箱式內(nèi)浮盤失效原因分析與改進研究

張玉平

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室,山東青島 266071)

內(nèi)浮盤是漂浮在儲罐液面上、隨儲存介質(zhì)上下升降的浮動頂蓋，其主要作用是抑制和減少罐內(nèi)介質(zhì)的揮發(fā)[1]。箱式浮盤作為內(nèi)浮盤技術(shù)中的一種，全稱為“箱式鋁合金裝配式內(nèi)浮盤”。

箱式浮盤由于與儲存介質(zhì)之間不存在油氣空間，相比浮筒式浮盤，它能夠更好地抑制儲存介質(zhì)揮發(fā)。因此，箱式浮盤在儲存介質(zhì)為毒性的儲罐當中應用較多。

2018年，某石化廠一臺儲存苯介質(zhì)的內(nèi)浮頂儲罐在進行檢修作業(yè)時，引燃罐內(nèi)殘余的苯介質(zhì)導致儲罐發(fā)生閃爆事故，而事故儲罐所用內(nèi)浮頂采用的正是箱式浮盤。本文針對此次事故所用箱式浮盤的失效原因進行分析，并提出了箱式浮盤改進的相關(guān)意見和建議。

1 事故簡介

1.1 事故過程

某企業(yè)巡檢人員在對罐區(qū)進行巡檢時發(fā)現(xiàn)，一臺儲存苯液的內(nèi)浮頂儲罐的呼吸閥附近VOCs濃度嚴重超標，后經(jīng)工程師初步判定濃度超標的原因為內(nèi)浮盤失效。于是業(yè)主決定對該儲罐進行停罐檢維修，進罐后檢查發(fā)現(xiàn)浮盤有近半數(shù)浮箱失效，且浮箱內(nèi)存有大量苯液。

維修人員在浮盤拆卸過程中，因未按規(guī)定程序拆卸浮盤，導致浮箱內(nèi)的苯液大量流至罐底板上方，形成揮發(fā)性爆炸氣體環(huán)境。由于維修人員沒有對罐內(nèi)的苯殘液采取進一步的消除措施，在浮盤拆除作業(yè)過程中，操作不當導致罐內(nèi)發(fā)生閃爆。

1.2 事故儲罐及浮盤基本情況

事故儲罐為一容積10 000 m3的內(nèi)浮頂儲罐，存儲介質(zhì)為苯，屬于原料罐。儲罐所用內(nèi)浮盤為鋁合金箱式結(jié)構(gòu)，共有浮箱359塊(其中失效的浮箱數(shù)量約180塊)，浮箱與梁之間采用“自攻螺釘+鉚釘+密封膠”進行連接固定，浮盤示意見圖1。

圖1 浮盤示意

1.3 事故后果

事故導致儲罐罐頂發(fā)生撕裂、罐體整體發(fā)生水平位移(約10 cm)、罐內(nèi)及人孔發(fā)生過火，事故還導致罐內(nèi)未拆除的浮盤全部損毀。

2 事故原因分析

2.1 浮箱腐蝕失效分析

a)浮箱外觀檢查。通過對搬運至罐外的浮箱進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)浮箱表面未有明顯腐蝕跡象。

b)殘余苯液組分分析。使用氣袋對浮箱內(nèi)的氣體進行采樣，通過便攜式氣質(zhì)聯(lián)用儀對氣體成分進行掃描分析和色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析得出：出峰的保留時間和苯標準物質(zhì)的保留時間一致；質(zhì)譜儀和工作站對物質(zhì)的自動判斷為苯的概率是92%。

結(jié)合儲罐的實際工況和質(zhì)譜分析結(jié)果可以判定：苯液中不含硫化氫，氣體中主要有機組分為苯。純苯液對鋁合金材質(zhì)未構(gòu)成腐蝕環(huán)境。

c)浮盤材料厚度檢測。使用游標卡尺對浮箱的搭接梁和浮箱厚度進行檢測，檢測結(jié)果顯示：搭接梁厚度為1.45 mm(設計厚度為1.5 mm)，浮箱材料厚度為0.63 mm(設計厚度為0.65 mm)，測量結(jié)果與設計值基本一致。因此，可以排除浮箱發(fā)生腐蝕減薄或腐蝕穿孔的可能。

