储罐在外部安装和氮气置换时严重变形事故
【事故概况、经过】
2003年，某石化企业因生产需要增建20 000 m3的低温丙烯立式贮罐，在建造结束后的外管系安装和氮气置换过程中，发现内罐壳壁出现多处内凸变形，内罐罐底进出料管附近严重隆起，距出料管左侧4.5 m处罐壁与罐底焊缝热影响区形成0.5 m的裂口，使得内外罐壁之间的珠光砂进入内罐内和隆起罐底下，在内罐内堆起两个小山坡，造成丙烯罐的失效破坏。
该贮罐从2002年11月起，开始下料、组装、焊接和检验。焊工经考试合格。2003年5月内罐经充水试验合格，内罐罐体气密性试验(14 kPa)合格。6月上旬内罐清洗合格，封内罐人孔；外罐合格封外罐。然后将罐底出料管与泵区管线连接(组装过程中存在强行组装现象)；并拆除出料管上的切断阀，安装3〃软管，向贮罐内通入氮气置换干燥。同时在外方专家指导下，负责安装的公司拆除出料管与贮罐外壳壁间膨胀节的4个定位保护螺栓。6月中旬干燥作业合格，回装切断阀并恢复出料管线时，发现出料管向外罐内缩80mm，当即用电视探头对接管部位及内罐壁进行检查，发现有殊光砂进入内罐。日后接通4〃连通管线，准备进行罐内仪表风置换，此时发现出料管继续向外罐内收缩，因此停止仪表风置换，更换成10〃连通管线进行罐内置换，然后检查人员进入内罐检查，发现贮罐内壁出现多处内凸变形，罐底底板严重隆起，距出料管左侧4.5 m处罐壁与罐底焊缝热影响区形成0.5 m的裂口，珠光砂由此裂口进入内罐内，致使该罐不能投入使用。
【事故原因分析】
1 贮罐结构简介
该罐是由日本TOYO工程公司按美国石油协会API620.10.EDI 2002规范设计，由某安装公司负责建设的20 000 m3大型低温立式贮罐。
其基本结构为具有内、外圆筒的平底贮罐，内、外筒直径分别为34.9m和36.3m，内、外筒高度分别为21.8m和23.15m。其材料分别A537 C1.2和A283C(相当于我国16MnR)和A516-60。内筒平底板厚6.4 mm，外罐为拱形顶，内筒顶盖为悬挂在外罐顶型钢骨架上的平盖，内、外罐之间有保温材料包裹及充填珠光砂。
（1）设计时余量不足是造成本次事故的内在原因。
该贮罐的设计在强度和刚度方面虽然符合API620规范的要求，但存在余量太小，致使在施工、安装和氮气置换中稍有不慎，就会导致薄弱环节的失效。本贮罐在施工和氮气置换时产生的3～5层内环板变形和底板的隆起说明了这点。
在内罐罐壁的强度设计时，没有计及罐体自重引起的轴向压缩应力，没有考虑钢板的负公差，而设计余量又几乎为零，致使内罐壁的强度不足(按第三强度理论)。
在内罐壁的刚度设计时，取外压力为2.4 kPa，并将下面5层罐体壁板取10.392 9 mm的当量厚度，设计时没有计及大型贮罐罐体可能产生的椭圆度和钢板的负公差，使设计余量十分微小，甚至使内罐部分罐壁的刚度显得不足。
（2）在贮罐出料管切断阀与泵区管线连接时的强行组装和氮气置换过程中，与外罐相连的膨胀节保护螺栓的拆除，是本次事故的诱发因素。
对贮罐罐体进行了详细的力学分析，即在出料管切断阀端施加不同的载荷时，计算切断阀端产生的轴向位移，计算得到当轴向位移与安装时切断阀端与管端间隙相一致时，罐体所受到的作用力。罐体在该力的作用下，会使内罐体底板产生隆起变形，隆起高度随着轴向载荷或位移的增加而加大。
再由于与外罐相连的膨胀节保护螺栓的拆除，在出料管端由于罐根阀的重量将对内罐壁产生较大的弯矩，并将增加内罐底板的隆起变形。
（3）置换过程中，珠光砂的吸湿膨胀是造成罐壁变形的主要原因，在内罐底板已隆起和进入珠光砂后，置换过程中可能出现的外压力也是加剧罐壁变形和底板隆起的促进因素。
由设计数据可见，内罐的外压力主要是由珠光砂引起的，而珠光砂装填得较实，再由于加装时天气潮湿，装填后的珠光砂吸湿会使侧压力增大，从而导致内罐壁的变形。这点在后来珠光砂的卸除过程中，珠光砂极难流出的现象也得到了证明。
同时，在内罐氮气置换过程中和置换结束时，有可能产生内外罐环形空间内的压力超过内罐内的压力，这一方面可能引起罐体壁板的变形，更主要的是，由于强制组装已经使内罐底板隆起，珠光砂已进入罐底，在外压力作用下会加剧罐壁的变形和内罐底板的隆起，因为底板直径大(34.9m)，而且厚度很薄(只有6.4 mm)，它承受压力能力很低，只要稍有压力就会使底板变形而隆起。
【对策措施】
（1）设计质量是设备安全的根本保证。即使对从国外进口的设备，也一定要加强检验。其检验不仅是对制造成品的质量检验，保证不存在制造缺陷，而且要对它的原始设计资料进行审核，并将审核结果指导随后的安装施工和生产。
（2）设备的制造与安装是设备安全的基本保障。在设备的组装过程中，严禁强行组装和野蛮施工，这一原则应贯穿在设备的整个安装过程中。否则将会给设备带来过大的附加应力和残余应力，即使在安装过程中不产生事故，也会给设备在后来的使用带来极为不利的影响。尤其是对大型的薄壳结构。
（3）设备的按章操作是确保安全的基本条件。在设备试用与运行过程的每一个环节，都应严格按操作规程进行，切不能有丝毫的松懈，任何疏忽都将给设备的安全运行带来威胁。