大型在役儲(chǔ)罐底板強(qiáng)度衰減評(píng)價(jià)分析

摘 要：油田大型在役原油儲(chǔ)罐長(zhǎng)期服役后因儲(chǔ)存油品具有腐蝕性和油品液位的升降使儲(chǔ)罐底板載荷動(dòng)態(tài)變化，底板的力學(xué)性能將不斷下降。文章通過現(xiàn)場(chǎng)抽取腐蝕后儲(chǔ)罐邊緣底板，在試驗(yàn)室進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，基于試驗(yàn)結(jié)果給出立式儲(chǔ)罐強(qiáng)度衰減評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)罐邊緣底板；力學(xué)測(cè)試；強(qiáng)度衰減；損傷值

立式儲(chǔ)罐多儲(chǔ)存具有一定腐蝕能力介質(zhì)，對(duì)于長(zhǎng)期服役的儲(chǔ)罐將造成不同程度的化學(xué)腐蝕（包括油品中所含電解質(zhì)的電化學(xué)腐蝕），同時(shí)存儲(chǔ)液多為低周脈動(dòng)荷載。儲(chǔ)罐在其服役期內(nèi)長(zhǎng)期處在有腐蝕性的環(huán)境，油品液位的反復(fù)升降使儲(chǔ)罐底板載荷動(dòng)態(tài)變化，必然導(dǎo)致底板的力學(xué)性能不斷下降。當(dāng)儲(chǔ)罐在服役期內(nèi)遭受外界突發(fā)性荷載作用時(shí)，其抵抗外荷載的能力將受到影響。本試驗(yàn)根據(jù)已開罐檢查的儲(chǔ)罐邊緣底板腐蝕狀況，對(duì)鋼材受表面腐蝕、嚴(yán)重點(diǎn)蝕和低周累積損傷后力學(xué)性能指標(biāo)的下降進(jìn)行分析，探討在役儲(chǔ)罐有損傷的安全可靠性評(píng)價(jià)方法。

1 力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試

1.1 試件的抽取

某油田聯(lián)合站5#原油浮頂儲(chǔ)罐容積為20000m3，直徑40m、高度14m，始建于1984年，近期在清罐作業(yè)后，對(duì)儲(chǔ)罐底板全面開展在國際上技術(shù)領(lǐng)先的漏磁無損腐蝕檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，編制了科學(xué)合理的維修維護(hù)方案。對(duì)施工過程中需更換的儲(chǔ)罐8mm厚邊緣底板，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)反復(fù)篩選，重點(diǎn)抽取無腐蝕試件、中等腐蝕（點(diǎn)腐蝕深度3mm左右）和重度腐蝕（點(diǎn)腐蝕深度達(dá)5mm左右）試件各3件。按GB/T228-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的板狀試件規(guī)定，取工作寬度×長(zhǎng)度為20mm×80mm。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

本試驗(yàn)對(duì)試樣進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，在200t液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，應(yīng)力速率10MPa，移動(dòng)速度37.5mm/min，分別測(cè)得無腐蝕、中等腐蝕和重度腐蝕試件抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，具體結(jié)果見表1。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

立式儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期的服役過程中，由于儲(chǔ)存油品具有腐蝕性并受到低周脈動(dòng)荷載的影響，其力學(xué)性能指標(biāo)將下降，為評(píng)定其損失狀況，以指標(biāo)損失率的概念來評(píng)定儲(chǔ)罐的損傷情況。指標(biāo)損失率如下：

式中，As為無腐蝕試件均值數(shù)據(jù)，Ac為有腐蝕試件均值數(shù)據(jù)。經(jīng)過計(jì)算表3給出腐蝕深度不同導(dǎo)致鋼板各項(xiàng)指標(biāo)損失率結(jié)果。

表3 試件腐蝕深度不同導(dǎo)致力學(xué)性能指標(biāo)損失率

由表3可以看出，儲(chǔ)罐底板長(zhǎng)期服役后，因所儲(chǔ)存油品具有腐蝕性，力學(xué)性能指標(biāo)均大幅降低。重度腐蝕儲(chǔ)罐邊緣底板的抗拉強(qiáng)度下降達(dá)40.6%，屈服強(qiáng)度下降達(dá)37.1%，導(dǎo)致儲(chǔ)罐底板強(qiáng)度的衰減，對(duì)儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行帶來隱患。

2 基于試驗(yàn)結(jié)果的立式儲(chǔ)罐強(qiáng)度衰減評(píng)價(jià)

2.1 強(qiáng)度降低值的定義、公式與統(tǒng)計(jì)

