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【摘 要】 本文简述了呼吸阀作为拱顶罐附件的重要性，介绍了其原理、选型依据及维修事项。通过案例分析拱顶油罐失效变形原因，介绍了拱顶罐凹憋变形后修复的办法。本文还从拱顶罐操作、维护等方面提出了预防失效的措施，为今后拱顶罐的日常操作提供了参考意见。
【关键词】 拱顶罐；呼吸阀；失效变形；修复
引言
钢制拱顶油罐目前在石油库、石化企业、油田罐区应用较广，具有结构简单、检修方便、储存量大、造价低等优点。[1]普通钢制拱顶油罐的上层罐壁、罐顶较薄（一般为6～8mm），罐顶一般采用球面拱顶。球面拱顶是球的一部分，它由中心顶板，扇形顶板组成，当油罐直径较大时，顶板内侧还要设置加强肋或采用网壳支撑。由于储罐直径较大，罐顶较薄，当操作不当时，可能导致设备失效甚至破坏。在实际操作，设备由于突发情况可能产生较大负压而导致油罐的顶板、罐壁上部变形，甚至造成设备严重凹瘪失效现象。本文将以1座 3000m3 拱顶油罐凹憋变形为例，探讨设备变形原因以及可采取的预防措施。
1 罐顶呼吸阀的原理及维护
根据相关国家标准规定：“甲、乙类液体的固定顶罐，应设阻火器和呼吸阀”，当温度低于零度的时候需要设置全天候防爆阻火呼吸阀。
防爆式阻火呼吸阀是油罐重要的安全附件，一般设置在拱顶罐中心顶部，根据不同储罐容量及操作参数确定呼吸阀数量及口径。拱顶罐设置呼吸阀不仅能维持储罐内气压平衡，确保储罐内压力保持设计范围之内，而且可以减少罐内介质蒸发与呼出。
呼吸阀的工作原理：呼吸阀的内部原理是由一个真空阀和一个低压安全阀共同作用而成的。当罐内压力与外界大气压力相等时，压力阀和真空阀的阀盘和阀座紧密配合。[2]一般在外界温度较高导致罐内油品蒸汽压过高或者当储罐进油时，罐内正压会出现超高现象；当外界温度较低导致罐内蒸汽压过低或者当储罐向外界抽油时，罐内负压会出现过低现象。当罐内正压或者真空度增加到一定程度时，阀盘被迫启动。当罐内正压升高到设定压力时，将压力阀打开，罐内的油蒸汽经呼吸阀排入大气中，此时真空阀处于关闭状态。反之，当油罐内负压达到一定真空度时，吸气阀在大气压正压作用下打开。外界的空气在压力差的作用下通过吸气阀进入罐内，此时的呼气阀处于非工作状态。正常情况下，吸气阀和呼气阀不能同时处于开启状态。[2]储罐呼吸阀的设计压力一般在-490～3000Pa，最常见的为-490Pa～1960Pa。实际使用中可能因罐顶的呼吸阀、阻火器等附件出现故障，导致拱顶罐处于负压操作条件，会造成罐壁及罐顶失稳抽瘪，是企业安全生产的威胁之一。
所以在日常管理工作中，呼吸阀的选型、参数设置、维修应当十分重视，以防止发生拱顶罐失效现象。
2呼吸阀的选型
储罐用的呼吸阀选型主要依据油罐的工作条件，包括油罐的操作正、负压，是否设置氮封，有无排放系统等。呼吸阀在选型时主要考虑以下因素：
1、考虑火灾时罐体受热引发的罐内液体蒸发量增加造成的呼出量。
2、气候影响下，罐体内蒸汽压的增加、减少，造成的热效应呼吸量。
3、北方寒冷地区选型应选用防水型呼吸阀。
4、依据储罐规定时间最大收、发油流量所需通气量和减少静电产生的要求，选定机械呼吸阀的口径和数量。
通气管或呼吸阀的规格应按确定的通气管或呼吸阀的通气量曲线来选定。当缺乏通气管或呼吸阀的通气量曲线，可根据标准SH3007 《石油化工储运系统罐区设计规范》选择呼吸阀的口径和数量[3]。
3油罐失效实例分析
3.1油罐工作吸气量分析
