浅谈大型化工设备储罐的常见失效模式

浅谈大型化工设备储罐的常见失效模式

路晓瑜1曹天一2

1.天津辰力工程设计有限公司,天津300400

2.中国天辰工程有限公司,天津300400

摘要：近年来储罐不断趋于大型化，其安全性问题备受关注。本文针对大型储罐的几种常见失效模式进行了介绍，并提出了相应的预防措施，为今后的设备设计与生产运行提供了依据。

关键字：化工机械，储罐，失效形式

1.引言

随着工业的快速发展，大型储罐的数量不断增加。天然气作为一种新兴燃料，具有污染小，燃烧热值大，无毒，易散发的特点，被认为是世界上最洁净的能源之一。天然气经过液化后，由于其易储存的特点，使得远距离运输、储存天然气的可行性大大增强。由于储罐盛储的产品为易燃、易爆、有毒的介质，当设备受到自然环境的侵蚀和工况条件的变化，储罐材料会不可避免的出现老化和力学能力下降，特别是罐顶和罐壁的腐蚀破坏、罐底板的腐蚀穿孔以及罐底角焊缝裂纹扩展等失效。在这种情况下，储罐的安全可靠性下降极有可能引发储存介质的泄漏、火灾以及爆炸等事故，造成巨大的人身危害及经济损失，因此，了解储罐的失效模式是确保设备运行安全的前提。

2.绝热失效

液化天然气储罐的绝热系统失效主要由三部分组成：储罐顶部绝热失效、侧面绝热失效和底部绝热失效。罐顶漏热的主要形式是罐顶向吊顶的热辐射及对流换热，然后通过吊顶保冷层向内罐导热；罐壁漏热的主要形式是罐壁外表面热量通过罐壁和保冷材料向内罐导热；罐底漏热的主要形式是罐底大气热量通过底板、保冷材料向内罐导热。

由于液化天然气需要低温储存的环境，因此需要在储罐的侧壁环形空间添加保温材料，该保温材料常采用发泡后的颗粒状的膨胀珍珠岩。在储罐运行期间，膨胀珍珠岩会发生不同程度的受潮与沉降，致使液化天然气储罐的内壁与外壁之间出现连通空间，连通空间内由于缺少保温层，会导致储罐内外之间的导热率上升，热对流增加，这大幅度的降低了绝热系统的保冷效果。储罐的正常工作状态是需要长久保持低温状态，如果绝热失效会导致罐体外壁结霜甚至结冰冷冻，进而增加液化天然气的蒸发率，这不仅会增加能耗，而且会降低液化天然气储罐的安全性和耐久性。有研究实验表明，当珍珠岩导热率增大到原来的3倍时，LNG储罐的日蒸发率将会超过0.05%，此时储罐的保冷性能是不符合保冷标准的。

为了防止储罐的绝热失效，需要在设备使用期间定期对珍珠岩进行取样检测，当珍珠岩的导热率增加到超过3倍时，应对该区域的珍珠岩进行更换重填，保障液化天然气储罐的安全运行。

3.腐蚀失效

储罐不同位置的腐蚀机理不同，造成的危害也不同。介质腐蚀是储罐的主要腐蚀来源，当介质为强腐蚀性时，要注意采用不锈钢材料或带衬里的碳钢材料。除此之外，造成罐顶内表面腐蚀的因素有：氧气、水蒸气、二氧化碳及温度等。温度变化所形成的水膜通常带有各种腐蚀介质，从而造成罐顶内表面的腐蚀。造成罐顶外表面腐蚀的原因通常是，拱顶罐外表面通常具有保温层，外界水会随着保温层缝隙进入从而造成焊缝处严重腐蚀的发生。焊缝是储罐发生腐蚀的薄弱环节，电偶腐蚀是主要因素，应力集中、焊接咬边未磨平等焊接缺陷是焊缝腐蚀的加速剂。罐底下表面的腐蚀原因主要有土壤腐蚀、杂散电流腐蚀、氧浓度差电池腐蚀以及不同金属引起的电偶腐蚀。

合理的防腐措施是有效应对腐蚀失效的最佳方式。1.合理选材。在设计初期应充分考虑不同部位的腐蚀因素合理选择耐腐蚀性材料，对于腐蚀性强的介质，应该适当增加化工设备壁厚。2.选择合适防腐涂层并增加阳极保护措施。3.添加缓蚀剂。4.对母材进行钝化处理。实验表明，常用的碳钢钢材经过钝化处理之后，耐腐蚀性明显增加；以20#钢为例，钝化后腐蚀速率仅为未处理时的1/5。

