避免罐顶失稳的途径3.doc

提高罐顶稳定性的技术措施王红福摘要：针对油罐罐顶的稳定性问题，本文对罐顶失稳原因进行了综合分析，提出了避免罐顶失稳提高罐顶稳定性的技术措施。 关键词：油罐罐顶 稳定性 技术措施1 前言近些年，随着我国石化工业的发展，单罐的容量不仅越来越大，而且储罐总数也越来越多，罐顶结构也在不断改进，分别出现了锥顶、拱顶、伞形顶、网壳顶等，目前油罐罐顶的设计以拱顶为主，但每一种结构的罐顶，解决的难题都是稳定性问题。一直以来，罐顶失稳的现象屡见不鲜，而被广泛应用于我国油库的光滑球壳拱顶与罐直径较大的带筋拱顶，其失稳事故更是频频发生：1994年7月23日某输油公司泵站一10000M3油罐罐顶在蒸罐中因突降暴雨，产生罐内负压超标造成该罐罐顶一半以上区域严重下陷，并有5处裂洞的失稳现象；相差仅6天即1994年7月29日投用不到2年的另一石油化工厂一5000M3油罐罐顶因呼吸阀堵塞等原因，产生严重的下陷开裂的现象，下陷面积达60 M2，深50cm，部分焊缝被拉伤；在2000年3月、4月我厂的702#罐（2000M3）与205罐（1000M3）罐顶因腐蚀及安全附件设计不合理也分别发现大面积沉陷的失稳现象。因此，科学分析罐顶的稳定性，总结开发出提高罐顶稳定性的技术措施是非常必要的。 2 罐顶失稳的原因分析要探讨避免罐顶失稳的有效途径，对罐顶失稳原因进行归类总结，并加以详细分析是必要的，只有对各类罐顶失稳现象进行充分的研究，才能找到罐顶失稳的各种原因，进而分析解决的方法。表1是几起罐顶失稳的典型事故分析表：表1 典型罐顶失稳事故的汇总表序号失稳简述主要原因备注11993年7月沧炼102#原油罐（13000 M3）局部失稳：有三处塌陷，裂缝9处1. 罐顶筋板连接严重不合规范。2. 罐顶部分焊缝没有焊透。21994年7月23日某输油公司泵站的10000M3油罐罐顶严重下陷并部分裂开的失稳现象1. 蒸罐时突降暴雨，造成罐内负压严重超标。2. 罐顶部分区域因以前的火灾留下缺陷。【1】31994年7月29日某石油化工厂5000M3油罐罐顶产生严重的下陷开裂的现象。1. 呼吸阀部分堵塞。2. 罐油品活动量（抽出）达800 M2/h，严重超出呼吸阀设计值。【2】42000年3月沧炼的702#罐（2000M3）罐顶发现大面积沉陷的失稳现象1. 罐顶腐蚀减薄，部分区域已腐蚀穿孔，平均厚度仅为2mm，罐顶临界载荷严重降低。多数罐顶失稳的原因一般可分为两大类：罐顶外载荷超出许用值。因各种原因造成罐顶许用临界载荷降低。而我们分析的关键是找到造成这两大类原因的主要因素，下面分别加以论述。2.1 罐顶外载荷超标造成罐顶失稳所谓罐顶外载荷超标是指由于某种原因造成的罐顶实际外载荷超过设计外载荷，所以外载荷的设计是非常重要的。设计时对外载荷估计不足，就会使罐顶承受意想不到的载荷作用，产生罐顶球壳失稳现象，也会拉坏包边角钢，甚至破坏罐壁。而估计过高，又会造成材料浪费，增加建罐投资，因此设计罐顶必须首先科学分析外载荷。2.1.1 罐顶外载荷的分析 罐顶外载荷一般规范分为两部分，即罐顶自重与单位面积上的附加载荷，可以用下式表示： P0=G+PF （2-1） 式中 P0-作用在球壳的外载荷，MPa G -球壳单位面积的自重，MPa PF -球壳水平投影面积上的附加载荷，MPa PF =P1+P2+P3 P1-1.2倍的呼吸阀吸气阀开启压力，一般取MPa P2-雪载，MPa P3-活载荷，MPa规范规定： 罐顶结构的自重应包括罐顶钢球壳重力与隔热层重力。而球壳水平投影面积上的附加载荷PF，不小于1200N/m2。应该注意的问题是： P1一般取500N/m3，而条件是：呼吸阀保证好用，且吸气阀开启压力保证小于500N/m3。但往往呼吸阀实际校验值与此不符或呼吸阀在操作中有不开启现象，所以油罐投用后的呼吸阀维护检查是十分关键的。 对于特殊条件下（下大雨时）罐内温度陡降时罐顶外压严重超标的情况，要有应对措施。 对活载荷P3要有充分的考虑，不能简单地取通常值（400 N/m3），要考虑部分地域的风载荷。