液化石油气卧式储罐的设计

【摘要】液化石油气储罐是具有较大危险的储存容器，由于压力容器本身具有爆炸能量外，储罐内部盛装介质为液化石油气体，属易燃易爆的液化气体，在燃烧时能产生高能量，一旦外泄到空气中，会很容易发生爆炸产生灾难性后果。因此，液化石油气储罐的安全质量非常重要。

【关键词】设计压力 容器类别 应力腐蚀 焊接接头

近年来，随着我国石油化工行业的迅速发展，液化石油气作为一种污染小﹑价格低﹑资源丰富的能源越来越受到重视，其应用日益广泛。但与此同时，因液化石油气储罐H2S应力腐蚀和焊缝缺陷而引发的安全事故也屡有发生，液化石油气储罐的安全质量问题成为了广大民众最为关注的焦点话题。基于此，本文以目前安全性能相对稳定的DN3200X11300液化石油气卧式储罐为例，对液化石油气储罐设计中应如何有效避免因H2S应力腐蚀和焊缝缺陷造成的危害进行了阐述。

1 DN3200X11300液化石油气卧式储罐简况

1.3 、适用标准和规范

根据本设备：工作压力：1.62MPa；工作温度：常温；盛装介质：液化石油气（丙烷、丁烷、含少量H2S等），容积：1003 m；设备结构形式：卧式双鞍座支座支撑的卧式储罐等参数，确定本设备的设计、制造、检验和验收应符合JB/T4731-2005《钢制卧式容器》（标准中规定其中受压元件用钢的选用原则、钢材标准、热处理状态、及许用应力值、强度计算和制造、检验与验收应符合GB150.1～GB150.4-2011《压力容器》）的要求，设备的设计、制造、安装、改造、维修、使用、检验检测应接受TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的监察。

1.4 设计压力

液化石油气是以丙烷，丁烷为主要成分的多组份有机混合物。TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定：常温储存液化石油气压力容器规定温度下的工作压力，按照不低于50℃混合液化石油气组份的实际饱和蒸气压来确定；设计单位在设计图样上注明限定的组分和对应的压力。本设备液化石油气储罐的设计压力为 1.77 Mpa。

1.5 容器类别

根据设备危险性程度的不同容器类别划分三类（I类，II类，III类）。由设计压力、容积和介质危害性三大因素决定容器类别，利用PV值在不同介质分组坐标图上查取相应的的类别。

根据本设备：设计压力：1.77MPa，容积：100m3，盛装介质：液化石油气（丙烷丁烷、含有少量H2S等），介质特性：易燃易爆等参数按照TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》附件A中A1.3.1（1）第一组介质，压力容器类别的划分图（利用PV值坐标图）A-1确定本设备的容器类别为III类。1.6 充装量的确定

液化石油气的充装量直接影响到容器的工作压力，关系到容器的设计与使用安全。所以液化石油气的充装量的确定是项很重要的工作。TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》规定：储存液化气体的压力容器应当规定设计储存量，装量系数不得大于0.95。

液化石油气的储存量应按下式计算：W=￠VPt

式中：W为储存量（t）；￠为装料系数（一般取0.9）；V为压力容器的容积（m3）；Pt为设计温度下的饱和液体密度（t/ m3）。

本设备介质装料系数：≦0.9。

2 H2S应力腐蚀危害与设计 2.1 H2S应力腐蚀的特征

应力腐蚀破裂是金属在应力（拉应力）和腐蚀介质的共同作用下（并有一定的温度条件）引起的破裂。当应力不存在时腐蚀甚微，当有应力后，金属在腐蚀并不严重的情况下发生破裂，由于破裂是脆性的，没有明显的征兆，容易造成灾难性事故。应力腐蚀有腐蚀性介质的作用，在应力和腐蚀性介质的交替作用下造成材料腐蚀的机械性开裂，再裂纹扩展阶段，应力腐蚀裂纹扩展速率比相同应力水平下一般的裂纹扩展速率要大得多。应力包括外加载荷的作用，热应力以及冷热加工或焊接产生的残余应力。2.2 H2S应力腐蚀的机理

