含氟鹽酸儲罐吸癟修復(fù)及日常操作

陳先進(jìn) 黃挺秀 劉 輝 張靜天 歐陽旭

（浙江化工院科技有限公司，浙江 紹興 312369）

生產(chǎn)技術(shù)

含氟鹽酸儲罐吸癟修復(fù)及日常操作

陳先進(jìn) 黃挺秀 劉 輝 張靜天 歐陽旭

（浙江化工院科技有限公司，浙江 紹興 312369）

介紹了立式鹽酸儲槽吸癟原因及注水法修復(fù)過程。從理論上分析了采用注水加壓法修復(fù)吸癟儲罐的可能性，對立式鹽酸儲槽進(jìn)行了強(qiáng)度核算，提出了系統(tǒng)的修復(fù)方案、操作流程、儲罐吸癟的預(yù)防措施以及日常使用及注意事項,在實踐中取得了較好效果。

鹽酸儲罐；吸癟；修復(fù)；注水加壓

在有機(jī)氟化工生產(chǎn)過程中多采用鹵代烷氟化制備氟代烷，副產(chǎn)物廢酸中含大量F離子。相對于普通酸類物質(zhì)，含氟廢酸的儲運(yùn)不可使用普通玻璃鋼類材質(zhì)儲罐，而必須采用PE/PO等特殊內(nèi)襯的儲槽，以防止儲罐腐蝕。此類儲罐一般罐頂、罐壁較薄，設(shè)計壓力普遍較低，不耐負(fù)壓，在頻繁使用過程中極易因晝夜溫差過大、呼吸閥阻塞或者操作不當(dāng)而出現(xiàn)失穩(wěn)吸癟現(xiàn)象。中化藍(lán)天基地4#立式拱頂鹽酸 （含F(xiàn)酸）儲罐，因設(shè)備和操作失誤致使罐內(nèi)負(fù)壓過大，儲罐筒體部分癟陷。現(xiàn)以此儲罐為例，探討此類儲罐的修復(fù)問題及預(yù)防罐體失穩(wěn)措施，為儲罐的安全運(yùn)行提供理論支撐。

1 吸癟原因

儲罐總高12.66 m,其中直筒部分高11.5 m,罐體直徑為4.5 m，罐體由兩段變截面罐壁組成（自下而上0～3.6 m段壁厚12 mm，3.6 m～11.5 m段壁厚10 mm），罐頂為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，壁厚10 mm。設(shè)備材質(zhì)為Q235B，內(nèi)襯厚度為18 mm的PE。

灌區(qū)鹽酸儲槽因單吸閥阻塞且無壓力監(jiān)控裝置，在連續(xù)出酸過程中因操作不當(dāng)產(chǎn)生負(fù)壓，造成儲罐"吸癟"。罐體共有3處較大凹陷，東、北方向兩處凹陷情況相似，凹痕大致與地面平行，西面凹痕呈Z字形。其中北面凹陷最嚴(yán)重（凹陷深度約400 mm）。

儲罐全容積193 m3，操作容積172 m3，設(shè)計壓力及最高工作壓力均為常壓，設(shè)計溫度-10℃～90℃，儲存介質(zhì)為鹽酸。

2 臨界壓力

該儲罐凹陷均發(fā)生在筒體部分。筒體可認(rèn)為是薄壁短圓筒。由于筒體為變截面壁，應(yīng)先求得其當(dāng)量高度。根據(jù)英國BS2654方法[1]計算出筒體的當(dāng)量高度為10.18 m，計算公式如下：

式中：

h：折算前筒節(jié)高度，m；

tmin：最小罐壁厚度，mm；

t：目標(biāo)筒節(jié)罐壁厚度，mm；

He：對應(yīng)筒節(jié)的當(dāng)量高度，m；

薄壁短圓筒在外力作用下的臨界壓力計算式：

式中：E：材料的彈性模量，Pa；

tmin：最小罐壁厚度，mm；

D0：筒體外徑，mm；

HE：當(dāng)量高度，mm；

Q235B在常溫下的彈性模量為200×103MPa，計算得Pcr=52.95 kPa，即罐體在大于52.95 kPa的真空度下就會失穩(wěn)。可見，操作不當(dāng)引起罐內(nèi)負(fù)壓過大，會導(dǎo)致罐體吸癟。