2.1.2 罐顶外载超标原因分析罐顶外载超标原因虽然较多，但从表2-1不难看出，其主要原因只有三种，一是难以预料的特殊气候，如在天热时甚至扫线或蒸罐时突降暴雨，造成罐内温度陡降，形成大的罐内负压，这在各种资料中均有论述，其失稳事例非常多，占失稳事故总数的一半以上，所以在设计时要重点考虑防范；另一个原因是操作过程中附件故障，特别是呼吸阀失灵，阻火器堵塞，造成罐抽出作业时罐内负压超标，这在石油行业中也十分常见；还有一个原因是实际操作与设计数据不符或操作异常造成油罐操作参数超标，例如罐抽出作业时，抽出量大于呼吸阀的设计流通量，象表2-1第3个事故就是这样，造成负压超标。 从以上分析看出，要避免因罐顶外载超标造成的罐顶失稳，必须从设计、操作两方面及其相互衔接上进行研讨，采取必要的技术措施，避免罐顶失稳的发生。2.2 罐顶临界载荷降低造成罐顶失稳对于固定顶，临界载荷的计算主要是根据古典公式，参考实验和实践经验加上一定的安全系数得到的，下式为我国现行规范中带筋球壳罐顶的临界载荷计算公式： P0=0.1Et（tm/Ri）2 （te/tm）1/2 式中： P0-加筋拱顶的许用外压（临界载荷），MPa tm-带筋顶板的折算厚度，mm te -顶板有效厚度，mm Ri -拱顶球面的内半径mm，一般取储罐内径的0.8-1.2倍 Et -设计温度下弹性模量，MPa 而当罐顶为光滑球壳时，tm=te，则计算公式如下： Pcr=0.1Et（te/Ri）2 式中：Pcr-许用临界压力，MPa Ri -拱顶球面的内半径mm，一般取储罐内径的0.8-1.2倍由式中看出，罐顶的顶板及带筋板的折算厚度越厚，临界载荷越大，而与其它因素关系不大。但应当注意的是：为保证罐顶的稳定性，预防带筋罐顶的局部屈曲，筋的间距不宜过大，规范要求不得大于1.5m，一般取1.0-1.5m；另外筋板的焊接应完全按规范要求，以保证筋与筋、筋与板之间的牢固连接，确保稳定性。同时无论是光球壳还是带筋球壳，施工时对局部凹凸要严加控制，因计算公式是在比较理想的球壳结构下给出的，而局部凹凸会使球壳的临界载荷大为降低。一些罐顶屈曲失稳就是以上施工原因造成的。 总之，罐顶板的减薄，筋板的连接等的制造缺陷及制造中或操作原因造成的凹凸等严重的几何缺陷均会大大降低罐顶的临界载荷，从而降低罐顶稳定性，导致了罐顶失稳。3 避免罐顶失稳的有效措施以上对固定顶的失稳分析，得出了影响罐顶稳定性的主要因素，下面针对这些因素着重从设计、制造及操作三方面对避免罐顶失稳的有效措施进行具体论述：3.1 优化罐顶设计避免罐顶失稳首先要从设计开始，优化罐顶设计是提高罐顶稳定性的重要途径，设计罐顶，除必须执行最新规范外，还要重点考虑以下问题：1 根据储罐容量及储存介质等设计条件，合理选择罐顶结构（表2可作为设计时的参考），科学分析罐顶的外载，充分考虑实际操作与区域气候特征，要与本地区的设计经验相结合，不可表2 罐顶结构型式与储罐直径、公称容量的匹配表储罐直径D/m公称容量V/m3罐顶型式D12V2000光滑球壳12D322000V10000带筋拱顶32D3810000V20000带筋拱顶或网壳顶D38V20000网壳顶简单一般化设计。值得注意的是，储罐用途及配套设备管路的变化（例如：储油罐改扫线罐；泵排量由400m3/h改为800 m3/h），必须有专业设计人员，重新核对，以判断原设计结构是否适应新的条件，必要时对部分结构进行改造，例如储油罐改扫线罐必须在扫线罐的工艺条件（压力、温度等）下重新核对罐顶结构，包括壁厚（或折算壁厚）、罐顶附件、防腐层等，特别是呼吸阀一般要重新考虑，或加大通径，或以通气孔代替。2 油罐呼吸阀等安全附件的设计必须认真计算，呼吸阀的型号选择要给予足够重视，要选择性能稳定可靠的高技术含量产品，以保证它能正常发挥作用。呼吸阀的具体数目及通径必须与工艺设计配套，不能低于一般值（见下表3-1）。要根据区域气候考虑防冻呼吸阀，扫线罐、易结蜡罐及闪点高于60的储罐应选用通气孔。另外要对紧急呼吸量（罐内温度急剧变化时的呼吸量）做进一步考虑，要设计紧急通气阀或紧急通气人孔，必要时罐内外紧急流通，以保护罐顶。