陕西某地1台直径为18m的3000m3拱顶油罐存储介质为蜡油，在蒸汽蒸罐时突遇大暴雨袭击，导致油罐内蒸汽温度迅速下降， 罐内温度由96℃突降到60℃。此时罐内气体压力也急剧下降，导致罐内形成较大的真空度，致使罐顶20%面积及罐壁上两圈处出现失效变形。经检查，罐顶全天候防爆阻火呼吸阀的阻火器内不锈钢丝网已经被油蜡膏、尘土等异物堵塞，导致储罐内外不能迅速进行气体交换，致使储罐内形成较大负压。该拱顶罐的设计参数如表 1所示。
3.1油罐参数
油罐未采用保温层；在罐壁下3.64m设有一道抗风圈，共有8层壁板，钢板材质均为Q235B。储罐设计时选用厚度自下而上依次为12mm、10mm、10mm、8mm、8mm、6mm、6mm、6mm，当地风压为0.4kpa。本罐使用了15年，经过检测各圈壁板实际厚度为（自下而上）：11mm、8.9mm、9.0mm 、6.8mm、7.0mm、5.2mm、5.2mm、5.0mm。
3.2 罐壁稳定性分析
罐内负压值计算；
将罐内油气视为理想气体，可依据方程如下：
式中：P1——下雨前罐内气相压力，Pa；V1——下雨前罐内气相空间的体积，m3；
T1——下雨前罐内气相的温度，K；P2——下雨后罐内气相压力，Pa；
V2——下雨后罐内气相空间的体积，m3；T2——下雨后罐内气相的温度，K；
P0——油罐所在地年均大气压力：9.47*104 Pa；Ph——呼吸阀操作正压，Pa；（参照规范SY/T0511-1996《石油储罐呼吸阀》）
储罐淋雨后将对所蒸储罐大面积冷却，油罐内油气分子通过罐壁和罐顶与外界冷空气发生对流换热，致使油气温度快速被冷却，罐内气体预冷后，体积将急剧收缩，罐内气相压力迅速成为负压状态，急需补充大量空气与外界气压相平衡。但是由于呼吸阀及阻火器通道被堵塞，导致呼吸不畅，外界空气量不能及时吸入罐内，使得罐内的真空度越来越大，当罐顶及罐壁承受值超过临界值时，将会出现罐顶和罐壁凹癟变形情况。[4]而储罐内没能及时补入空气的另外一个原因：储罐的进、出油口、人孔、透光孔均处于关闭状态，使油罐处于密闭状态。假设油罐在变形前后，罐内气相空间的体积近似认为不变，可得； P1=96660 Pa
P2=87230 Pa
故此时实际罐内负压：
由有关参数可知，此3000m3拱顶油罐设计负压为 -490Pa，试验负压为 -760Pa。可知该3000m3在淋雨后所承受的负压为设计负压的15.2倍、试验负压的9.83倍，远远超过设计临界值，致使油罐出现了凹塌变形的现象。
3.3 罐壁强度计算：
在风载荷作用下，罐壁筒体应进行稳定性校核，防止储罐被风吹瘪。当罐体受到风压等外界因素，如果壁板厚度过薄或者抗风圈等保护措施不利时，易使罐体出现凹瘪失效现象；同样当储罐因突发因素出现较大的负压时，也易出现罐体失稳变形现象：
计算罐壁板许用临界压力公式 [5]
式中[Pcr]——核算区间罐壁筒体的许用临界压力（KPa）；He——核算区间罐壁筒体的当量高度（m）；
tmin——核算区间最薄圈罐壁板的有效厚度（mm）；ti——第I圈罐壁板的有效厚度（mm）；
hi——第I圈罐壁板的实际高度（mm）；Hei——第I圈罐壁板的当量高度（m）；可计算得出：设计固定顶罐壁规格厚度（）值。
——风荷载体型系数，应取驻点值；（参照规范建筑结构荷载规范GB50009-2001，第7.3节）
（参照规范立式圆筒形钢制焊接油罐焊接规范GB50341-2003，第6.5.节）
因罐顶呼吸阀堵塞所以取
可得：P'=8370pa
由此可见，；储罐真空度已经远远超过罐壁稳定的临界载荷，导致罐壁板失稳变形。
4储罐的修复工作
储罐凹瘪变形后，若修复良好，可恢复原弧度，并可继续使用。罐壁修复有以下几种方案[4]：
4.1检修法：检修法分为切除和机械法。切除法是将油罐变形部位切除，重新预制、加工、焊接。机械法是将槽钢或其他型钢滚成与罐体相同的弧度，在罐壁内部用千斤顶逐步施加压力，慢慢的能使绝大部分储罐恢复原状。
