油水分離罐罐頂塌陷原因分析及處理方案

杜曉吉，劉玉平

（陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神木天元化工有限公司，陜西榆林 719319）

1 設(shè)備概況

該罐為拱頂結(jié)構(gòu)（圖1），于2007年11月投用，材料為Q235B，公稱(chēng)容積400 m3，罐底配備加熱器。

2 故障現(xiàn)象

使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)罐體頂部非放空口有蒸汽外泄，檢查發(fā)現(xiàn)罐頂塌陷（圖2）。

現(xiàn)場(chǎng)查看并對(duì)罐壁厚度進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)及檢測(cè)結(jié)果如下：①控制室DCS 查看罐內(nèi)液位，在7.5 m 左右；②罐體頂部以放空總管為中心向下塌陷，塌陷直徑約5 m，南側(cè)塌陷部位稍多；③放空管及頂部人孔、取樣孔處于敞開(kāi)狀態(tài)，有氣體排出；④罐頂保溫有水痕；⑤上部罐側(cè)壁（8 m 以上）裸露部位（平臺(tái)支撐件焊接部位），目測(cè)有表面腐蝕脫層，厚度檢測(cè)3.2 mm、3.3 mm；⑥下部罐壁測(cè)厚結(jié)果為4.71 mm、5.16 mm、4.7 8mm、4.97 mm、5.27 mm、4.7 mm、4.67 mm、4.69 mm、4.74 mm；⑦罐頂測(cè)厚前，用銼刀打磨時(shí)，發(fā)生頂板穿透（圖3、圖4），穿透部位局部已無(wú)金屬層，周邊金屬層厚度約0.8 mm。

3 罐頂受力分析

結(jié)合球殼大變形理論及量能分析法[1]，確定使用量能分析法進(jìn)行估算：能量分析法計(jì)算公式Pσ=0.3591E（δn/R）2，其中Pσ為臨界失穩(wěn)壓力，E 為彈性模量，δn為計(jì)算厚度，R 為球殼曲率半徑，彈性模量E 一般取210 GPa，R=9600 mm，δn=5 mm。則臨界失穩(wěn)壓力，Pσ=20 469.6 Pa；罐頂自重，2384 kg＋79.1 kg=2463.1 kg；保溫重量，巖棉密度取中位數(shù)150 kg/m3，厚度取100 mm，150×50×0.1=750 kg；罐頂投影面積，3.14/4×7.98×7.98=50 m3；假設(shè)重力均勻分布，則外壓為P＝（2463.1+750）×9.8/50=629.7676 Pa。

當(dāng)腐蝕發(fā)生后，最小的安全金屬厚度應(yīng)該為δn=（Pσ/0.3591E）R=[630/（0.3591×210×109）]1/2×9600=0.8736 mm；安全系數(shù)取3，則安全厚度δn=0.8736×3=2.6208 mm。即，當(dāng)腐蝕到金屬層厚度為2.6 mm 左右時(shí)，罐頂處于不安全狀態(tài)；而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際腐蝕狀況是，大面積腐蝕后金屬層剩余厚度約0.8 mm（圖4 檢測(cè)結(jié)果），且金屬層已經(jīng)出現(xiàn)網(wǎng)狀穿孔，個(gè)別部位金屬層已腐蝕消失。

4 腐蝕定性分析

圖1 罐體外形結(jié)構(gòu)型式

圖2 罐頂塌陷

圖3 頂部測(cè)厚時(shí)穿透處

圖4 頂部取樣

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際腐蝕情況嚴(yán)重，局部位置金屬層已經(jīng)消失，整個(gè)腐蝕產(chǎn)物厚度在3.8～4.2 mm。截取含金屬層頂板樣品，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：含玻璃棉、漆膜及腐蝕后金屬層總厚度約1.7 mm，局部金屬層厚度約0.8 mm，此處金屬層已出現(xiàn)網(wǎng)狀穿孔。由此，可大致判斷為外部腐蝕層厚度在1 mm 左右，內(nèi)部腐蝕層為4 mm 左右，腐蝕以?xún)?nèi)部腐蝕為主。

4.1 頂板內(nèi)部腐蝕分析

查閱儲(chǔ)罐使用期間水質(zhì)分析臺(tái)賬（表1）。

表1 水質(zhì)分析臺(tái)賬

氨與碳鋼反應(yīng)，生成氫氧化鐵，對(duì)碳鋼有鈍化作用。但當(dāng)氧氣充足時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氫氧化鐵分解為氧化鐵，對(duì)鋼材造成腐蝕。3#分離罐液位在2～7.5 m 之間波動(dòng)，液位降低過(guò)程中會(huì)有空氣進(jìn)入罐體，因而產(chǎn)生氨腐蝕。加之該罐操作溫度長(zhǎng)期處于60 ℃左右，加劇了氨腐蝕的產(chǎn)生。據(jù)《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》[2]，碳鋼設(shè)備對(duì)干氨氣及液氨的腐蝕速率在0.1 mm/a 以下，但在濕氨氣和氨水溶液中，腐蝕速率在1 mm/a 以下。

氯離子與碳鋼反應(yīng)，生成物比較復(fù)雜，固態(tài)下以氫氧化鐵、四氧化三鐵存在，結(jié)構(gòu)松散。在取樣過(guò)程中，頂板腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)松散，與氯離子腐蝕產(chǎn)物較為類(lèi)似。

4.2 腐蝕產(chǎn)物分析

腐蝕產(chǎn)物中檢出少量H2S 和較多NH3，因腐蝕產(chǎn)物成分復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行定量分析。從定性分析中可以看出，頂板的腐蝕主要為氨腐蝕所致。硫化氫的來(lái)源，因污水來(lái)源較多，不能直接判定。

4.3 頂板外部腐蝕分析

外部腐蝕大概有以下2 種可能：①雨水進(jìn)入保溫層后，對(duì)罐頂壁侵蝕，GB/T 11835—2007 中指出，巖棉纖維及其粘合劑在有水或水蒸汽環(huán)境下會(huì)對(duì)金屬造成腐蝕[3]；②焊縫泄漏或頂部腐蝕穿孔后，內(nèi)部泄漏氣體在保溫層與頂板外壁處無(wú)法泄放，造成腐蝕加?。ǜ鶕?jù)罐頂情況來(lái)看，此項(xiàng)腐蝕的可能性更大一些）。

5 處理方案

維修方面：①拆除拱頂及8 m 以上罐體，重新制作安裝；②取消罐頂保溫，加設(shè)防水擋邊，避免保溫層下腐蝕的發(fā)生；③罐內(nèi)頂板采用氯乙烯漆進(jìn)行防護(hù)。

使用方面：①操作過(guò)程中保持液位緩慢下降，使氣體蒸發(fā)量填充下降空間，避免大量空氣進(jìn)入罐內(nèi)；②加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)論

該罐頂板主要由于內(nèi)部頂板長(zhǎng)期處于氨蒸汽環(huán)境下造成腐蝕，在腐蝕穿孔后，由于外部保溫作用，使得原單面腐蝕，變?yōu)殡p面腐蝕，加劇了腐蝕速度，在金屬層厚度小于安全厚度后造成塌陷。