表3-1 呼吸阀（通气管）选用表【3】储罐收发流量，m3/h呼吸阀规格（DN）呼吸阀数目，个255012650801511001001101150150115125020012513002501301500200250170025023 要根据设计条件，合理分析罐顶的腐蚀机理，对罐顶内外做出科学的防护设计，以保证罐顶的设计寿命。特别是污油扫线罐，要设计耐温抗老化防腐材料，我厂扫线罐一般整体做G4涂料内防腐，效果较好，一般情况，在三年后要对罐顶重新防腐，比罐壁防腐层提前2年左右更换，对扫线上线罐顶结合部位，要一年一检查，如发现防腐层有失效现象，要及时处理。4 对罐顶扇形板的设计要细化【4】，不能把扇形板展开图的侧边设计成直线，这将使实际施工形成球面后，扇形板中部搭接宽度不足设计要求（40mm）,以致于影响罐顶的稳定性。所以对扇形板展开图：不仅标出两端的弦长，还应标出中间几点的弦长，并在扇形板的侧边画出相应的曲线或折线，以保证罐顶成型后，其各板搭接长度符合设计要求。 需要加温的油罐罐顶要设计保温层。一方面节能（罐壁保温罐顶不保温时，罐顶的热损值占储罐总热损值的50%以上，保温后降为25%左右），另一方面可以通过保温层降低扫线过程中突遇暴风雨时罐内温降速率，避免因温降速率过高，造成罐内大的负压，导致罐顶外载超出许用负压。罐顶保温层结构可如图1采用双层保温保温钉固定的方式，也可用复合硅酸盐浆体现场涂抹，并做防水层，也可试用开发泡沫塑料、聚苯板等材料作为保温材料的保温结构。设计了保温的罐顶，其罐顶重量载荷应包括保温层重量。图1罐顶保温结构图 5 罐顶呼吸人孔或紧急放空人孔盖要优化设计，可以开发设计紧急放空破膜阀，破膜阀是一种在一定压力下自动破膜，达到管路流通的阀片（该结构阀已在储罐消防线上应用）。破膜压力要根据罐顶的许用正负压设计，要开发精确灵敏的双向双压破膜阀，以保证在罐内外压任一达许用值时，都破膜流通。其流通量设计（通过改变阀体直径）要满足特殊操作条件（蒸罐时突降大风雨）罐内大温降的要求，以及时破膜减压，避免罐顶失稳，设计时可参考下图：图2 破膜阀安装示意图 设计文件对罐顶的吊装孔的恢复必须明确，其对接焊缝施工中易于忽视，造成没有焊透等大的缺陷，对这些焊缝有必要规定抽探，以提高其可靠度。3.2 加强施工管理要避免罐顶失稳，加强施工管理是一重要环节。加强施工管理除严格执行油罐的现行施工规范外，还要重点检查以下内容：1 检查罐顶的局部凹凸度等几何尺寸，1m的弧长样板检查，空隙不得大于6mm，以保证球面弧度。2 检查扇形板的搭接是否超标。3 检查带筋拱顶的筋板连接及筋与顶板的连接是否合乎要求，重点检查如图3部位，这一点必须注意，要在罐顶刚焊好时检查，一般罐的施工采取倒装法，此时检查比较方便，一旦建成，罐顶已达安装高度，检查就困难了。图3 罐顶筋板重点检查部位4 要监督检验焊接作业，抽检焊缝，避免不焊透等大的焊接缺陷，保证焊接质量符合设计要求。5 重点监督检查油罐建成后的罐顶负压试验（与充水试验同时进行）。3.3 完善各种操作规程，精心操作，加强维护检修对于储罐其操作虽比较简单，但操作不当时，就有可能引起罐顶失稳，从本文对几起罐顶失稳事例的分析看出，多数罐顶失稳虽有如气候等的客观原因，但与操作维护检修有直接的关系。1 要完善各种操作规程，特别是蒸罐或扫线作业，要有专门的操作规定，例如蒸罐时，将各开孔打开后用易于吸开的软材料覆盖，以保证特殊气候增大负压时，能及时流通开孔。2 油罐抽出介质时，不能随意加大抽出量，要根据设计的呼吸阀的空气流通量规定好最大抽出量，要逐步建立抽出量超标的连锁自保微机控制系统。3 要根据储罐维护检修规程，进行合理的维护、检查、检修，例如定期对顶板测厚，对呼吸阀定期检查，定期效验等等。总之，只要从罐顶设计、操作、维护及检修方面采取必要的有效途径，防患于未然，许多失稳事故是可以避免的。4 结束语 随着罐顶结构的变化，罐顶稳定性研究会越来越深入，特别是对于大直径储罐的网壳顶研究，我国已有很杰出的成绩。但具体到每一细节，每一失稳分析，还有待于进一步的调查分析，在避免罐顶失稳问题上还需要不断开发新技术产品，而对于储罐的管理也应提高重视，建立内容详细