4.2充气加压法：将储罐所有附件的开口封闭，逐步向罐内充气体使罐内的微正压逐步增大，使得储罐凹瘪变形处恢复原状。
4.3注水加压法：将储罐所有附件的开口封闭，逐步向罐内打水，当水位升高到一定程度的时候，罐内气体被大幅度压缩，同时罐内压力大幅度升高，通过罐内压力使得储罐凹瘪变形处恢复原状。
5小结及预防措施
（1）防爆阻火呼吸阀是拱顶罐的重要部件，因此呼吸阀的设计、选型、维护都需要相当谨慎；需要定期检测压力、真空的阀盘是否灵活，且导杆阀环的接触是否有问题，需及时维护；安装阀盘时，需要保障接触面的严密度及导杆的升降灵活度是否达到要求。[5]
（2）根据所储存介质特性考虑拱顶罐安置保温层，这样就会避免遇到暴雨等特殊情况时导致的罐内温度急剧下降，可有效保障罐内外压力平衡值。
（3）当进行储罐修复时，检查包边角钢是否变形，检修包边角钢与罐壁焊缝与罐顶焊缝是否受损，对受到损坏的部分进行修复。
（4）若采用正压法修复，打水时应缓慢，防止因正压变化过快而引起焊缝的拉裂。
（5）储罐操作条件变化时，需要重新考虑罐顶设置的全天候呼吸阀门的口径及数量是否符合要求。
（6）异常天气需要加强巡检。当外界气温可能发生突变时，如夏季的暴雨天气或者冬季的冰冻天气，应加强对拱顶罐及其附件的巡检，防止发生罐凹瘪变形。
参考文献：
[1]杨旭耀，李育德，张晓凌，储罐罐壁抽瘪后的修复.石油化工设备，2008，37（6）：84～86.
[2]杜亮坡，郭磊，东志红，机械呼吸阀的计算选型.化工装备技术，2009，30（2）：58～59.
[3]中华人民共和国国家标准.石油化工储运系统罐区设计规范，SH/T3007-2007，.北京：中国石化出版社，2003.
[4]黄文霞，正压法修复5000m3修复拱顶罐.石油工程建设，2006，32（2）：67～70.
[5]金靜岳，拱顶罐凹瘪原因分析及预防措施.石油化工安全技术，2004，20（6）：27～29.
【关键词】 拱顶罐；呼吸阀；失效变形；修复
引言
钢制拱顶油罐目前在石油库、石化企业、油田罐区应用较广，具有结构简单、检修方便、储存量大、造价低等优点。[1]普通钢制拱顶油罐的上层罐壁、罐顶较薄（一般为6～8mm），罐顶一般采用球面拱顶。球面拱顶是球的一部分，它由中心顶板，扇形顶板组成，当油罐直径较大时，顶板内侧还要设置加强肋或采用网壳支撑。由于储罐直径较大，罐顶较薄，当操作不当时，可能导致设备失效甚至破坏。在实际操作，设备由于突发情况可能产生较大负压而导致油罐的顶板、罐壁上部变形，甚至造成设备严重凹瘪失效现象。本文将以1座 3000m3 拱顶油罐凹憋变形为例，探讨设备变形原因以及可采取的预防措施。
1 罐顶呼吸阀的原理及维护
根据相关国家标准规定：“甲、乙类液体的固定顶罐，应设阻火器和呼吸阀”，当温度低于零度的时候需要设置全天候防爆阻火呼吸阀。
防爆式阻火呼吸阀是油罐重要的安全附件，一般设置在拱顶罐中心顶部，根据不同储罐容量及操作参数确定呼吸阀数量及口径。拱顶罐设置呼吸阀不仅能维持储罐内气压平衡，确保储罐内压力保持设计范围之内，而且可以减少罐内介质蒸发与呼出。