3 修復(fù)方法及可行性分析

儲罐罐壁的修復(fù)方法[2]主要有三種：機(jī)械法、充氣加壓法和注水加壓法[3-4]。機(jī)械法施工難度大，工期長，耗費多。而充氣和注水法較為簡單經(jīng)濟(jì)。相對充氣法而言，注水加壓法不僅能起到檢漏的作用，而且可抑制罐底板上翹變形。采用注水加壓法之前，要先進(jìn)行可行性分析和強(qiáng)度校核。

儲罐共有三處凹陷，其中北面凹陷最為嚴(yán)重，取其為研究對象。北面凹陷可簡化為如圖2所示的菱形結(jié)構(gòu)。

3.1 靜水壓計算

將水加至直筒上沿，該凹陷處受到的平均靜水壓P靜可表示為：

式中：tanα1=OB/OL

tanα2=OB/OL

ρ：水的密度，kg/m3；

g：當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋琺/s2；

求得：P靜=40.84 kPa。

3.2 凹陷回彈所需壓力計算

假定罐壁具有理想塑性，罐壁凹陷的角度從根部到AB處呈線性變化關(guān)系，則產(chǎn)生的塑性功為：WF=πσS·t2·h·sec2α/8

式中：σS：罐壁材料的屈服應(yīng)力，MPa；

t：凹陷處材料厚度，m；

h：凹陷深度，m；

對于AB處以下部分：Sec2α1=1+tan2α1=1.072

對于AB處以上部分：Sec2α2=1+tan2α2=1.340

Q235B鋼板的σS為2.00×105MPa，厚度10 mm；PE內(nèi)襯的σS為1.07×103MPa，厚度18 mm，則AB以下部分的塑性功WF1為兩種材料產(chǎn)生的塑性功WF1'、WF1"之和。

求得：WF1=5.56×104N·m WF2=3.21×104N·m皺折長度y的求取：

則y1=3.30 m3

y2=1.53 m3

P1=WF1/y1=16.85 kPa

P2=WF2/y2=20.98 kPa

Pt=P1+P2=37.83 kPa

由計算結(jié)果可知：P靜＞Pt且P靜＞Pcr，因此只要將儲罐加滿水，水的靜壓力就可以使罐壁凹陷回彈。

4 強(qiáng)度校核

鹽酸儲槽頂部為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭[5-7]，壁厚10 mm，強(qiáng)度大于管壁。罐底為平底結(jié)構(gòu)但底下有交叉固定鋼條滿焊為支撐，強(qiáng)度足以抵抗上舉內(nèi)壓力。因此,該儲罐的最薄弱環(huán)節(jié)為罐壁。

根據(jù)內(nèi)壓薄壁圓筒殼的強(qiáng)度計算公式：

式中：δe=t－C1－C2，（對于本例，C1=0.55 mm，C2=0）；

[σ]t：許用應(yīng)力，113 MPa；

φ：焊縫系數(shù)，0.7；

Di：圓筒的中徑。

對于t=10 mm部分，計算得pw1=0.331 MPa。

對于t=12 mm部分，計算得pw2=0.400 MPa。

貯槽總高12.66 m，若注滿水，罐壁底部壓力為0.124 MPa，罐壁變截面處壓力為0.095 MPa。因此，罐壁最薄弱處位于變截面處，當(dāng)注滿水后繼續(xù)加壓0.236 MPa，該點即有可能失穩(wěn)。

5 注水加壓修復(fù)步驟

通過理論計算得知，注滿水即可使凹陷處回彈。但由于凹陷較深，并且已經(jīng)形成折痕，是否能完全回彈還不得知。因此，在修復(fù)前準(zhǔn)備了一套注水加壓系統(tǒng)，具體流程如圖3所示。如果回彈狀況不理想，可通過水泵往鹽酸儲罐內(nèi)加水，在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)提高儲罐內(nèi)壓力，使凹陷進(jìn)一步回彈。

修復(fù)操作流程如下：先進(jìn)行罐內(nèi)清洗，使其達(dá)到動火要求。再從罐頂往罐內(nèi)加水。當(dāng)水位達(dá)到9.6 m的時候，西面凹陷部分彈出。繼續(xù)加水，幾處凹陷也陸續(xù)彈出。注滿水后，西面凹陷已完全彈出，北面和東面的凹痕處還有部分未復(fù)位。

關(guān)閉頂孔和呼吸閥，使儲罐處于密閉狀態(tài)，從底部往里緩慢注水加壓。當(dāng)加壓至罐頂表壓42 kPa時，罐體已基本復(fù)原，具體如圖4所示。保壓2 h后放水泄壓。修復(fù)后的儲罐各部位情況良好，焊縫、內(nèi)襯均完好無破裂，保壓過程中壓力未降低。

