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        常壓儲罐改造為氮封儲罐的要點(diǎn)分析

        2021-11-20 04:46:22葉超九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司江西九江332100
        化工管理 2021年29期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

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

        0 引言

        鋼制儲罐是儲存單元儲備原料、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運(yùn)罐區(qū)罐-404是儲存介質(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)浮頂儲罐;當(dāng)單罐容積小于或等于5 000 m3的內(nèi)浮頂儲罐采用易熔材料制作的浮盤時,應(yīng)設(shè)置氮?dú)獗Wo(hù)等安全措施。同時SH/T 3007—2014 《石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.5條規(guī)定:儲存沸點(diǎn)大于或等于45 ℃或在37.8 ℃時飽和蒸氣壓不大于88 kPa的甲B、乙A類液體,應(yīng)選用浮頂儲罐或內(nèi)浮頂儲罐。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”文件第六款第(一)條要求:為防止裝配式鋁合金箱式內(nèi)浮頂儲罐再次發(fā)生事故,新建儲罐不得采用此結(jié)構(gòu)的內(nèi)浮頂,使用此結(jié)構(gòu)的內(nèi)浮頂在役儲罐應(yīng)制定逐步更換計(jì)劃。為滿足總部“38號文”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)浮頂對介質(zhì)的適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性,與主管處室及油品儲運(yùn)運(yùn)行部會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3 000 m3儲罐用厚度為12 mm的Q235B鋼板為例,設(shè)計(jì)溫度為20 ℃,在儲罐設(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)測厚報告對罐壁和罐頂進(jìn)行強(qiáng)度校核,以及針對負(fù)壓對罐頂進(jìn)行穩(wěn)定性校核。罐壁板及罐頂板實(shí)測厚度如表1所示。

        表1 罐-404定點(diǎn)測厚報告

        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,儲罐從原常壓到加氮封后的微正壓,且壁板腐蝕后重量會有所減輕,根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),用軟件進(jìn)行計(jì)算時,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,則會引起罐體提離,這時應(yīng)按GB 50341—2014第11.2條對儲罐進(jìn)行錨固設(shè)計(jì),并根據(jù)現(xiàn)場條件和儲罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)向土建專業(yè)提出委托條件要求其對基礎(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),對儲罐進(jìn)行錨固設(shè)計(jì)。

        (3) 由于儲罐運(yùn)行多年,罐體會有不同程度的減薄,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)測厚報告顯示,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DN200的呼吸閥和一個DN600的緊急泄放人孔,每個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孔相碰,當(dāng)不能滿足開孔與罐頂焊縫之間的距離規(guī)定時,需與儲運(yùn)專業(yè)協(xié)商適當(dāng)調(diào)整開孔方位。

        (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有超過原設(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)部壓力迅速升高時會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)生變化時有良好的密封,是內(nèi)浮頂儲罐重要的密封組件。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)浮頂在最低位時邊緣構(gòu)件處于第一帶壁板位置,此時罐內(nèi)徑為18 584 mm,內(nèi)浮頂處于最高位時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)生變化時有良好的密封效果,又能同時保證浮頂在儲罐內(nèi)升降自如而不被卡住,從而減少儲液蒸發(fā)損耗。丁晴橡膠的壓縮比為0.35~0.9,通過試算,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)行至最高位時與罐內(nèi)壁的距離為126 mm,此時密封塊在自由狀態(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?,其目的同樣是為了增大與蓋板的接觸面積,保證更好的密封效果。在詢比價過程中少數(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€重要附件之一,作用是不可替代的,它一旦產(chǎn)生傾斜,對浮筒式內(nèi)浮頂?shù)奈:艽?,因?yàn)楦⊥彩絻?nèi)浮頂較鋼制單盤或雙盤式等內(nèi)浮頂強(qiáng)度相對較弱,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新增了一個雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波管,在詢比價過程中有的供貨商建議在該導(dǎo)波管處通過設(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、測量精度都很高,若將此導(dǎo)波管作為防旋轉(zhuǎn)裝置使用,勢必影響雷達(dá)液位計(jì)的安全運(yùn)行和測量精度。最終主管部門采納了本人的意見。

        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個環(huán)向通氣孔,罐頂中心有1個通氣口。在以往的項(xiàng)目中,因增加了氮封,常會將通氣孔(口)進(jìn)行焊接封死,但這樣處理存在氮?dú)忾L時間停用后安全風(fēng)險較大的缺點(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將儲罐恢復(fù)為一般的內(nèi)浮頂方式運(yùn)行,提高儲罐的抗風(fēng)險能力。

        3.1.2 罐壁橢圓度的校正與內(nèi)防腐處理

        儲罐在制造及使用過程中,不可避免地會使罐壁產(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,因此施工時應(yīng)注意以下幾個問題:

        (1) 應(yīng)保證罐壁相對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規(guī)范要求時,會影響內(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1 mm,并將表面打磨圓滑。之后對整個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運(yùn)罐區(qū)內(nèi)進(jìn)行施工,因此要求盡可能的少動火,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。組裝時應(yīng)將浮頂組件通過原罐壁人孔運(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內(nèi)浮頂進(jìn)行定位后,再按照施工說明書的要求安裝邊緣構(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

        改造后的罐-404順利驗(yàn)收并已投入使用,說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,又保證了改造儲罐的安全運(yùn)行。

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