呼吸阀的工作原理：呼吸阀的内部原理是由一个真空阀和一个低压安全阀共同作用而成的。当罐内压力与外界大气压力相等时，压力阀和真空阀的阀盘和阀座紧密配合。[2]一般在外界温度较高导致罐内油品蒸汽压过高或者当储罐进油时，罐内正压会出现超高现象；当外界温度较低导致罐内蒸汽压过低或者当储罐向外界抽油时，罐内负压会出现过低现象。当罐内正压或者真空度增加到一定程度时，阀盘被迫启动。当罐内正压升高到设定压力时，将压力阀打开，罐内的油蒸汽经呼吸阀排入大气中，此时真空阀处于关闭状态。反之，当油罐内负压达到一定真空度时，吸气阀在大气压正压作用下打开。外界的空气在压力差的作用下通过吸气阀进入罐内，此时的呼气阀处于非工作状态。正常情况下，吸气阀和呼气阀不能同时处于开启状态。[2]储罐呼吸阀的设计压力一般在-490～3000Pa，最常见的为-490Pa～1960Pa。实际使用中可能因罐顶的呼吸阀、阻火器等附件出现故障，导致拱顶罐处于负压操作条件，会造成罐壁及罐顶失稳抽瘪，是企业安全生产的威胁之一。
所以在日常管理工作中，呼吸阀的选型、参数设置、维修应当十分重视，以防止发生拱顶罐失效现象。
2呼吸阀的选型
储罐用的呼吸阀选型主要依据油罐的工作条件，包括油罐的操作正、负压，是否设置氮封，有无排放系统等。呼吸阀在选型时主要考虑以下因素：
1、考虑火灾时罐体受热引发的罐内液体蒸发量增加造成的呼出量。
2、气候影响下，罐体内蒸汽压的增加、减少，造成的热效应呼吸量。
3、北方寒冷地区选型应选用防水型呼吸阀。
4、依据储罐规定时间最大收、发油流量所需通气量和减少静电产生的要求，选定机械呼吸阀的口径和数量。
通气管或呼吸阀的规格应按确定的通气管或呼吸阀的通气量曲线来选定。当缺乏通气管或呼吸阀的通气量曲线，可根据标准SH3007 《石油化工储运系统罐区设计规范》选择呼吸阀的口径和数量[3]。
3油罐失效实例分析
3.1油罐工作吸气量分析
陕西某地1台直径为18m的3000m3拱顶油罐存储介质为蜡油，在蒸汽蒸罐时突遇大暴雨袭击，导致油罐内蒸汽温度迅速下降， 罐内温度由96℃突降到60℃。此时罐内气体压力也急剧下降，导致罐内形成较大的真空度，致使罐顶20%面积及罐壁上两圈处出现失效变形。经检查，罐顶全天候防爆阻火呼吸阀的阻火器内不锈钢丝网已经被油蜡膏、尘土等异物堵塞，导致储罐内外不能迅速进行气体交换，致使储罐内形成较大负压。该拱顶罐的设计参数如表 1所示。
3.1油罐参数
油罐未采用保温层；在罐壁下3.64m设有一道抗风圈，共有8层壁板，钢板材质均为Q235B。储罐设计时选用厚度自下而上依次为12mm、10mm、10mm、8mm、8mm、6mm、6mm、6mm，当地风压为0.4kpa。本罐使用了15年，经过检测各圈壁板实际厚度为（自下而上）：11mm、8.9mm、9.0mm 、6.8mm、7.0mm、5.2mm、5.2mm、5.0mm。
3.2 罐壁稳定性分析
罐内负压值计算；
将罐内油气视为理想气体，可依据方程如下：
式中：P1——下雨前罐内气相压力，Pa；V1——下雨前罐内气相空间的体积，m3；
T1——下雨前罐内气相的温度，K；P2——下雨后罐内气相压力，Pa；
V2——下雨后罐内气相空间的体积，m3；T2——下雨后罐内气相的温度，K；
P0——油罐所在地年均大气压力：9.47*104 Pa；Ph——呼吸阀操作正压，Pa；（参照规范SY/T0511-1996《石油储罐呼吸阀》）
储罐淋雨后将对所蒸储罐大面积冷却，油罐内油气分子通过罐壁和罐顶与外界冷空气发生对流换热，致使油气温度快速被冷却，罐内气体预冷后，体积将急剧收缩，罐内气相压力迅速成为负压状态，急需补充大量空气与外界气压相平衡。但是由于呼吸阀及阻火器通道被堵塞，导致呼吸不畅，外界空气量不能及时吸入罐内，使得罐内的真空度越来越大，当罐顶及罐壁承受值超过临界值时，将会出现罐顶和罐壁凹癟变形情况。[4]而储罐内没能及时补入空气的另外一个原因：储罐的进、出油口、人孔、透光孔均处于关闭状态，使油罐处于密闭状态。假设油罐在变形前后，罐内气相空间的体积近似认为不变，可得； P1=96660 Pa
P2=87230 Pa
