液化石油氣球罐裂紋修復(fù)補強研究

董雙巧，梁清香，王 赟

（太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024）

液化石油氣球罐作為存儲介質(zhì)的壓力容器，是石油化工裝置不可缺少的重要設(shè)備。存儲的液化石油氣具有易燃、易爆和有毒的性質(zhì)，具有極大的危險性。一旦發(fā)生事故，往往會造成災(zāi)難性的后果［1］。此類球罐在使用中具有較大的危險性，主要是因為存儲的石油氣在某種特定的環(huán)境下發(fā)生腐蝕產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致氣體泄漏甚至爆炸的惡性事故。

近年來，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在我國已使用的球罐中約有三分之一存在著不同程度的裂紋，且裂紋具有多發(fā)性，突發(fā)性和重復(fù)性，對設(shè)備安全運行帶來嚴(yán)重影響［2］。經(jīng)《壓力容器安全評定系統(tǒng)》評定可知，裂紋在深度小于等于4 mm時，不容易發(fā)生斷裂失效，因此對一般裂紋深度小于4 mm時，可以不做補焊處理，而采用直接手動打磨，打磨時盡可能地手法輕穩(wěn)，避免劇烈振動，使裂紋的斷口圓滑過渡，避免出現(xiàn)尖角、棱角等［3］。本文就液化石油氣球罐內(nèi)表面小于4 mm的裂紋進行處理，運用Pro/E以及MSC.marc軟件，建立有限元模型，對其進行強度分析。

1 液化石油氣球罐參數(shù)

某廠一臺1000 m3LPG球罐，于2001年投入使用，由于種種原因于2010年才進行首次全面檢驗。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在球罐內(nèi)外表面均發(fā)現(xiàn)大量裂紋，這些裂紋對球罐的繼續(xù)使用存在著巨大威脅［4］。

球罐材質(zhì):16MnR；球罐壁厚:36 mm；球罐內(nèi)徑:12300 mm；重裝介質(zhì):液化石油氣；設(shè)計壓力:1.77 MPa；設(shè)計溫度:50 ℃；最高操作（壓力）:1.62 MPa；最高操作（溫度）:48℃；焊縫系數(shù):1.0；腐蝕速度:2.其中，材質(zhì)16MnR鋼的彈性模量209 GPa，泊松比為0.28，密度為7850 kg/m3.球罐的結(jié)構(gòu)和支座示意圖如圖1所示。

圖1 球罐的結(jié)構(gòu)和支座示意圖Fig.1 The structure of spherical tank and schematic diagram of support

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

裂紋產(chǎn)生有很多原因。具體分為:（1）在設(shè)計方面，安裝竣工后需進行整體熱處理，若整體熱處理不當(dāng)或不完善，殘余應(yīng)力不能完全消除，將會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，為裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件［5］。（2）建造方面，組裝和焊接過程比較復(fù)雜，該過程也存在應(yīng)力腐蝕，這也是產(chǎn)生裂紋的一個原因［6］。（3）液化石油氣中含有一定的水分和硫化氫氣體，很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕并產(chǎn)生裂紋。在高壓環(huán)境下，由于裂紋的明顯應(yīng)力集中，裂紋發(fā)生擴展，導(dǎo)致氣體泄露甚至發(fā)生爆炸的惡性事故［7］。

3 液化石油氣球罐有限元分析

3.1 無裂紋球罐有限元分析

由Pro/E軟件建立無裂紋球罐實體模型，具體參數(shù)為:r1=6186 mm，r2=6150 mm，r3=1538 mm，r4=769 mm，其中，r1、r2分別為球罐外半徑和內(nèi)半徑。r3，r4分別為球罐上孔半徑和下孔半徑。模型圖如圖2所示。導(dǎo)入MSC.marc軟件［8］建立有限元分析模型。在設(shè)計壓力下的等效應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖2 球罐尺寸Fig.2 The size of spherical tank

圖3 無裂紋球罐等效應(yīng)力云圖Fig.3 The equivalent stress nephogram of the spherical tank without crack

由圖3可知，在支座位置處等效應(yīng)力最大，其值為280 MPa.