6 儲罐操作要點

儲罐在日常使用過程中不僅要注意操作安全，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，還要注意環(huán)境保護(hù)，防止鹽酸等有毒有害氣體進(jìn)入大氣，因此在灌區(qū)增設(shè)尾氣吸收系統(tǒng)（如圖5）。在進(jìn)料過程中操作步驟如下：

（1）開啟進(jìn)尾氣系統(tǒng)閥門、水洗塔頂放空閥；

（2）開啟水洗塔電機(jī)，啟用噴淋；

（3）開啟鹽酸進(jìn)料閥門進(jìn)料，密切關(guān)注罐體壓力及液位變化，安全進(jìn)料。

出料過程中，若真空呼吸閥堵塞、空罐或罐內(nèi)液位偏低時,罐內(nèi)易形成負(fù)壓，導(dǎo)致罐體失穩(wěn)發(fā)生吸癟現(xiàn)象，適宜的操作步驟為：

（1）開啟槽車與尾氣系統(tǒng)聯(lián)接閥門、出料循環(huán)管閥門；

（2）開啟水洗塔電機(jī),啟用噴淋;

（3）接通壓力聯(lián)鎖控制開關(guān)，開啟出料鹽酸泵，開始出料。密切關(guān)注罐體壓力及液位變化，安全出料。

綜上所述儲罐在日常操作過程中，應(yīng)定期檢查儲罐真空呼吸閥、壓力監(jiān)控器、液位計等安全附件是否靈敏好用,嚴(yán)格遵守操作規(guī)程,認(rèn)真巡檢，以保證儲罐正常工作運(yùn)行。

7 小結(jié)

（1）出料過程中罐內(nèi)形成較大的真空是引起本事故主要原因。采用注水法修復(fù)吸癟儲罐在理論上具有一定可行性。當(dāng)儲罐加滿水時P靜＞Pt且P靜＞Pcr，水的靜壓力完全可以使罐壁凹陷回彈。計算結(jié)果與實踐情況十分吻合，儲罐修復(fù)完全達(dá)到預(yù)期效果。

（2）儲罐日常使用過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，認(rèn)真巡檢，密切注意儲罐內(nèi)液位、壓力變化，保證安全附件的正常工作，預(yù)防儲罐失穩(wěn)現(xiàn)象。

[1]潘家華,郭光臣.油罐及管道強(qiáng)度設(shè)計[M].北京:石油工業(yè)出版社,1986.

[2]阮紫青.大型貯槽吸癟原因分析及修復(fù)[J].化工生產(chǎn)與技術(shù),1995,5(1):23-27.

[3]劉慶宏.大型拱頂油罐抽癟后的修復(fù)[J].油氣儲運(yùn), 2001,20(5):37-40.

[4]靳永娥,蔣曉紅.油罐罐頂凹陷的原因分析[J].油氣儲運(yùn),1999,18(3):61-63,67.

[5]徐松遠(yuǎn).用盛水壓力法修復(fù)凹癟變形的儲罐[J].石油化工設(shè)備,1994,23(1):30-32.

[6]楊旭輝,李育德,張曉凌.儲罐罐壁抽癟后的修復(fù)[J].石油化工設(shè)備,2008,37(6):84-86.

[7]王豐.立式拱頂油罐吸癟修復(fù)的理論分析與實踐[J].油氣儲運(yùn),1993.12(1):45-52.

Restoration of Sinkaged or Collapsed Tank Containing Fluoride ion Hydrochloric Acid and its Daily Operation

CHEN Xian-jin,HUANG Ting-xiu,LIU Hui，ZHANG Jing-tian,OU YANG-Xu
(Zhejiang Chemical Industry Istitute Technology Co.,Ltd.Shaoxing,Zhejiang 312369,China)

The reason and restoration method of shell sinkaged/collapsed tank were recommended.The possibility of repair the tank by injecting water was studied theoretically and the tank strength,operation process and prevention measures were represented.The water injection method was proved to be feasible for large storage tank restoration and the daily operation rules were applied successfully in practice.

hydrochloric acid tank;sinkaged;collapsed;restoration

1006-4184（2012）07-0030-04

2012-03-28

陳先進(jìn)(1981-)，男，工程師，浙江蒼南人，從事含氟化學(xué)品的開發(fā)和工業(yè)放大研究工作。