故此时实际罐内负压：
由有关参数可知，此3000m3拱顶油罐设计负压为 -490Pa，试验负压为 -760Pa。可知该3000m3在淋雨后所承受的负压为设计负压的15.2倍、试验负压的9.83倍，远远超过设计临界值，致使油罐出现了凹塌变形的现象。
3.3 罐壁强度计算：
在风载荷作用下，罐壁筒体应进行稳定性校核，防止储罐被风吹瘪。当罐体受到风压等外界因素，如果壁板厚度过薄或者抗风圈等保护措施不利时，易使罐体出现凹瘪失效现象；同样当储罐因突发因素出现较大的负压时，也易出现罐体失稳变形现象：
计算罐壁板许用临界压力公式 [5]
式中[Pcr]——核算区间罐壁筒体的许用临界压力（KPa）；He——核算区间罐壁筒体的当量高度（m）；
tmin——核算区间最薄圈罐壁板的有效厚度（mm）；ti——第I圈罐壁板的有效厚度（mm）；
hi——第I圈罐壁板的实际高度（mm）；Hei——第I圈罐壁板的当量高度（m）；可计算得出：设计固定顶罐壁规格厚度（）值。
——风荷载体型系数，应取驻点值；（参照规范建筑结构荷载规范GB50009-2001，第7.3节）
（参照规范立式圆筒形钢制焊接油罐焊接规范GB50341-2003，第6.5.节）
因罐顶呼吸阀堵塞所以取
可得：P'=8370pa
由此可见，；储罐真空度已经远远超过罐壁稳定的临界载荷，导致罐壁板失稳变形。
4储罐的修复工作
储罐凹瘪变形后，若修复良好，可恢复原弧度，并可继续使用。罐壁修复有以下几种方案[4]：
4.1检修法：检修法分为切除和机械法。切除法是将油罐变形部位切除，重新预制、加工、焊接。机械法是将槽钢或其他型钢滚成与罐体相同的弧度，在罐壁内部用千斤顶逐步施加压力，慢慢的能使绝大部分储罐恢复原状。
4.2充气加压法：将储罐所有附件的开口封闭，逐步向罐内充气体使罐内的微正压逐步增大，使得储罐凹瘪变形处恢复原状。
4.3注水加压法：将储罐所有附件的开口封闭，逐步向罐内打水，当水位升高到一定程度的时候，罐内气体被大幅度压缩，同时罐内压力大幅度升高，通过罐内压力使得储罐凹瘪变形处恢复原状。
5小结及预防措施
（1）防爆阻火呼吸阀是拱顶罐的重要部件，因此呼吸阀的设计、选型、维护都需要相当谨慎；需要定期检测压力、真空的阀盘是否灵活，且导杆阀环的接触是否有问题，需及时维护；安装阀盘时，需要保障接触面的严密度及导杆的升降灵活度是否达到要求。[5]
（2）根据所储存介质特性考虑拱顶罐安置保温层，这样就会避免遇到暴雨等特殊情况时导致的罐内温度急剧下降，可有效保障罐内外压力平衡值。
（3）当进行储罐修复时，检查包边角钢是否变形，检修包边角钢与罐壁焊缝与罐顶焊缝是否受损，对受到损坏的部分进行修复。
（4）若采用正压法修复，打水时应缓慢，防止因正压变化过快而引起焊缝的拉裂。
（5）储罐操作条件变化时，需要重新考虑罐顶设置的全天候呼吸阀门的口径及数量是否符合要求。
（6）异常天气需要加强巡检。当外界气温可能发生突变时，如夏季的暴雨天气或者冬季的冰冻天气，应加强对拱顶罐及其附件的巡检，防止发生罐凹瘪变形。
参考文献：
[1]杨旭耀，李育德，张晓凌，储罐罐壁抽瘪后的修复.石油化工设备，2008，37（6）：84～86.
[2]杜亮坡，郭磊，东志红，机械呼吸阀的计算选型.化工装备技术，2009，30（2）：58～59.
[3]中华人民共和国国家标准.石油化工储运系统罐区设计规范，SH/T3007-2007，.北京：中国石化出版社，2003.
[4]黄文霞，正压法修复5000m3修复拱顶罐.石油工程建设，2006，32（2）：67～70.
[5]金靜岳，拱顶罐凹瘪原因分析及预防措施.石油化工安全技术，2004，20（6）：27～29.