埋地罐的外压计算、结构优化及防腐_盛涛涛.pdf

应用研究0 引言在 ABS 树脂生产项目中，所用原料包括 1,3-丁二烯，1，3-丁二烯在常温常压条件下为无色气体，具有特殊气味，熔点为-109，沸点为-4.4，微溶于水，易溶于丙酮、乙醚、氯仿等。1，3-丁二烯与空气形成爆炸性混合物，爆炸极限的体积分数为2.16%11.47%。丁二烯的爆炸事故时有发生，2010年 1 月 7 日，兰州石化分公司 316 号 1，3-丁二烯罐区发生火灾爆炸事故，造成 6 人死亡，6 人受伤，摘 要 以ABS项目中1，3-丁二烯埋地罐为例，分别从盛装介质为极度高度危害的埋地罐的外压计算、结构设计、腐蚀防护方面遇到的难点进行分析，基于EMMUA的覆土外压计算方法，提出将设备设计负压与覆土外压叠加作为储罐的外压计算压力；采用接管集中布置，使用隔离环结构，鞍座底板增设PTFE板等方法优化了设计结构，以便于检修；提出使用防腐试板的方法，解决了埋地罐的外表面腐蚀检测难的问题，为储罐安全运行提供保障。关键词 1，3-丁二烯 埋地罐 外压计算 结构优化 防腐试板 中图分类号 TQ 053.2 DOI：10.16759/ki.issn.1007-7251.2023.04.008External Pressure Calculation,Structural Optimization and Corrosion Prevention of Buried TanksSHENG TaotaoAbstract:Taking the buried 1,3-butadiene tank in the ABS project as an example,the difficulties encountered in the external pressure calculation,structural design,and corrosion protection of buried tanks containing extremely hazardous media were analyzed.Based on the EMMUA method for calculating the external pressure of soil cover,the superposition of the equipment design negative pressure and the external pressure of soil cover was proposed as the external pressure calculation pressure of the tank.The design structure was optimized by adopting centralized arrangement of nozzles,using isolation ring structure,and adding PTFE plates to the saddle bottom plate,which facilitated maintenance.The method of using corrosion resistant test plates was proposed to solve the problem of difficult corrosion detection on the outer surface of buried tanks,providing assurance for the safe operation of the tanks.Key words:1,3-butadiene;Buried tank;External pressure calculation;Structural optimization;Anti-corrosion test plate盛涛涛*（沃利工程技术有限公司）埋地罐的外压计算、结构优化及防腐*盛涛涛，男，1986年生，硕士研究生，工程师。