常壓碳鋼儲罐錐頂負壓失穩(wěn)的修復(fù)

孟愛華

（南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南京 210048）

常壓碳鋼儲罐錐頂負壓失穩(wěn)的修復(fù)

孟愛華

（南京化學(xué)工業(yè)有限公司，江蘇 南京 210048）

70m3物料中間罐錐頂由于外壓失穩(wěn)造成局部抽癟變形，分析失穩(wěn)產(chǎn)生原因，對儲罐進行強度校核，文章提出注水加壓法修復(fù)方案并對失穩(wěn)部位進行了修復(fù)。

錐頂儲罐；失穩(wěn)修復(fù)；注水加壓法

1 概況

常壓碳鋼立式儲罐結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝、維修方便，被廣泛的應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)中原料或反應(yīng)中間產(chǎn)物的儲存。立式圓筒形儲罐設(shè)計壓力一般為常壓或微正壓，由于呼吸閥堵塞或違章操作等原因經(jīng)常會造成常壓儲罐的負壓失穩(wěn)，對企業(yè)的安全和清潔生產(chǎn)產(chǎn)生隱患，影響生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

1.1 情況介紹

2013年8月，某公司一裝置的一臺70m3的物料中間罐錐頂由于負壓失穩(wěn)造成局部抽癟變形，由于貯存物料易燃，揮發(fā)氣味特殊，易造成安全環(huán)保事故，撤出物料，停止使用此設(shè)備。

設(shè)備規(guī)格：Φ4400×5627×10，體積 70m3，設(shè)計壓力常壓，工作溫度80°C，材質(zhì)Q235-B。

1.2 工藝流程及失穩(wěn)原因分析（見圖1）

圖1 工藝流程及失穩(wěn)原因分析

苯胺等原料進入反應(yīng)釜反應(yīng)后，物料經(jīng)溢流口進入縮合液儲罐。

反應(yīng)釜容積14m3，反應(yīng)壓力小于0.02MPa，縮合反應(yīng)釜真空泵抽氣量720m3/h?？s合液罐內(nèi)液位不低于2000mm，罐頂表壓小于1Kpa，開工時，需保持放料管充滿液柱后進行正常采出。開車時由于操作失誤，造成罐頂西北方向負壓失穩(wěn)抽癟，上部連接管道及欄桿變形。

2 罐頂修復(fù)方案選擇

罐頂修復(fù)方案一般有兩種，一種是機械修復(fù)法，即將失穩(wěn)部分進行切割更換或罐頂整體更換，但該儲罐儲存物質(zhì)為苯胺、二硝基苯胺等有機化合物，不易清洗置換，易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故且清洗產(chǎn)生廢水也難于生化處理。另一種方法是采用注水加壓修復(fù)，即利用內(nèi)部充壓方法將貯罐失穩(wěn)的部分恢復(fù)到原始狀態(tài)，該辦法操作簡單，費用低，但面臨的最大問題是控制好壓力，儲罐一旦超壓，整個貯罐有開裂的風(fēng)險，操作中必須進行嚴(yán)格的計算和控制，否則易導(dǎo)致安全環(huán)保事故的發(fā)生。根據(jù)實際情況，經(jīng)討論筆者決定采用注水加壓法修復(fù)。

3 內(nèi)壓法修復(fù)方案理論計算

3.1 罐底抬離基礎(chǔ)表面升力計算

該儲罐為平底，底部無地角螺栓，在加壓的過程中由于內(nèi)壓的作用，貯罐底板有逐漸抬離基礎(chǔ)表面的可能，需要計算罐壁底部不被抬起的最大允許內(nèi)壓。

式中：

Pmax—罐底板不被抬起的最大允許內(nèi)壓，Pa

Q—罐頂、罐壁及頂部部件、保溫的質(zhì)量，Kg

D—罐體內(nèi)直徑，m

Pmax=12.5×Q/D2=12.5×6900/4.42=4455Pa

根據(jù)計算結(jié)果，在注壓過程中，當(dāng)罐內(nèi)的壓力大于4455Pa時，儲罐底部將有可能逐漸抬離基礎(chǔ)表面，引起儲罐底板變形。

3.2 進行強度核算

使抗壓環(huán)截面的應(yīng)力達到鋼材屈服點時的內(nèi)壓，定義為破壞應(yīng)力，此種罐頂結(jié)構(gòu)受內(nèi)壓的圓筒形儲罐強度最薄弱之處在于罐壁與罐頂蓋的連接處，如圖2所示。

圖2 強度核算

式中：

Pf—破壞壓力，Pa。

A—罐頂與罐壁連接處的有效面積（包邊角鋼截面積加上與其相連的罐壁和罐頂板各16倍范圍內(nèi)的截面積之和），mm2

g—重力加速度，m/s2。

t—罐頂板厚度，mm。

經(jīng)計算，該罐的破壞壓力為49476Pa，遠大于3.1中的升力的計算，因此，在注水升壓修復(fù)過程中，升壓不允許超過破壞壓力49476Pa，且壓力超過罐底板不被抬起的最大允許內(nèi)壓4455Pa時密切觀察罐底板的變化情況。

