液化烃球罐失效及事故模拟技术研究概述

唐源宋 刘贵杰

(中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071)

液化烃球罐失效及事故模拟技术研究概述

唐源宋 刘贵杰

(中国海洋大学工程学院,山东青岛 266071)

石化工业是我国重要的支柱产业,国家财税收入的主要来源,其发展状况直接影响国家的经济基础。但同时石化行业属高风险行业,装备投资巨大,因此确保装备的安全、防范装备的风险是石化工业生产运行中非常重要的一个方面。石化装备往往具有大型、工艺复杂、高自动化、直接或间接与危险介质(易燃、易爆、有毒)接触等特点,其运行状态一旦出现问题,不仅会导致生产损失,而且有可能引起灾难性事故的发生,社会影响巨大,因此保证石化装备的正常安全运行具有非常重要的现实意义,尤其是关键装备,例如液态烃球罐。

液态烃球罐 火灾 泄漏 腐蚀

1 液态烃球罐事故

液态烃球罐是石油化工行业中被广泛应用且危险性较大的重要装备之一。球罐作为存储化学介质的压力容器，在我国石油化工行业中得到了广泛的应用。在所有球罐中，约有40%是用来存储液化石油气(LPG)的，但LPG球罐往往因其存储介质中含有硫化氢等腐蚀性离子而具有很大的危险性，这些介质对球罐用钢十分敏感，易造成球罐的开裂，进而造成一些突发性的灾难。近些年来，随着高含硫原油进口量逐年增加，国内原来炼制低硫原油的装置工艺、设备已满足不了所处理介质腐蚀性的要求以及不断提高的产品标准的要求。由于炼制出来的LPG产品不能进行严格的脱硫和脱水处理，致使最后生产出来的LPG中往往含有超过标准含量的硫化氢。含超标硫化氢的LPG进入存储设备后，硫化氢易与LPG中的少量水气构成具有较强腐蚀性的湿硫化氢环境，导致在这样环境中储存LPG的一些碳钢和低合金钢设备由于腐蚀所造成的开裂事故率有上升的趋势。

钢制球形储罐作为石油及化工行业应用较多的液态烃存储设备之一，在石油、化工生产及日常生活中发挥着重要作用。作为Ⅲ类压力容器，液态烃球罐在服役过程中，除了受罐内压力波动产生的疲劳荷载作用外，还经常会受到内外环境介质的腐蚀，给球罐的安全运行及企业的安全生产带来了严重威胁。其中罐壁的腐蚀开裂或裂纹扩展主要发生在焊接热影响区、凹陷及变形处，球罐底部腐蚀裂纹主要发生在油水界面处。同时球罐由于自身结构的特点，在罐壁的接管处存在应力集中和较大的二次应力，极易在这些部位发生应力腐蚀开裂，使得这些区域罐体的腐蚀速率加快。加之球罐常用的涂料防腐效果较差，随着使用年限的增加，球罐的腐蚀程度逐渐严重，局部罐体的更换又进一步改变了罐体的结构特征，这将导致球罐发生失效破坏事故。

当前国内在球罐的维修基本上是在发生故障后进行，损失较大、维修费用高。如何合理地分析球罐的缺陷分布情况，正确地评价球罐的安全可靠性、科学的模拟液化烃球罐事故，已成为相应炼油及石化储存企业迫切需要解决的难题。

2 国内外研究背景

安全可靠的装置设备是油气加工系统安全保障的基础和先决条件，而先进、科学的标准和规范则是提升装置本质安全的依据，因而世界各国都把制定和完善相关规范作为研究的首要目标。目前世界各国上颁布的有关结构安全与缺陷评定的规范已不下数十部，这些标准按照其建立的理论基础大致可以分为三类:①以线弹性断裂理论为基础的评定方法。②以COD理论为基础的评定方法。③以失效评定图技术为基础的评定方法。

近年来断裂力学涉及专业的广度和深度不断拓宽，推动了含缺陷结构评定规范不断更新和完善，随着老评定规范版本的退役和新评定标准的颁布，含缺陷结构的评定规范也发生了很大的变化。欧洲委员会(EuropeanCommission)于2000年发表了“欧洲工业结构完整性评定方法”，简称SINTAP，这实际上就是未来欧洲统一标准的草稿。目前新版R6和PD6493的2000版(现已改为BS7910)的评定技术和风格均已向SINTAP靠拢。其二是美国石油学会于2000年颁布了针对在用石油化工设备的合乎使用评定标准API579“推荐用于合乎使用的实施方法”(Recommendationpracticeforfitness-forservice)。这一标准在内容上具有鲜明特色，与SINTAP、R6和BS7910主要针对于电站、海洋石油平台的工业背景不同，API579的背景是石油化工承压设备，不仅包括了在用设备缺陷安全的评定，还在很广范围内给出在役设备及其材料的退化损伤评估方法，例如其第4章给出了均匀腐蚀的评定方法，第5章给出了关于局部减薄及槽形凹坑的评定技术及验收准则，第6章给出了点腐蚀损伤的评定方法，第7章给出了鼓泡及分层的评定方法，第8章给出了筒体不圆、直焊缝噘嘴和错边的评定方法。第三是特殊环境下含缺陷结构的完整性评定。随着以核电和石油化工为代表的工业向高温、高压等高参数化发展，促使人们重视并开始研究高温环境下结构的设计和完整性理论与技术，例如英国R5规程、PD6539和BS7910，法国RCC-MR规范的附录A16、以及德国的FBH方法等几部都是专门用于高温结构完整评定的规范。