上海市，201100化工装备技术30第 44 卷第 2 期 2023 年 4 月2023 年 4 月312017 年 11 月 1 日，美国宾夕法尼亚州哈里斯堡路一辆轨道车发生 1，3-丁二烯泄漏，造成 50 人被疏散。1，3-丁二烯已被列为首批重点监管的危险化学品 1。其有麻醉性，特别刺激黏膜，2017 年世界卫生组织国际癌症研究所机构将 1，3-丁二烯列为一类致癌物。1，3-丁二烯属于液化烃，按照火灾危险性分类属于甲类，根据 GB 501602008石油化工企业设计防火规范，如果丁二烯罐在室外露天布置，则应设置防火堤，安装可燃气体报警装置，设置消防冷却系统，并配置移动式干粉灭火设施等。如果将丁二烯罐采用埋地设置，不仅可以节省配置相关防火设施所产生的费用，而且减小了储罐及其相关设施的占地面积，也大大增加了安全性。因此，从经济性和安全性角度考虑，将 1，3-丁二烯罐罐做埋地设计。由于储罐埋于地下，受到非均匀性的覆土压力及地下水浮力等影响，覆土及水中的微生物会等对储罐造成较大的腐蚀，且一旦发生泄漏不容易被发现。据统计，埋地罐的泄漏事故多发生在运行 7 a 以后，运行 1015 a 时事故发生较为频繁2。因此，埋地罐的设计及防腐是工程设计中的难题，目前国内尚无统一的设计规范，由此本文将借鉴近年来国内外埋地罐的设计经验，以 1，3-丁二烯埋地罐为例剖析埋地罐的设计难题。1 设计条件及简图根据 TSG 212016固定式压力容器安全技术检擦规程第 3.1.9.3 条规定，常温储存液化气体压力容器规定温度下的工作压力，按照不低于 50 时的实际饱和蒸汽压来确定，1，3-丁二烯在 50 下的饱和蒸汽压为 0.568 MPa,设计压力应在工作压力的基础上增加设计裕量，根据 HG/T 20570.11995设备和管道系统设计压力和设计温度确定第 1.0.4 条规定常温下储存丁二烯容器的设计压力为 0.79 MPa。设计温度是指压力容器在正常工作条件下，设定的元件温度（沿原件截面的温度平均值）。当正常工作条件下大气环境温度对压力容器壳体金属温度有影响时，常温储存压力容器最低设计金属温度不得高于历年来月平均最低气温（当月各天的最低气温值相加除以当月的天数）的最低值。按照以上定义，丁二烯储罐的最低设计温度应当选取建设地点历年来“月平均最低气温”的最低值，根据项目的基础设计数据可知，建设地月平均最低气温为 5.64。最高设计温度可按操作介质的正常温度加 1530 选取。具体的设计取值可见表 1。表 1 1，3-丁二烯埋地罐设计条件项目参数项目参数介质1，3-丁二烯容器内径/mm5 000密度/（kg m-3）618壳体长度（切线）/mm17 000最大操作压/MPa0.2监察规程TSG 212016最大操作温度/25设计标准GB/T 1502011设计压力/MPa0.79/-0.1主体材料S22053设计温度/70覆土深度/mm1 000为了减少地下水及微生物对罐体的腐蚀影响，该1，3-丁二烯罐采用防渗池的安装方式，即将储罐放入易混凝土槽内，向槽内底部填充粗砂，上部填细沙和混凝土层，设计简图如图 1 所示。采用防渗池结构可以隔离地下水对储罐的浮力作用，因此也无需对储罐进行抗浮验算。图 1 1，3-丁二烯埋地罐简图（单位：mm）2 埋地罐的设计外压计算 由于埋地罐的顶部需要埋沙和混凝土，所以必须考虑沙子和混凝土自重对储罐产生的静压力，即储罐的计算外压力如图 2 所示，但国内尚无标准规定外压计算，本文根据工程设备和材料用户协会的相关资料对储罐所受外压进行计算。沙和混凝土对筒体的作用力 Q 可按下式计算：（1）式中：s每立方米覆土的质量，kN/m3；盛涛涛：埋地罐的外压计算、结构优化及防腐第 44 卷第 2 期化工装备技术32 H埋地罐覆土上表面到储罐设备中线的距离，m；R 埋地罐筒体的外径，m。储罐壁厚相对于内径 5 m 可忽略不计，因此选取筒体内半径；L两加强圈之间的距离，m。