大型儲(chǔ)罐大角焊結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度分析

王雄飛

（南京南化建設(shè)有限公司，江蘇南京 210044）

大型原油儲(chǔ)罐有其自身的優(yōu)勢(shì)，有極其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，考慮到大型儲(chǔ)罐角焊縫區(qū)域的應(yīng)力狀況較為復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計(jì)和施工方法難以改善該區(qū)域的應(yīng)力狀況。為此，本文提出一種新型的大型儲(chǔ)罐角焊縫的加強(qiáng)和保護(hù)結(jié)構(gòu)，有效規(guī)避大型儲(chǔ)罐角焊縫處的腐蝕現(xiàn)象，明顯降低了大型儲(chǔ)罐角焊縫區(qū)域的應(yīng)力幅值。

1 大型儲(chǔ)罐大角焊保護(hù)結(jié)構(gòu)

1.1 大型儲(chǔ)罐大角焊焊縫存在的缺陷

大型儲(chǔ)罐角焊縫處于罐壁和罐底板的連接部位，存在明顯的結(jié)構(gòu)突變和邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部彎曲應(yīng)力極大。在與介質(zhì)長(zhǎng)期接觸的過程中，罐壁內(nèi)側(cè)的大型儲(chǔ)罐角焊縫是拉應(yīng)力區(qū)，存在較大的腐蝕破壞影響。

1.2 大型儲(chǔ)罐大角焊保護(hù)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案

大型儲(chǔ)罐大角焊保護(hù)結(jié)構(gòu)有四種基本型式：凹弧形、凸弧形、折彎型、管型，可以設(shè)置于罐壁的內(nèi)側(cè)、外側(cè)或內(nèi)外雙置，形成與大型儲(chǔ)罐角焊縫的密封雙防線。技術(shù)方案包括有以下幾種：①凹弧形保護(hù)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件和氣體滲漏檢測(cè)單元，其中，加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件環(huán)形設(shè)置于儲(chǔ)罐壁下部，與罐壁板、罐底板圍合成狹窄的密閉腔體，其截面呈凹弧形結(jié)構(gòu)；氣體滲漏檢測(cè)單元由檢測(cè)導(dǎo)管和漏氣檢測(cè)系統(tǒng)組成，檢測(cè)導(dǎo)管的兩端分別連接密閉腔體和漏氣檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 大型儲(chǔ)罐大角焊保護(hù)結(jié)構(gòu)

②凸弧形保護(hù)結(jié)構(gòu)。該方案中的加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件截面為凸弧形結(jié)構(gòu)，設(shè)置于儲(chǔ)罐的內(nèi)側(cè)，環(huán)形設(shè)置于儲(chǔ)罐的四周，并與罐壁板、罐底板焊接成為密閉腔體。檢測(cè)導(dǎo)管從加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件的開孔引出，由罐體頂部引出罐外，并與漏氣檢測(cè)系統(tǒng)相連。③折彎形保護(hù)結(jié)構(gòu)。該方案中的加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件截面為折彎形結(jié)構(gòu)，設(shè)置于儲(chǔ)罐壁的內(nèi)側(cè)，其他大致相同。④管形保護(hù)結(jié)構(gòu)。該方案的加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件為管形結(jié)構(gòu)，設(shè)置于儲(chǔ)罐壁的內(nèi)側(cè)，與罐壁板、罐底板焊接圍成密閉腔體。圓管壁上開有若干小孔，連通密閉腔體和檢測(cè)導(dǎo)管。⑤外置式保護(hù)結(jié)構(gòu)。該方案的加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件截面為凸弧形結(jié)構(gòu)，與罐壁板、罐底板連接圍成一圈密閉腔體，可以采用整圈連通或筋板分隔的獨(dú)立密封空間形式，各密閉空間上開孔，由一根檢測(cè)導(dǎo)管實(shí)現(xiàn)密閉空間與漏氣檢測(cè)系統(tǒng)的連通。⑥內(nèi)外雙置式保護(hù)結(jié)構(gòu)。內(nèi)置的加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件截面采用凸弧形結(jié)構(gòu)，外置的加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件截面為折彎形結(jié)構(gòu)[1]。

2 大型儲(chǔ)罐大角焊結(jié)構(gòu)的防腐性能

2.1 大型儲(chǔ)罐主要腐蝕部位及原因

①罐頂。罐頂有各種工藝管口、平臺(tái)、踏步，無法做到完全的防水，其表面長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，會(huì)加劇腐蝕的現(xiàn)象，保溫層也會(huì)降低防腐涂層漆膜的連續(xù)性和致密性。罐頂內(nèi)壁會(huì)因內(nèi)部油品揮發(fā)生成的H2S 氣體而形成水蒸氣、氧氣、CO2、H2S、碳?xì)浠衔铮嬖谳^大的溫差，使罐頂內(nèi)表面產(chǎn)生氧的去極化腐蝕。②罐壁。罐壁外腐蝕大多是均勻腐蝕，通常是大氣腐蝕，易于出現(xiàn)腐蝕的部位為底部焊縫向上0-300mm 范圍內(nèi)的罐壁、油氣交界面附近的內(nèi)壁，可以涂刷防腐涂層進(jìn)行罐壁外表面的防護(hù)。③罐底。儲(chǔ)罐底板的介質(zhì)側(cè)存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，主要是由電化學(xué)腐蝕而造成的，腐蝕形式主要為面蝕和坑點(diǎn)狀的點(diǎn)蝕。且罐底板采用搭接焊縫方法，難免存在罐底板變形的現(xiàn)象，導(dǎo)致罐底板的受腐蝕現(xiàn)象更加嚴(yán)重。④大型儲(chǔ)罐角焊縫。這是結(jié)構(gòu)不連續(xù)的區(qū)域，局部應(yīng)力較為集中，極易出現(xiàn)儲(chǔ)罐泄漏的事故，其腐蝕主要來自于罐內(nèi)的介質(zhì)或沉積水在角焊縫處的電化學(xué)腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。