4.稳定性失效

大型储罐的稳定性失效常见于拱顶稳定性失效。拱顶是立式圆筒形固定顶储罐中使用最为广泛的一种罐顶形式，当储罐呼吸阀失灵，或放水时进气阀未打开，或放液速度过快时，会造成罐内真空度增加导致拱顶局部失稳，影响设备的安全性。

中小型的LNG低温卧式储罐，其内容器在真空条件下操作，外容器外表面承受大气压，稳定性失效是常见的一种破坏。稳定性失效即对于受到外压荷载作用的圆柱形筒体，一旦外压荷载提高到某一个临界值时，圆柱形壳体会发生屈曲失稳，即壳体出现波纹或整体扁塌从而失去原本的形状。由此可见，对于承受外压的化工设备而言，除了对其强度进行校核之外，还应该对设备展开稳定性分析。

为了避免储罐在运行过程中发生稳定性失效，可以对大型储罐的拱顶采用加筋肋的方式增加拱顶的整体刚度；对于中小型天然气储罐可以采取设置加强圈，缩短外压长度的方式进行设计。这两种方法相较于加大壳体厚度的方法而言，都是更加经济有效的办法。如果一旦出现了拱顶失稳现象，还可以采用挖补更换法、充气补压法、注水加压法或机械拉拽法修复，如果修复方法得当，储罐一般可以恢复原状继续使用。

5.应力腐蚀失效

应力腐蚀失效不同于一般的腐蚀失效。应力腐蚀开裂是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定的腐蚀介质共同作用下产生的一种脆性断裂失效方式。其破坏机理一般认为是腐蚀的阴极反应析出氢原子进入金属晶格，并在裂纹尖端及其他应力集中处聚集，聚集的氢原子会降低晶格间的内聚强度，生成不稳定的氢化物，促使位错和局部的塑形形变，增加局部材料的脆性，在拉应力作用下产生脆断失效，是不易发现且极难预防的一种失效形式。发生应力腐蚀开裂失效的一个必要条件是拉应力作用，而焊接、金属加工变形与结构不合理产生的残余应力是拉应力的主要来源。

预防应力腐蚀失效的方法有以下几个方面：首先是罐体焊接完成后进行整体热处理，这样可以有效消除加工施焊过程中的残余应力。其次是严控H2S含量，罐体表面喷涂保护膜，避免产生腐蚀环境。此外，加强对化工设备的管理与定期检验工作对于预防各种破坏失效都是意义非凡的。

6.地震失效

从历年间地震对大型储罐损害的报告来看，在地震力的作用下，大型储罐的失效模式往往有以下几种：1.罐壁屈曲失效。这其中包括象足屈曲和菱形屈曲，根据研究，象足屈曲的破坏机理在于，罐壁竖向压应力与内压产生的环向拉应力共同作用导致罐壁底部失稳，发生象足屈曲变形。而菱形屈曲现象通常是由较高的轴向压应力作用产生的一种弹性屈曲。在地震载荷作用下，高储罐更容易发生菱形屈曲破坏，有实验测得当罐壁发生菱形屈曲时，临界压应力约为理论屈曲临界压力的60%。2.罐顶发生损坏。固定顶的损坏通常是罐壁与罐顶连接处焊缝开裂以及固定罐顶发生屈曲失效，而可浮动式罐顶则会因储液晃动引起浮舱和单盘的焊缝处开裂以及浮顶被卡住不能升降。

地震对于储罐安全性的危害不言而喻。1964年日本新泻地震导致炼油厂储罐被破坏引发爆炸和火灾，有八十多座大型储罐被烧毁，造成极其严重的经济损失和环境污染。对于大型LNG储罐的抗震研究多是进行结构响应分析，动力特性分析，强度分析以及稳定性失效分析等。国内外学者的大量研究成果不断推动储罐结构的改进以增加其抗震性能，但是由于地震灾害的复杂性与不确定性，储罐的抗震研究仍然需要进一步探究。

7.结语

随着近年来石油化工产业的大力发展，储罐形式趋于大型化。为了避免重大安全事故的发生，设计者和管理者都应该了解储罐的失效模式，并在设计与使用过程中采取恰当的预防措施。本文总结了前人的一些研究成果，但储罐的失效预防仍需要进一步深入研究。

参考文献

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