油品腐蝕對(duì)儲(chǔ)罐底板強(qiáng)度產(chǎn)生的影響可分二種情況：一是鋼板與介質(zhì)接觸表面均勻性腐蝕，使儲(chǔ)罐底板厚度減薄，強(qiáng)度和剛度降低；二是鋼板表面點(diǎn)腐蝕或坑腐蝕，使應(yīng)力集中。經(jīng)油田多年儲(chǔ)罐清罐后維護(hù)維修，發(fā)現(xiàn)立式儲(chǔ)罐罐底腐蝕大面積的點(diǎn)（坑）腐蝕居多。開展儲(chǔ)罐受腐蝕后底板強(qiáng)度衰減評(píng)定時(shí)，應(yīng)將受點(diǎn)腐蝕及低周荷載影響其力學(xué)性能下降的規(guī)律列為重點(diǎn)，引入評(píng)價(jià)其強(qiáng)度下降程度的函數(shù)——強(qiáng)度降低值。

式中，nc為受點(diǎn)腐蝕后儲(chǔ)罐底板的實(shí)際抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，？滓是無腐蝕儲(chǔ)罐底板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度。

點(diǎn)腐蝕深度與時(shí)間成正比，函數(shù)為Dcp（t）。以正在進(jìn)行維修作業(yè)儲(chǔ)罐為研究目標(biāo)，進(jìn)行力學(xué)性能指標(biāo)試樣測(cè)定分析，確定？滓nc的均值和方差，并以所服務(wù)的年限Tm基準(zhǔn)值，確定Dcp（Tm），建立任意年限的Dcp（t）：

式中：t為服務(wù)年限；Tm為基準(zhǔn)年限。

立式儲(chǔ)罐腐蝕損傷依據(jù)對(duì)該聯(lián)合站5#儲(chǔ)罐底板檢測(cè)結(jié)果，由其已經(jīng)投產(chǎn)時(shí)間30年（1984年～2014年），可推算出各時(shí)間段的強(qiáng)度降低值，詳細(xì)按下述公式：

公式中n為不同介質(zhì)腐蝕參量，可由試驗(yàn)分析獲得，現(xiàn)取最大值n=1；t是對(duì)應(yīng)服役時(shí)間。Dpc（30）是指5#儲(chǔ)罐服役30年的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的降低值：

抗拉強(qiáng)度點(diǎn)降低值：Dpc（30）=0.408

屈服強(qiáng)度點(diǎn)降低值：Dpc（30）=0.372

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到各服役整年份的點(diǎn)強(qiáng)度降低值見表4。

2.2 點(diǎn)腐蝕降低值評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)儲(chǔ)罐腐蝕實(shí)際情況，將其強(qiáng)度降低等級(jí)定義為基本完好、輕度降低、一般降低、嚴(yán)重降低、停用，其強(qiáng)度降低值與等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表5。

根據(jù)該聯(lián)合站5號(hào)儲(chǔ)罐的腐蝕情況，結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試分析，以40年為生產(chǎn)使用期限。各生產(chǎn)領(lǐng)域的在役儲(chǔ)罐維修維護(hù)可借鑒評(píng)價(jià)方法進(jìn)行維推算。在理論上所儲(chǔ)存的介質(zhì)不同，產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕速度亦不同。目前北方油田部分儲(chǔ)罐儲(chǔ)存俄羅斯原油，其含硫物較高，腐蝕對(duì)抗力的影響更大，有必要進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語

（1）試驗(yàn)表明，腐蝕嚴(yán)重的儲(chǔ)罐邊緣底板其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度下降劇烈，導(dǎo)致儲(chǔ)罐底板強(qiáng)度的衰減，勢(shì)必給未來儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行帶來安全隱患。

（2）建立基于試驗(yàn)結(jié)果的立式儲(chǔ)罐強(qiáng)度衰減評(píng)價(jià)方法。

（3）給出了底板腐蝕后儲(chǔ)罐維護(hù)策略：儲(chǔ)罐服役20年以內(nèi)，罐底鋼板基本完好；儲(chǔ)罐服役20～30年時(shí)，罐底鋼板可能出現(xiàn)輕度點(diǎn)（坑）腐蝕，應(yīng)采取重涂防腐層或陰極保護(hù)等措施；儲(chǔ)罐服役30～35年，儲(chǔ)罐底板可能發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，應(yīng)及時(shí)大修；對(duì)于服役超過35年的底板，應(yīng)采取全部更換的措施；對(duì)于使用超過40年的底板，應(yīng)考慮退役，以防止儲(chǔ)罐在使用過程中發(fā)生各類事故。

作者簡(jiǎn)介：李海軍，工程師，1998年畢業(yè)于大慶職工大學(xué)，油氣集輸專業(yè)，現(xiàn)任大慶油田儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司基建管理中心副主任。