油水分离罐罐顶塌陷原因分析及处理方案

杜晓吉，刘玉平

（陕西煤业化工集团神木天元化工有限公司，陕西榆林 719319）

1 设备概况

该罐为拱顶结构（图1），于2007年11月投用，材料为Q235B，公称容积400 m3，罐底配备加热器。

2 故障现象

使用过程中发现罐体顶部非放空口有蒸汽外泄，检查发现罐顶塌陷（图2）。

现场查看并对罐壁厚度进行检测，现场实际状态及检测结果如下：①控制室DCS 查看罐内液位，在7.5 m 左右；②罐体顶部以放空总管为中心向下塌陷，塌陷直径约5 m，南侧塌陷部位稍多；③放空管及顶部人孔、取样孔处于敞开状态，有气体排出；④罐顶保温有水痕；⑤上部罐侧壁（8 m 以上）裸露部位（平台支撑件焊接部位），目测有表面腐蚀脱层，厚度检测3.2 mm、3.3 mm；⑥下部罐壁测厚结果为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罐顶测厚前，用锉刀打磨时，发生顶板穿透（图3、图4），穿透部位局部已无金属层，周边金属层厚度约0.8 mm。

3 罐顶受力分析

结合球壳大变形理论及量能分析法[1]，确定使用量能分析法进行估算：能量分析法计算公式Pσ=0.3591E（δn/R）2，其中Pσ为临界失稳压力，E 为弹性模量，δn为计算厚度，R 为球壳曲率半径，弹性模量E 一般取210 GPa，R=9600 mm，δn=5 mm。则临界失稳压力，Pσ=20 469.6 Pa；罐顶自重，2384 kg＋79.1 kg=2463.1 kg；保温重量，岩棉密度取中位数150 kg/m3，厚度取100 mm，150×50×0.1=750 kg；罐顶投影面积，3.14/4×7.98×7.98=50 m3；假设重力均匀分布，则外压为P＝（2463.1+750）×9.8/50=629.7676 Pa。

当腐蚀发生后，最小的安全金属厚度应该为δn=（Pσ/0.3591E）R=[630/（0.3591×210×109）]1/2×9600=0.8736 mm；安全系数取3，则安全厚度δn=0.8736×3=2.6208 mm。即，当腐蚀到金属层厚度为2.6 mm 左右时，罐顶处于不安全状态；而现场实际腐蚀状况是，大面积腐蚀后金属层剩余厚度约0.8 mm（图4 检测结果），且金属层已经出现网状穿孔，个别部位金属层已腐蚀消失。

4 腐蚀定性分析

图1 罐体外形结构型式

图2 罐顶塌陷

图3 顶部测厚时穿透处

图4 顶部取样

现场实际腐蚀情况严重，局部位置金属层已经消失，整个腐蚀产物厚度在3.8～4.2 mm。截取含金属层顶板样品，测量数据如下：含玻璃棉、漆膜及腐蚀后金属层总厚度约1.7 mm，局部金属层厚度约0.8 mm，此处金属层已出现网状穿孔。由此，可大致判断为外部腐蚀层厚度在1 mm 左右，内部腐蚀层为4 mm 左右，腐蚀以内部腐蚀为主。

4.1 顶板内部腐蚀分析

查阅储罐使用期间水质分析台账（表1）。

表1 水质分析台账

氨与碳钢反应，生成氢氧化铁，对碳钢有钝化作用。但当氧气充足时，会导致氢氧化铁分解为氧化铁，对钢材造成腐蚀。3#分离罐液位在2～7.5 m 之间波动，液位降低过程中会有空气进入罐体，因而产生氨腐蚀。加之该罐操作温度长期处于60 ℃左右，加剧了氨腐蚀的产生。据《腐蚀数据与选材手册》[2]，碳钢设备对干氨气及液氨的腐蚀速率在0.1 mm/a 以下，但在湿氨气和氨水溶液中，腐蚀速率在1 mm/a 以下。

氯离子与碳钢反应，生成物比较复杂，固态下以氢氧化铁、四氧化三铁存在，结构松散。在取样过程中，顶板腐蚀产物结构松散，与氯离子腐蚀产物较为类似。

4.2 腐蚀产物分析

腐蚀产物中检出少量H2S 和较多NH3，因腐蚀产物成分复杂，无法进行定量分析。从定性分析中可以看出，顶板的腐蚀主要为氨腐蚀所致。硫化氢的来源，因污水来源较多，不能直接判定。

4.3 顶板外部腐蚀分析

外部腐蚀大概有以下2 种可能：①雨水进入保温层后，对罐顶壁侵蚀，GB/T 11835—2007 中指出，岩棉纤维及其粘合剂在有水或水蒸汽环境下会对金属造成腐蚀[3]；②焊缝泄漏或顶部腐蚀穿孔后，内部泄漏气体在保温层与顶板外壁处无法泄放，造成腐蚀加剧（根据罐顶情况来看，此项腐蚀的可能性更大一些）。

5 处理方案

维修方面：①拆除拱顶及8 m 以上罐体，重新制作安装；②取消罐顶保温，加设防水挡边，避免保温层下腐蚀的发生；③罐内顶板采用氯乙烯漆进行防护。

使用方面：①操作过程中保持液位缓慢下降，使气体蒸发量填充下降空间，避免大量空气进入罐内；②加强状态监测。

6 结论

该罐顶板主要由于内部顶板长期处于氨蒸汽环境下造成腐蚀，在腐蚀穿孔后，由于外部保温作用，使得原单面腐蚀，变为双面腐蚀，加剧了腐蚀速度，在金属层厚度小于安全厚度后造成塌陷。