10 000 m3常压醋酸储罐罐顶失稳分析及修复

姚佐权 张新建 陈美全

（1.合肥通用机械研究院 合肥 2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心 合肥）

一、引言

大型常压（微正压）储罐作为油品和各种液体化学品的储存设备，广泛地应用于炼油、化工装置和储运系统。这类储罐具有占地面积小、投资少、易于操作管理等优点，但同时因储罐的壁厚较薄，承受外压的能力较低，在操作时，一旦安全保护系统故障或操作不当，往往会引起储罐外压失稳。

一台10 000 m3醋酸常压储罐（位号YG204）在执行付料装船作业时，罐顶部分发生失稳坍塌现象，最大凹陷深度约1500 mm，凹陷面积约为整个罐顶的1/2，失稳情况见图1。

二、设备概况

醋酸储罐区共有3台10 000 m3醋酸储罐，交付使用前进行水压试验时储罐曾受损变形，罐壁顶部和罐顶有不同程度鼓瘪，设计院进行了追加设计，在鼓瘪处外部增加了加强箍，施工单位现场进行了修复，修复后经检验合格并投入使用。YG204醋酸储罐为一典型立式圆筒形钢制焊接储罐，主要包括罐底板、筒体、拱顶、接管、盘梯等部件。YG204醋酸储罐的主要设计参数见表1。

图1 YG204醋酸储罐罐顶失稳现场照片

表1 YG204醋酸储罐的主要设计参数

三、强度校核

根据提供的施工图，对YG204储罐进行全面校核分析，主要包括自支撑拱顶结构稳定性分析、罐顶与罐壁连接结构稳定性分析、罐壁结构稳定性校核等内容。计算结果，罐顶可承受最大内压16.6 kPa，罐内允许最大内压4.05 kPa，罐顶可承受最大外压4 kPa，罐内允许最大真空度3.34 kPa，罐顶与罐壁的连接处允许最大内压4.71 kPa，罐壁允许外压5.2 kPa。分析后可以得出，储罐的设计符合相关标准要求，储罐拱顶最大能承受约3.34 kPa的负压，罐壁最大能承受约5.2 kPa的负压，储罐发生负压失稳时，拱顶最先失稳。

四、失稳原因分析

为了确保储罐的安全运行，该储罐配有氮封系统、呼吸阀系统以及紧急泄放系统等安全保护系统。

根据相关技术文件可知，自2010年投料之日起，即发现罐区3台储罐的氮封阀补气和呼吸阀吸、排气流通量不能满足设计要求。不仅小流量收、付料作业时，储罐氮封阀和呼吸阀满足不了罐压平衡，连春秋两季昼夜温差引起的罐压变化，储罐氮封阀和呼吸阀都不能满足罐内压力平衡。

根据失稳当天该罐付料时的液位压力趋势图（图3）可知，200 min时间内储罐液位下降了1.345 m，相应罐内气体体积增大了888.4 m3。假定罐内气体为理想气体且呼吸阀未开启，则压力下降约12.96 kPa，相当于罐内形成了12.96 kPa的负压（不考虑初始正压），远大于拱顶所能承受的3.34 kPa的负压。由于氮封阀无法向罐内及时补充气体，且呼吸阀没有打开（或补气量不够），因此造成罐顶负压失稳坍塌。由此可知，氮封阀失效是造成储罐负压的直接原因，呼吸阀失效（或补气量不够）是造成储罐拱顶坍塌失稳的直接原因。

五、修复方案

1.常用的修复方法

（1）局部更换法。对于失稳严重的罐顶，可采用局部更换法，即将罐顶变形部位的钢板进行切除，重新预制、安装复原。

（2）吊拉法。对于失稳面积较小也不太严重的罐顶，可采用吊拉法修复。修复时清除罐顶影响修复的一切附件，设置支架，用手动葫芦吊拉罐顶塌陷部位，从而达到失稳修复。

（3）内压法。在储罐密闭的情况下，用充气或注水方法增大罐内气体压力，使储罐变形部位复原。内压法的压力源一般采用注水加压或充气加压。注水加压法是经储罐的接管向封闭的储罐内注水，随着罐内液位的升高，气相空间减小，罐内压力升高，达到一定的压力时，失稳的罐顶会复原。对于微正压拱顶储罐拱顶的修复，也可采用罐内注满水将罐内气体全部排出，再将储罐封闭，采用水压修复变形。采用满罐水压修复应注意两个问题，一是储罐的基础承载能力是否满足；二是罐壁的强度能否满足液柱静压力和罐顶修复所需的内压之和。充气加压法是向密闭的储罐内充入压缩空气或氮气，增大罐内的压力以达到变形修复。无论采用哪种加压方式，在储罐升压前，均应对储罐进行强度校核，尤其应对内压对罐底产生的举升力进行验算。

2.修复方案

比较更换法、吊拉法和加压法几种修复方案并结合YG204的失稳情况，如采用更换法修复罐顶，则基本上应对整个罐顶进行切除更换，不仅施工难度大、周期长、浪费严重，对于在用的大型储罐罐区，往往还受到施工场地的限制。如单独采用吊拉法修复，由于罐顶大范围严重塌陷，支架传递给拱顶上部的压力太大，可能导致整个罐顶塌陷，同时也给施工人员带来一定的危险。因此，针对于YG204的修复，首先采用内压法和吊拉法联合进行修复，如还不能修复，再考虑采用局部切除法换顶。