2.2 浮箱水壓試驗

使用橡膠軟管將水通過箱體表面開孔注入箱體內(nèi)部，對浮箱進行注水試驗。當浮箱充滿水之后，浮箱逐漸開始向外滲水，滲漏點發(fā)生在兩個位置：一是浮箱邊角焊縫位置處；二是搭接梁與浮箱連接處的點焊位置，見圖2、圖3。另外，浮箱箱體上的對接焊縫未發(fā)生滲漏現(xiàn)象(圖4)。

2.3 浮箱失效原因分析

通過對浮盤的外觀檢查、材料厚度檢測以及水壓試驗發(fā)現(xiàn)，浮箱表面未發(fā)生腐蝕減薄或腐蝕穿孔，但是浮箱的邊角焊縫位置、以及搭接梁與浮箱連接處的點焊位置處均存在裂紋。主要是因為這兩個位置點處均為應力集中區(qū)，在浮盤長期運行過程中，極易導致焊縫處產(chǎn)生疲勞裂紋。具體表現(xiàn)如下。

圖2 浮箱邊角焊縫存在裂紋

圖3 搭接梁與箱體的點焊處存在裂紋

圖4 箱體對接焊縫密封良好

a)浮箱邊角焊縫：浮箱總共有4個邊角焊縫，其中1個焊縫有滲漏。浮箱的邊角焊縫為整個箱體的受力集中點，焊接工藝控制不嚴、浮箱材料厚度不足等因素的共同作用下，導致邊角焊縫產(chǎn)生裂紋。

b)搭接梁與浮箱連接處的點焊：共有2個點焊縫發(fā)生滲漏。由于箱體材料的設計厚度僅為 0.65 mm，在搭接梁與箱體進行焊接(氬弧點焊)時，焊接工藝控制不嚴極易導致箱體材料受損。在浮盤長期運行過程中，液面的波動以及在浮盤自身的作用下致使點焊處產(chǎn)生疲勞裂紋。

3 箱式浮盤在我國的使用現(xiàn)狀

當前我國內(nèi)浮盤技術(shù)的使用主要是以浮筒式結(jié)構(gòu)為主。浮筒式浮盤的底部裝有浮筒，浮盤漂浮在液面上時，在液面與浮盤蒙皮之間存有較大的油氣空間，浮盤整體密封性較差。而箱式浮盤可以克服以上缺點，它能夠更好地抑制儲存介質(zhì)揮發(fā)，而且箱式浮盤有更好的穩(wěn)定性，因此常用于儲存毒性介質(zhì)的儲罐中。

箱式浮盤在我國最早出現(xiàn)于2000年左右，目前，我國使用箱式浮盤的儲罐至少在500臺以上。

3.1 內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)分類與使用情況

a)內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)分類。美國石油協(xié)會標準API650-2013《焊接石油儲罐》將內(nèi)浮盤分為7種結(jié)構(gòu)，我國標準GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》中僅對其中4種結(jié)構(gòu)做了技術(shù)要求，分別為敞口隔艙式、單盤式、雙盤式、浮筒式4種結(jié)構(gòu)，其余3種結(jié)構(gòu)在標準中未提及。

b)內(nèi)浮盤使用現(xiàn)狀。鋁合金浮筒式內(nèi)浮盤由于其結(jié)構(gòu)簡單、易拆卸、耐腐蝕等特點，在我國內(nèi)浮頂儲罐內(nèi)浮盤方面的使用占有極大的市場比例。對于早期建造的內(nèi)浮頂儲罐，使用的基本都是以鋼制單盤式結(jié)構(gòu)為主。

如前所述，儲存毒性介質(zhì)的內(nèi)浮頂儲罐多使用的是箱式浮盤。但是近些年，隨著技術(shù)的進步和環(huán)保要求的提高，從國外引進的一種蜂巢式內(nèi)浮盤技術(shù)也逐漸得到應用。相較于前者，后者的強度更高、穩(wěn)定性也更好，但建造成本也更高。不同類型內(nèi)浮盤使用狀況見表1。