3.2 帶裂紋球罐有限元分析

3.2.1 裂紋位置尺寸

裂紋位于球罐內(nèi)表面，與Z軸負(fù)向成30°，裂紋長度為12 mm，深度為2 mm，寬度為0.1 mm，位置如圖4所示。

圖4 裂紋位置Fig.4 The crack position

3.2.2 帶裂紋球罐分析

由MSC.marc軟件［8］建立帶裂紋球罐的有限元模型，裂紋處網(wǎng)格劃分如圖5所示；在設(shè)計壓力下的等效應(yīng)力云圖，如圖6、7所示。

圖5 裂紋處網(wǎng)格劃分Fig.5 Crack meshing

圖6 帶裂紋球罐等效應(yīng)力云圖Fig.6 The equivalent stress nephogram of the spherical tank with crack

圖7 裂紋處等效應(yīng)力云圖Fig.7 The equivalent stress nephogram of the crack

由圖7可知，在裂紋處等效應(yīng)力最大，其值為1520 MPa.

3.3 凹坑帶球罐有限元分析

3.3.1 凹坑位置

凹坑為球冠，與裂紋所在位置相同，凹坑尺寸為:口徑d=27.50 mm，深度h=3 mm，相當(dāng)于將3.2中裂紋打磨成凹坑。凹坑的大小，如圖8所示。

圖8 凹坑尺寸Fig.8 The size of pit

3.3.2 帶凹坑球罐分析

將帶凹坑的球罐的實體模型導(dǎo)入MSC.marc軟件，并進行有限元分析。帶凹坑的球罐在設(shè)計壓力下的等效應(yīng)力云圖如圖9，圖10所示。

由圖10可知，將裂紋打磨成凹坑后，最大等效應(yīng)力位于支座位置處，最大為295.6 MPa.

4 結(jié)論

圖9 將裂紋打磨成凹坑的等效應(yīng)力云圖Fig.9 The equivalent stress nephogram of the spherical tank with crack into pit

圖10 將裂紋打磨成凹坑的最大等效應(yīng)力云圖Fig.10 The maximum equivalent stress nephogram of the spherical tank with crack into pit

（1）對無裂紋球罐的有限元分析結(jié)果表明，在設(shè)計壓力下，最大等效應(yīng)力值為280 MPa，而16 MnR鋼的屈服極限為345 MPa，若選用安全系數(shù)為1.2，則許用應(yīng)力［σ］=345/1.2=287.5 MPa，最大等效應(yīng)力280 MPa＜［σ］，說明有限元分析的可靠性。

（2）裂紋尺寸不大的情況下，將裂紋打磨成凹坑，球罐的最大等效應(yīng)力為295.6 MPa，有一定的安全儲備，球罐可以繼續(xù)使用。

（3）本文研究結(jié)果將為在役液化石油氣球罐的缺陷處理提供有價值的參考。

［1］徐秉業(yè).工程彈塑性力學(xué)的教學(xué)方法研究與科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［2］紀(jì)宏宸.液化石油氣球罐現(xiàn)場再制造技術(shù)的研究［D］.南京:南京工業(yè)大學(xué)，2002.

［3］劉振干，周紅普，胡彬彬.在用球罐的裂紋分析及修復(fù)［J］.石油工程建設(shè)，2009（2）:60-62.

［4］王恒，牛衛(wèi)飛，高利慧.1000 m3液化石油氣球罐的評定與缺陷處理［J］.化學(xué)工程與裝備，2011（4）:146-148.

［5］馬耀文.液化石油氣球罐焊縫H2S應(yīng)力腐蝕裂紋的返修補焊［J］.石油工程建設(shè)，1998（4）:14-16.

［6］馬瑞雪.200 m3液化石油氣球罐裂紋的分析［J］.中小企業(yè)管理與科技，2008（24）:199-200.