常压储罐改造为微内压储罐的稳定性分析
常压储罐改造为微内压储罐的稳定性分析
王金花
（中海油石化工程有限公司）
摘要：本文结合某石化公司一台5000 m3 乙烯储罐，进行常压储罐改造为微内压储罐的稳定性分析，提出了一种不设置锚固构件的保证储罐使用安全的改造方法。
关键词：氮封 稳定性 改造 锚固
随着国家对VOCs 排放要求的提高，越来越多的储罐增设氮封设施，以减少储罐内介质的挥发，同时也让储罐介质与空气隔绝，防止介质与氧气反应[1]。原来储罐是常压罐，增加了氮封设施后，由于氮封压力的影响，储罐变为微内压储罐。为此，在进行储罐改造时，首先要计算微内压作用下，储罐的罐底板、罐壁板、罐顶板是否能满足强度要求，同时还要进行抗风稳定性校核、抗震校核等[2－5]。一般情况下，氮封压力不会很高，强度计算都能满足要求。但对于一些在风压较大的地区建造的储罐，因为内压的增大，空罐状态下储罐抗风稳定性校核常常不能通过。下面以某石化公司一台5000 m3 乙烯储罐改造为例，进行常压储罐改造为微内压储罐的抗风稳定性分析。
1、设计说明
5000m3 乙烯储罐主要设计条件见表1。
表1 5000m3 乙烯料储罐设计条件
图片
5000 m3 乙烯储罐原来工作压力为常压，罐壁设置通气窗，罐顶设置通气孔，设计压力取0 kPa(G)，增加氮封后压力为0.5 kPa(G)，呼吸阀压力为1.47/-0.297 kPa(G)，紧急泄压人孔压力为1.9 kPa(G)，因此设计压力取1.96/-0.49 kPa(G)。储罐罐底边缘板厚度为12 mm，中幅板厚为8 mm，罐壁板分10 圈，厚度为14/12/12/9/8/8/6/6/6/6/6 mm，罐顶板分26 块，厚度6 mm，设两层抗风圈。改造时，现场未提供实际的罐底罐壁罐顶厚度，因此按照原设计厚度考虑，通过计算，厚度满足强度要求。常压罐改造为微内压储罐以后，由于乙烯储罐内压产生的举升力大于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重，经过核算，顶板与罐壁的连接处校核满足要求。
2、稳定性分析
2.1 计算结果
储罐设计时，除了计算强度外，还要进行抗震校核、抗风稳定性校核等。通过计算，5000 m3 乙烯储罐在1.96 kPa 的设计内压下，罐不稳定，需要设置锚固，但是如果设置锚固，则土建基础需要重新设计，施工难度相当大。为了避免过大的改动，同时考虑经济因素，改造的储罐不宜设置锚固构件[6]。改造时为保证储罐不设置锚固构件，应尽量减小氮封压力以减小设计内压。
2.2 稳定性分析
一般情况下，储罐是否设置锚固取决于以下几个因素[7]：①内压产生的举升力是否小于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重；②罐壁底部不被抬起的最大设计压力是否大于设计压力；③抗风稳定性计算是否满足要求；④抗地震倾覆锚固比J 是否满足要求。如果内压产生的举升力小于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重，罐壁底部不被抬起的最大设计压力大于设计压力，抗风稳定性满足要求，抗地震倾覆锚固比J 满足要求，这四种情况下都不需要设置锚固。相反，如果上述四个因素任意一个不满足要求，储罐都要设置锚固构件[8]。
马燕等[9]指出，内压对储罐产生的影响是容易引起罐底与罐壁的连接处发生提离、罐壁与罐底连接焊缝的撕裂，内压和风载荷同时作用下还会加剧纯风载荷对储罐造成的倾倒倾向。因此，常压储罐改造成微内压储罐时，要特别注意设计内压对储罐倾覆的影响。通过计算，5000 m3 乙烯储罐内压产生的举升力不大于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重，且抗地震倾覆锚固比J 满足不设置锚固的要求，设置锚固的根本原因是抗风稳定性不满足要求。当储罐不发生倾倒时，应满足：
图片
通过计算[10]，5000 m3 乙烯储罐不满足公式（1），公式（1）是在空罐状态下的校核。通过分析，只能降低空罐时的设计内压。计算可知，储罐不发生倾倒时，空罐时最大内压为1.0 kPa，此时不需要设置锚固结构。通过计算，设计内压为1.0 kPa 时，内压产生的举升力小于罐壁、罐顶及其所支撑构件的总重。
由公式（2）可知，MDL 为罐壁及罐顶支撑件重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩， MDLR 为罐顶板及附件重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，二者均无法改变。为保证在实际运行状态下储罐不发生倾倒，提高MF，即储液重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩可以满足公式（2）。通过分析可知，
图片
根据已经确定的MW、Mpi、MDL 和MDLR 确定MF, 然后根据公式计算出H。通常，储罐分析过程中，HW 取设计液位高度，0.7 为介质的相对密度，考虑设计液位时介质提供的反倾倒力矩。因设计内压较大，故设置一个最低液位以提供储液重量的反倾倒力矩，从而保证设计内压下储罐不发生倾倒。经计算，最低液位为4 m。因此，设计内压为1.0 kPa时，储罐最低液位不宜低于4 m。
在实际工程应用中，越来越多的储罐需要增设氮封设施进行改造，很多存在需要增加锚固构件的情况。本文从理论角度出发，得出一种不设置锚固构件的方法，减少了储罐改造时的施工难度及经济投入。但是这种方法对于储罐的现场使用增加了限制条件，所以，建议改造时尽量减小氮封压力以减小设计内压，从而从根本上保证储罐在不设置锚固构件的情况下安全使用[11]。
3、其他
5000 m3 乙烯储罐增设氮封设施后，需要将原来罐壁通气孔拆除并用封板进行封堵，封板材料宜与罐壁材料一致，罐顶通气管也要封堵，罐顶通气管处建议将接管和补强圈拆除并用封板封堵，改造后应对通气孔的密封性能进行检测，以满足氮封工况要求。罐顶增设氮气口、呼吸阀口、压力表口等开孔。改造完成后，对储罐需要重新进行水压试验和正负压试验。另外，因为利旧储罐改造，强度计算按照原设计厚度，腐蚀裕量按原设计取值，储罐使用后会发生腐蚀磨损，设备使用中应缩短检验周期，加强壁厚检测，从而确保储罐使用安全。
4、结语
通过上述分析，储罐改造为低内压储罐时要注意以下几点，以保证储罐改造后安全使用。
（1）设计内压变大，需要重新进行强度校核。
（2）重新进行稳定性校核和抗震校核等，当不满足而要求而需要设置锚固时，应从理论分析出发，并结合现场实际情况，提出合理的措施防止储罐倾倒。