表1 不同類型內(nèi)浮盤使用狀況

3.2 內(nèi)浮盤設計技術(shù)要求

目前，內(nèi)浮盤設計參考的國內(nèi)外標準規(guī)范主要有GB50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》、SH3046-1992《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規(guī)范》、石化股份煉調(diào)[2010]14號《煉油輕質(zhì)油儲罐安全運行指導意見(試行)》和API650-2013《焊接石油儲罐》。

對于浮筒式內(nèi)浮盤，GB50341、SH3046與API650的技術(shù)要求相同，要求浮筒式浮盤的鋁合金蒙皮板厚度要求不小于0.5 mm、浮動元件厚度不小于1.2 mm。石化股份煉調(diào)[2010]14號要求鋁制內(nèi)浮頂浮筒直徑不宜小于200 mm、材料厚度不小于1.3 mm；連接件材料厚度不小于3 mm。

對于蜂巢式內(nèi)浮盤，API650要求其芯材高度不應小于25 mm，外部金屬層厚度不應小于0.41 mm。蜂巢式內(nèi)浮盤技術(shù)雖然在我國已經(jīng)有應用，但是尚未制定相關(guān)技術(shù)標準。不同標準對浮盤材料厚度要求見表2。

表2 不同標準對浮盤材料厚度要求 mm

可以看出箱式浮盤既未列入國標適用范圍中，也未列入美國石油協(xié)會標準的適用范圍中。從箱式浮盤整體的結(jié)構(gòu)上分析看，其結(jié)構(gòu)最接近于蜂巢式內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)。但是箱式浮盤的浮箱中未設蜂巢支撐結(jié)構(gòu)，因此與蜂巢式內(nèi)浮盤結(jié)構(gòu)是不一致的。

如果將事故儲罐浮盤的箱體當做是浮動元件的話，那么壁厚為0.65 mm的浮箱無法滿足最小厚度不小于1.2 mm的要求。

4 結(jié)論

a)箱式浮盤滲漏率高。從事故儲罐所用浮盤的失效情況可以看出，浮箱的失效率達到了50%。另外，根據(jù)用戶多年的使用經(jīng)驗，以及生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)綜合評估發(fā)現(xiàn)，箱式浮盤在一個檢維修周期內(nèi)，失效浮箱的數(shù)量占比在10%左右，且失效點多位于浮盤搭接梁與箱體的焊接位置處，其次是箱體的邊角焊縫。

b)箱式浮盤的設計、制造、施工、驗收無具體技術(shù)規(guī)范。箱式浮盤的設計、制造、檢驗和安裝均由浮盤廠家自行完成，儲罐的設計單位和使用單位僅對浮盤的結(jié)構(gòu)和密封材質(zhì)，以及浮箱的嚴密性提出書面要求。

5 意見及建議

結(jié)合本次事故及箱式浮盤在我國當前的使用現(xiàn)狀，就如何提升箱式浮盤的技術(shù)水平和過程管理提出以下建議。

a)提升箱式浮盤本質(zhì)化安全水平。優(yōu)化箱式浮盤結(jié)構(gòu)，增加箱體和搭接梁材料的厚度，提升浮箱和搭接梁的焊接工藝，以提高浮盤整體安全水平，降低浮箱發(fā)生滲漏的風險。

b)完善內(nèi)浮盤標準制度。制定箱式浮盤的設計、施工驗收、檢驗標準，提高標準技術(shù)要求，將其納入到現(xiàn)有的規(guī)范當中。

c)將內(nèi)浮盤的檢驗納入使用單位的全流程管理。我國內(nèi)浮頂儲罐的設計通常只是針對儲罐的主體設計，在儲罐的建造、驗收和使用過程中，對儲罐的用材和施工質(zhì)量都有十分嚴格的技術(shù)要求、驗收和檢驗要求。但是對于內(nèi)浮盤僅作為一種附件由第三方購入。不論在浮盤的設計，還是在其入場檢查、施工驗收和使用過程中的檢驗，都沒有十分嚴格的技術(shù)要求和明確的管理辦法，造成浮盤的質(zhì)量參差不齊。建議使用單位將內(nèi)浮盤的使用納入到全流程管理當中，并提高浮盤的到場和使用過程中的驗收標準。