常温下盛装混合液化石油气的容器（含残余液储罐）由于气源成分不稳定，如果H2S含量过高，在湿H2S环境中（储罐的液相H2S含量不低于10m/kg时称为湿H2S环境），H2S与钢材反应生成的氢原子渗透到钢材中后，可产生氢鼓泡，氢致开裂等缺陷，并使钢的脆性加大，在拉应力下造成硫化物应力腐蚀开裂。常见的是H2S环境和应力共同作用下产生的应力腐蚀，在操作压力作用下液化石油气储罐会在很多部位产生拉应力和H2S共同作用下有可能在罐内壁母材或焊接接头部分产生应力腐蚀，导致表面出现开裂。

2.3 减小应力腐蚀的设计

本液化石油气储罐储存的介质一般是经过催化裂化工艺而得产生液化石油气，其中常含一定的水分、H2S及一定量的氰化物。这些物质的共同存在，已形成使钢材裂纹极为敏感的湿H2S环境。在这样的环境下，H2S应力腐蚀开裂是主要的表现形态。

液化石油气储罐的H2S应力腐蚀发生的频率很高，为了保证储罐的安全运行在设计中应考虑以下方面：

一是选择对H2S应力腐蚀敏感性比较低的材料，材料对H2S应力腐蚀敏感性是指材料抗应力腐蚀裂纹扩展能力的大小，一般说来，材料的强度越高，则抗H2S应力腐蚀裂纹扩展能力下降越多，选择材料的要求及限制条件应按HG20581。 6.7.2条第2款（1）～（5）的规定；

对本设备壳体材质选用Q345R钢板并在正火状态下使用.并应对供应商所提供的钢板进行复验，复验内容至少包括：逐张检查钢板表面质量和材料标志，按炉复验钢板的化学成分，按批复验钢板的力学性能，弯曲性能。

二是对使用材料质量进行严格的控制，避免材料中有夹杂、分层、裂纹等缺陷存在。

本设备用Q345R钢板应逐张按J B/ T4730.3《承压设备无损检测 第3部分：《超声检测》进行100%超声检测，符合UT-II级要求合格。

本设备所用锻件16MnII满足NB/T4708-2010《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》规定中II级要求。

三是合理的设计结构应避免应力集中，包括焊接接头形式，例如接管内伸倒圆。

3 焊接缺陷的危害与设计

焊接接头具有十分的不均匀性。焊接接头热影响区的不同部位在焊接过程中经受不同的热作用，因而具有不同的组织和性能；焊接对于整个产品而言，只是局部加热熔化，而且局时迅速升温和急速冷却过程，因而不可避免地产生焊接残余应力与变形及焊接缺陷。

3.1 焊接缺陷

焊接缺陷中有裂纹、夹渣、气孔、分层和白点等类似冶金中产生的缺陷以及未焊透、未熔合、咬边、凹坑、焊瘤和下塌。

3.2 焊接缺陷的危害

直观看来焊接缺陷分两大类：一类是减少焊缝截面面积缺陷，如裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合、咬边等，这类缺陷减少了受力截面积，是容器承载能力下降，而且有带尖端的缺陷极易引起应力集中，促使脆性破坏。

另一类是增加焊缝截面的缺陷，如余高过大、焊瘤、下塌等，这类缺陷不会减少焊缝截面应力，反而使截面突变处产生应力集中，同时表面焊接缺陷容易聚集、浓缩腐蚀介质，在其共同作用下增加脆性破坏机率。3.3 焊接接头的设计要求

3.3.1？壳体接头设计

为了保证焊接接头的焊接质量并达到焊接接头系数取1的要求，根据《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009中3.14条对焊制压力容器焊接接头设计的要求规定：本设备筒体的纵向接头、筒节与筒节（封头）连接的环向接头、封头的拼接接头应当采用全截面焊透的对接接头形式。

（2）、接管与壳体之间的焊接接头的设计

由于本设备盛装为易燃易爆介质和第III类压力容器符合《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG R0004-2009中4.14.2（1），（3）条要求。本设备接管与壳体之间接头应当采用全焊透结构。

4 结束语

总之，液化石油气卧式储罐的设计一定要严格按照JB/T4731-2005《钢制卧式容器》和TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》等有关规定、标准执行，充分考虑在使用过程中造成容器可能出现问题的各种因素，从设计上不留安全隐患，避免事故发生，使容器安全运行。

参考文献

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