3.内压法修复的理论计算

采用内压法修复失稳罐顶，应对储罐的各部分所允许的最大内压进行校核。

（1）修复压力的确定。根据表2可知，储罐底部不被抬起的最大内压约为4.05 kPa，拱顶与罐壁连接处屈曲失稳时的最大内压为4.71 kPa，根据该公司提供相关技术文件可知，储罐建造时曾在内压3 kPa左右时发生过超压变形，因此，修复罐顶时，罐内最大内压应＜3 kPa。

（2）加水量的计算。为安全起见，不宜采用充气加压法修复罐顶，而是采用注水加压法。用注入少量的水达到修复所需要的压力，罐内积聚的能量不至于太大，一旦发生意外也不会造成太大的危险。

通过计算，在全部充满水的状态下，第10层罐壁板壁厚（8 mm）不能满足液柱静压力和修复压力的强度要求，小于计算所需的厚度（计算厚度为9.52 mm）。因此，无法通过全部充满水来修复罐顶，因此采用罐内预先注入一定水量，抵消一部分举升力，使升压过程更加安全。预先注入水量的多少，会影响修复效果，如预注水量太多，则罐内气相空间过小，压力不易达到临界值，加压修复很难达到预期效果。预注水量过少，则罐内气相空间过大，在升压过程中积蓄较大能量，一旦发生意外，可能产生严重的后果。因此，罐内预注水位应保持在合理的位置，一般预注水量为罐壁高度的50%，即8.55 m。

根据理想气体状态方程，式（1）。

式中P1——充压前罐内初始压力，P1=101.325 kPa

V1——充压前罐内气相体积，当充水高度为8.55 m时，V1=7575 m3

P2——充压后罐内气相体积，P2=104.325 kPa

V2——充压后罐内气相体积，V2=7357 m3

经计算得，充压过程所需进水量ΔV=V1-V2=218 m3，即充压过程中液位上涨的最大高度Δh=330 mm，即可使罐内气相压力达到临界压力。因此，以上确定的加压前预充水位高度是合理的。

六、施工要求及修复情况

1.准备工作

（1）将储罐清理干净，达到检修条件。

（2）检查罐顶抗压圈及承压环的角焊缝、罐底大角焊缝以及罐顶塌陷折皱部位是否受损，如有受损，则必须进行补焊、加强，以免加压时导致焊缝撕裂。

（3）罐顶凹陷部位焊接一定数量的补强板和吊耳，以备吊拉时使用。

（4）储罐内部搭设脚手架，将变形严重的罐顶纵向筋板割断，并采用一定数量的支撑件，稳住凹陷的罐顶板，以免罐顶再次塌陷。采取适当措施、仪表准确测量罐内水位高度。

（5）将储罐的人孔、检尺口、排污口、物料进出口等开孔封好（透光孔除外，透光孔要彻底敞开，严防在充水过程中意外关闭），各开孔处法兰加盲板封闭，接好注水消防带。

（6）保证罐顶透光孔敞开，使罐内外压力平衡，压力表指示为0，向罐内注水到规定的高度，将预制好的法兰盖安装到罐顶检尺口上，装上微压表。

2.注水升压流程

（1）注水过程中，观察罐内气相压力上升情况，并做好记录。

（2）首先确保透光孔敞开，将罐内水位充至8.55 m，充水速率应＜300 m3/h；水位到达8.55 m后，封闭罐体上所有接管。

（3）向罐内注水升压，应注意微压表的读数及罐壁和罐底变化情况。加压速度≤1 kPa/h，即注水速率≤72.5 m3/h；关注拱顶修复情况，由于拱顶在失稳部位局部产生了塑性变形，折皱严重部位可能无法修复。

（4）加压时应密切注意罐体的变化以及罐底板是否存在提升情况，一旦发现异常，应立即停止注水。当罐内压力达到3 kPa时，停止注水，保压0.5～1 h，内压修复过程结束。

（5）将罐体所有管口打开，卸压。

（6）凹陷部位尚未恢复或恢复不完全的部位，采用吊拉法进行修复。

（7）修复后检查。对复原后的罐顶进行全面检查，对未全复原或存在折皱的板片进行局部更换。

（8）试验验收。更换切断的筋板或更换板片，使罐顶结构型式达到原设计图纸规定，再根据原设计文件的要求进行相应的试验，试验程序按储罐建造时的程序和相关标准规定执行，但应严防储罐超压。

3.修复情况

图2 YG204醋酸储罐修复后照片

2012年6月，根据修复方案要求，对YG204进行了内压法修复。修复后，绝大部分塌陷恢复了储罐的初始状态，局部未能复原的罐顶板进行了更换和加盖，修复后情况见图2。

YG204储罐罐顶修复后，对其进行全面检验和试验，采用内压法修复满足安全使用要求。同时，为了改变罐呼吸阀的吸排气流通量不能满足正常使用的缺陷，本次罐顶修复时，将原有的2个公称直径为DN200的呼吸阀，换为2个公称直径为DN300的呼吸阀（带阻火器），确保了储罐的安全使用。该罐修复后已投入正常使用，运行情况良好。

大型醋酸储罐采用内压法修复负压失稳罐顶，工期短、费用低、操作工艺简单、修复效果较好，但在储罐修复前和修复过程中应注意3点，一是在储罐修复前，应编制详细的修复方案，并对储罐进行强度校核。二是采用内压法修复时，应缓慢注水，密切注意罐内压力和罐底的抬升情况，防止超压而产生新的损坏。三是应在天气情况良好的情况下进行修复，以免天气的急剧变化（如大气压下降）引起罐内超压。