3.3 計算充壓前的預(yù)注水量

考慮到罐體內(nèi)液體介質(zhì)保持一定的液位可以使罐底板受壓，減少罐底板變形的可能，增加充壓過程的安全性，但若注水量太多，罐頂部的氣相空間較小，壓力可能達不到要求，無法使變形部分恢復(fù)；預(yù)注水量太少，儲罐內(nèi)的貯存氣體太多，加壓過程中積累的能量較大，罐底板變形的可能性增大。

將罐內(nèi)的預(yù)注水的高度設(shè)置為罐內(nèi)高度的30%，即1.7m處進行核算，根據(jù)克拉-珀龍方程

式中：

P1—充壓前罐內(nèi)初始壓力，為大氣壓力P1=101325Pa

V1—充壓前罐內(nèi)氣相體積，當(dāng)罐內(nèi)液位高度為1.7m時，V1=44.15m3

P2—充壓后罐內(nèi)的氣相壓力，P2=P1+IP，Pa

V2—充壓后罐內(nèi)的氣相體積，V2=V1-IV，

IP—充壓前后罐內(nèi)壓力的變化值，Pa

IV—充壓前后罐內(nèi)氣相體積變化值，

在氣相壓力小于罐底不被抬起的Pmax=4455Pa及破壞壓力Pf=49476Pa條件下，計算如下：

由計算可知，充壓過程中液位上升的最大高度僅為950mm以下，即可以使罐內(nèi)的氣相達到破壞的臨界壓力。預(yù)注水產(chǎn)生的靜壓17.22kpa，由此可知充壓前預(yù)裝30%的液位的高度是合理的。

4 準(zhǔn)備工作

（1）對罐內(nèi)物料進行倒罐處理，用水清洗一遍。

（2）罐內(nèi)壓力遠程儀表量程由10KPa調(diào)整為100KPa。

（3）將儲罐與外界連接的管道隔斷，只保留排氣管道，呼吸閥加裝盲板。

（4）制定儲罐修復(fù)方案，包括安全、環(huán)保應(yīng)急預(yù)案，明確責(zé)任人，對參與人員進行培訓(xùn)，準(zhǔn)備好無線通訊對講機。

5 操作過程

（1）儲罐周圍區(qū)域設(shè)置警戒區(qū)域。

（2）DCS室安排一名人員，負責(zé)觀察記錄儲罐壓力、液位數(shù)據(jù)變化情況，二樓安排一名人員負責(zé)向儲罐內(nèi)注水，施工負責(zé)人等相關(guān)人員在儲罐現(xiàn)場附近指揮操作，觀察儲罐的罐頂、罐底板變化情況。

（3）利用高度差，將縮合液罐內(nèi)的水位注入到液位顯示30%處，安裝盲板封閉排氣通道，防止罐內(nèi)氣體泄漏。

（4）向罐內(nèi)緩慢加水充壓，注意DCS中儲罐的壓力和液位的讀數(shù)變化，觀察罐壁、罐頂及罐底的動態(tài)。

液位由30%升到44.1%，絕壓8.2KPa，液位升到52.8%，絕壓才達到10.5KPa，經(jīng)計算壓力應(yīng)為52KPa，根據(jù)計算結(jié)果判斷有漏點，檢查消除漏點，繼續(xù)注水到液位57.9%，絕壓23.2KPa，失穩(wěn)部位鼓起1次，因容積的變化，絕壓數(shù)值顯示有少許下降。繼續(xù)緩慢注水，絕壓最大值27.8KPa，失穩(wěn)部位又經(jīng)過2次鼓起，罐頂恢復(fù)基本到位，停止加水。絕壓下降為27.1KPa，液位59.03%，保壓1小時后絕壓為27.0KPa，未明顯泄漏，通過排氣管道緩慢泄壓到常壓，恢復(fù)管道連接，罐內(nèi)水輸送到廢水處理裝置進行處理。

每鼓起一次，液位都有所變化，分析原因為采用儲罐頂雷達液位計顯示液位，罐頂恢復(fù)過程中產(chǎn)生影響。

升壓加水高度為1451.5mm，排除開始注水時氣體泄漏的影響，經(jīng)計算實際注水高度為625mm進行升壓即可基本修復(fù)失穩(wěn)部位，實際升壓值低于計算破壞壓力34%。

6 結(jié)語

采用注水充壓的方法修復(fù)負壓失穩(wěn)常壓儲罐罐頂，時間短，費用低，操作方法簡單，且能夠做到安全、環(huán)保。通過加強工藝改進措施和操作，避免罐內(nèi)產(chǎn)生負壓，修復(fù)后設(shè)備使用至今，運行良好。

[1] SH3046-1992《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范》.

[2]潘俊.大型平底儲罐失穩(wěn)后的修復(fù)[J].云南化工，2015，40（6）：70-71.

[3]焦振忠.常壓鋼制固定頂蓋式儲罐失穩(wěn)分析及對策[J].化工勞動保，安全、健康和環(huán)境，1999（1）：12.

Repair of negative pressure instability of cone top of atmospheric carbon steel tank

Meng Aihua
(Nanjing Chemical Industry Co., Ltd., Nanjing 210048, China)

Due to the instability of external pressure caused by the external pressure instability, the middle part of the cone cone of 70m3material can be used to analyze the causes of instability, and to check the strength of the tank

cone roof tank; unstable repair; water injection pressurization method

孟愛華（1967— ），男，專科，工程師；研究方向：化工設(shè)備運行管理工作。