上述规范方法的形成是大量基础研究成果的体现，纳入了较先进的评定方法，包括先漏后爆(LBB)评定、裂纹止裂评定、概率断裂评定和位移控制载荷下的评定，还考虑了拘束度影响的修正、强度不匹配影响的修正、局部法及加载历史的影响等。

3 国内研究现状

与工业发达国家已经系统性地开展了几十年的研究工作相比，我国的研究时间较短，只是在文革以后，受到过程工业事故率第二个高发期的巨大压力，国内学者才针对压力容器大量存在的超标缺陷这一中国特有问题开展了全国性的联合攻关，研究成果形成了“压力容器缺陷评定规程”(CVDA－84)。此后经七五、八五和九五期间近千名研究人员的协同研究，对CVDA－84规程的技术路线进行了修正和改进，在吸收消化欧美国家先进失效评定图技术的基础上，完成了国家标准GB/T19624-2004“在用含缺陷压力容器安全评定”。然而这一标准目前只涉及了承压装备的弹塑性断裂和疲劳评定问题，不能用来处理腐蚀、应力腐蚀、高温等环境下特种设备的失效和安全评定问题，对近期国际上在材料、断裂力学、测试技术方面的最新研究成果，则没有包括。

另外，1990年代美国石油协会在20多个石化公司的赞助下组织开展了针对石化成套装置的RBI(基于风险的检验)技术研究，于2002年颁布了API580“RBI”，得到世界各国的广泛认可，并迅速应用于石化企业的设备管理。风险评价技术在国内还刚刚开始，目前在科技部攻关项目的支持下，正在开始研究建立城市埋地燃气管道风险评估技术体系，正在着手建立石化成套装置RBI技术体系。

上述安全评价理论与规范主要是针对在用装置与设备，近年来将安全理念贯穿装备从设计、制造、运行、维修直至报废的全生命周期正日益得到人们的重视，全寿命周期安全的概念旨在使人们在承压装置的设计和运行的早期阶段可以预知其“出生”后的风险与“命运”，同时为预测维修模式的实施提供理论支持。这涉及材料、结构、使用环境和生产工艺等多方面的大量控制因素。如何建立从材料性能试验数据，通过整体布局及局部应力分析技术，同时考虑系统工艺和环境介质的影响来预测复杂结构的损伤容限与可靠性，以及通过标准谱下的试验数据确定装备安全、可靠、经济的使用寿命，是当今仍未解决的重大问题。

近些年来，由于原油中硫含量以及化工设备材料强度的级别不断提高，使得很多设备在湿硫化氢环境下服役并发生应力腐蚀开裂(StressCorrosionCracking，SCC)或氢脆失效(Hydrogen Embrittlement，HE)，引起设备的破裂、泄漏甚至爆炸，造成巨大的经济损失与人员伤亡。1984年，芝加哥Lemont炼油厂一液化气球罐氢致开裂导致15人丧生，22人重伤;同年，墨西哥城一大型炼油厂液化气储罐由于硫化物应力腐蚀开裂(SulfideStressCracking，SSC)而导致泄漏，造成500人死亡，厂区周围7000人受伤。

液态烃球罐所面临的介质环境主要是湿硫化氢环境，在湿硫化氢环境下，金属的失效行为都与金属表面化学反应析氢有关。在湿硫化氢环境下，由氢导致的设备应力腐蚀开裂一般都称为氢损伤，其形式基本可以分为两类:①应变相关式，即裂纹的出现需要材料在宏观上的塑性变形。这种形式因为需要宏观上的屈服，所以一般发生在较高的应力情况下，同时会导致材料韧性的下降。其中典型的失效形式为硫化物应力腐蚀开裂(SSCC);②应变无关式。即裂纹由于材料内部局部区域的塑性变形而导致，可能在没有拉应力的作用下形成。其中典型的失效形式有氢鼓泡、氢致开裂(Hydrogen-InducedCracking，HIC)、应力导向的氢致开裂等。由于球罐设计与制造的原因，造成湿硫化氢环境下开裂问题日益增多。

[1]R D Merick. Refinery Experience with Cracking in Wet H2S Environment[J]. Mater Perf,1988,27(1):30-36.

[2]J E Cantwell. LPG Storage Vessel Cracking Experience [J]. Mater Perf,1988, 27(10):79-82.

[3]D K Trivedi, S C Gupta. Cracking in Liquid Petroleum Gas Horton Spheres[J]. Mater Perf,1997,36(7):59-61.

[4]许适群.加工高硫原油可能出现的腐蚀问题[J].石油化工腐蚀与防护,1998,15(1):1-6.

[5]王维宗,贾鹏林,许适群.湿硫化氢环境中腐蚀失效实例及对策[J].石油化工腐蚀与防护,2001,18(2),7-13.

[6]上田修山(荆洪阳译).结构钢的焊接——低合金钢的性能及冶金学[M].北京:冶金工业出版社,2004.273-274.

[7]S Y Tai, J C Oung. Statistical Analysis of Corrosion Problems in Over 80 LPG Tanks in Taiwan [C]. Houston, Corrosion91, 1991.315-320.

[8]卓旻.加工含硫原油工艺设备的腐蚀与防护[J].石油化工设备技术,2002,2(3):53-56.