将 H=3.52 m,s=19 kN/m3,L=3 m，R=2.5 m 带入上式计算得：Q=679.3 kN。作用在圆筒上的径向压力 q 为：（2）外压 p=p0-q=-0.1-0.057 7=-0.157 7 MPa。取设计外压 pd=-0.16 MPa，用 SW6 计算在此外压下所需的筒体壁厚。HH/3H/32R图 2 筒体受外压示意图 3 埋地罐的结构优化由于埋地罐检修不方便，设备泄漏时不容易被发现，因此埋地罐在结构设计上应尽量减少焊缝，避免在罐体上接出多管口，且要将管口集中布置3，在罐体上设置一个或两个大管口，把小接管开孔集中设置在大管口的封头上，人孔也设置在封头上，内部设置通向罐底的斜梯。在大管口的外部，为了防止沙子和混凝土对大管口与筒体的连接焊缝产生较大 作用力，采取了图 3 所示的结构，在距离筒体约 250 mm 处设置一个厚度约为 4 mm 的隔离环，隔离环与大管口之间的间隙约为 40 mm，间隙的顶部设置防水挡板，防止雨水的进入。在隔离环的外部设置一圈厚度约为50 mm 的 GRE(玻璃钢环氧增强树脂)或者其他同类材料，采用这种结构可以有效减弱外部载荷对大管口与筒体的连接焊缝作用力。考虑到管口的功能性，有些管口无法集中布置，如罐底介质出口，其结构设计如图 4 所示。出口 N3由一个弯头和一段直管引出，弯头和直管被埋在沙子里，接管与罐体及弯头处的焊接焊缝可能会发生介质泄漏，并且一旦泄漏，不容易被发现。在管口 N3 上增设一个夹套结构，当有介质泄漏时，夹套里面压力会升高，这时夹套上的压力表口就会显示压力升高，从而达到检测介质泄漏的目的。图 4 介质出口的结构简图（单位：mm）1，3-丁二烯埋地罐的筒体切线长度为 17 m，设计中采用三鞍座结构，中间为固定端，两端为活动端，在每个鞍座的底部焊接一块与底板相同尺寸的不锈钢板，在混凝土墩的顶部放置一块与混凝土墩顶部大小相同的聚四氟乙烯板，为了使筒体延长度方向膨胀时，活动端鞍座更易滑动，防止因壳体轴向膨胀与沙子的作用力对壳体产生破坏。4 制造与防腐对于介质具有极度危害性的埋地罐，应当严禁发生泄漏现象，因此，需对储罐的制造和防腐要求更加严格。1，3-丁二烯埋地罐制造时应确保所有 ABD图 3 大管口与筒体连接简图（单位：mm）防水挡板4隔离环40250筒体GRE2023 年 4 月33类焊缝全焊透，对 A、B 类焊缝进行 100%射线检测，合格级别为 II 级，对 A、B、C、D、E 类焊缝进行 100%渗透检测，合格级别为 I 级。对不锈钢设备水压试验应使用氯离子质量含量小于 2510-6的水进行水压试验合格后应尽快放水并及时将设备吹干，然后进行气密性试验，试验压力为 0.8 MPa。设备的部分内外表面应做酸洗钝化处理，所形成的钝化膜应采用蓝点试验法，无蓝点为合格。设备制造完成后应进行涂漆防腐，涂料需要满足以下几点要求：漆膜应有良好的机械性能以防回填时沙石损坏防腐层；涂层在罐外壁要有耐久的附着力或黏结力，以防土壤中的水汽向罐壁和涂层之间迁移；吸水性和潮气渗透性好，避免罐体外表面与周围电解质接触，确保其电介性能；漆膜必须与阴极保护相匹配，防止静电作用导致漆膜脱层；漆膜有足够高的绝缘性能，使罐外壁与周围介质适当隔开；涂层不会因季节变化或设备内介质的温度、沙土潮气的作用而产生脱落现象；耐细菌及微生物等腐蚀；外表平整光亮，易于施工；涂料无毒，施工时对人体无伤害，对环境无污染4。结合以上涂漆的性能要求，对丁二烯埋地罐进行涂漆，碳钢外表面涂环氧富锌底漆，干膜厚度为 75 m，厚浆型聚酰胺环氧为中间漆，干膜厚度为 150 m，厚浆型脂肪族聚氨酯为面漆，干膜厚度为 50 m。不锈钢外表面进行轻度喷砂处理 Sa1，喷砂处理后涂两层改性环氧树脂漆，每层干膜厚度为250 m。该设备具备 4 块腐蚀试样，可在使用过程中检测所埋沙土对设备腐蚀情况，该试样材料与设备本体材料同炉批号，每块试样的一侧表面均按设备的不锈钢防腐