氣孔(口)的封堵方式采用了可拆卸方式，以便氮?dú)馔Ｖ故褂煤竽芗皶r(shí)將儲(chǔ)罐恢復(fù)為一般的內(nèi)浮頂方式運(yùn)行，提高儲(chǔ)罐的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

3.1.2 罐壁橢圓度的校正與內(nèi)防腐處理

儲(chǔ)罐在制造及使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)使罐壁產(chǎn)生凹凸變形。原罐體內(nèi)防腐涂料也產(chǎn)生了不同程度的脫落并可能返銹，因此施工時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1) 應(yīng)保證罐壁相對(duì)罐底的垂直度不能大于5‰，罐壁橢圓度不能大于30 mm，否則應(yīng)對(duì)罐壁進(jìn)行局部的修補(bǔ)，并進(jìn)行橢圓度修正處理，以滿足要求。

(2) 由于原罐內(nèi)壁的環(huán)焊縫為搭接焊縫且未經(jīng)過(guò)處理，壁板之間的焊縫存在焊疤和毛刺，當(dāng)這些焊疤和焊瘤超過(guò)規(guī)范要求時(shí)，會(huì)影響內(nèi)浮頂?shù)拿芊庑Ч踔凉蝹麖椥悦芊饧?，所以?yīng)保證焊縫余高不超過(guò)1 mm，并將表面打磨圓滑。之后對(duì)整個(gè)罐壁及更換后的罐頂重新進(jìn)行徹底的噴砂除銹，達(dá)到內(nèi)防腐涂料所需的粗糙度要求。

3.2 內(nèi)浮頂施工技術(shù)要點(diǎn)

舊罐改造大多是在儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)內(nèi)進(jìn)行施工，因此要求盡可能的少動(dòng)火，采用浮筒式內(nèi)浮頂能夠滿足且非常適應(yīng)舊罐改造的要求。儲(chǔ)罐改造完畢并經(jīng)充水試驗(yàn)、防腐工程完成后，再進(jìn)行內(nèi)浮頂組裝。組裝時(shí)應(yīng)將浮頂組件通過(guò)原罐壁人孔運(yùn)送并盡量就近擺放到該部件安裝位置的底板上。一定要按施工的順序運(yùn)送，運(yùn)多會(huì)占據(jù)施工空間和使材料受到損壞[3]。待找出罐的中心線并對(duì)內(nèi)浮頂進(jìn)行定位后，再按照施工說(shuō)明書(shū)的要求安裝邊緣構(gòu)件和邊緣支柱，接著安裝骨架、內(nèi)部支柱和蓋板，最后安裝導(dǎo)向及防旋轉(zhuǎn)、靜電導(dǎo)出裝置等附件。全部安裝完畢后將內(nèi)浮頂頂部和罐底的余料、垃圾等清掃干凈。

4 結(jié)語(yǔ)

改造后的罐-404順利驗(yàn)收并已投入使用，說(shuō)明把這種罐壁為搭接結(jié)構(gòu)的舊拱頂罐改造成增設(shè)氮封系統(tǒng)的內(nèi)浮頂罐是完全可行的。重點(diǎn)在于先對(duì)罐體進(jìn)行核算并進(jìn)行適應(yīng)性改造，然后確定浮筒式內(nèi)浮頂?shù)闹睆竭@一關(guān)鍵參數(shù)，并控制好施工、安裝質(zhì)量，以滿足增加氮封系統(tǒng)的要求。使儲(chǔ)罐在改造后的現(xiàn)實(shí)效益和經(jīng)濟(jì)效益得到充分發(fā)揮，這樣既滿足了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，又保證了改造儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行。