2.2 大型儲(chǔ)罐的防腐策略

通常采用涂刷防腐涂料或犧牲陽極保護(hù)法進(jìn)行防腐處理，具體包括有：①罐壁、罐頂部位的防腐處理。通常在罐壁內(nèi)表面涂刷環(huán)氧底漆+環(huán)氧面漆、富鋅底漆+環(huán)氧類/聚氨酯類面漆，涂膜厚度通常要在250um 以上，并嚴(yán)格進(jìn)行噴砂除銹處理，避免防腐涂層出現(xiàn)氣泡、起皮、脫落等現(xiàn)象。②罐底邊緣板處的防腐處理。采用CTPU 防腐措施進(jìn)行儲(chǔ)罐外側(cè)罐底邊緣板處的防腐處理，采用罐底專用彈性密封膠和玻璃布技術(shù)，將膠泥填充于混凝土基礎(chǔ)、邊緣板、底圈板下部，成為完整的密封層，體現(xiàn)出較高的彈性和延伸率，具有良好的防水效果。③儲(chǔ)罐角焊縫加強(qiáng)和保護(hù)結(jié)構(gòu)的防腐處理?？梢栽趦?chǔ)罐內(nèi)壁大型儲(chǔ)罐角焊縫處設(shè)置加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)，徹底隔阻大型儲(chǔ)罐角焊縫和腐蝕介質(zhì)，消除大型儲(chǔ)罐角焊縫處的腐蝕，并大幅減小該部位的局部應(yīng)力幅值[2]。

3 大型儲(chǔ)罐的大角焊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析

未加保護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)罐應(yīng)力集中于第一帶板和第二帶板焊縫連接處，應(yīng)力值為168.8MPa，大型儲(chǔ)罐角焊縫上端的罐壁板內(nèi)外表面均存在極在的應(yīng)力，應(yīng)力值約為150.05MPa，且應(yīng)力成分極其復(fù)雜，極易撕裂焊縫而引發(fā)泄漏。凹弧形保護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)罐應(yīng)力同樣集中于第一、第二帶板焊縫連接處，應(yīng)力值為175.42MPa，內(nèi)罐壁板的內(nèi)外側(cè)應(yīng)力呈大幅下降趨勢(shì)，應(yīng)力值在40～59MPa。凸弧形保護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)罐應(yīng)力集中于凸弧形保護(hù)結(jié)構(gòu)與第一帶板焊縫連接外側(cè)，應(yīng)力值為179.97MPa，內(nèi)罐壁板的內(nèi)外側(cè)應(yīng)力大幅下降，應(yīng)力值在40～60MPa。折彎形保護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)罐應(yīng)力集中于折彎形保護(hù)結(jié)構(gòu)與第一帶板焊縫連接外側(cè)，應(yīng)力值為142.87MPa，內(nèi)罐壁板的內(nèi)外側(cè)應(yīng)力大幅下降，應(yīng)力值在47～63MPa。圓管形保護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)罐應(yīng)力集中于圓管形保護(hù)結(jié)構(gòu)與第一帶板焊縫連接外側(cè)，應(yīng)力值為141.52MPa，內(nèi)罐壁板的內(nèi)外側(cè)應(yīng)力大幅下降，應(yīng)力值在47～63MPa。

3.2 結(jié)構(gòu)靜態(tài)強(qiáng)度及耐受短時(shí)間沖擊能力的影響

短期載荷會(huì)導(dǎo)致大型儲(chǔ)罐角焊縫處的應(yīng)力超出材料抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)泄漏或破壞問題。通過計(jì)算可知，凹弧形加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效降低大型儲(chǔ)罐角焊縫內(nèi)側(cè)的應(yīng)力，使之降低55%，焊縫外側(cè)應(yīng)力降低約40%。例如：09MnNiDR 材料的大型儲(chǔ)罐在采用加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)之后，角焊縫部位的安全裕度提高了28.8%；以材料的抗拉強(qiáng)度與構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力之比來衡量，加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)后的安全裕度提高了67%。

3.3 結(jié)構(gòu)承受交變載荷能力的影響

由于大型儲(chǔ)罐運(yùn)行中存在壓力波動(dòng)、載荷波動(dòng)、周期性溫度變化及外加交變機(jī)械載荷，因而其角焊縫處可能存在疲勞損壞的問題。其疲勞破壞的機(jī)理在于首先在局部高應(yīng)力區(qū)域產(chǎn)生微小裂紋，構(gòu)件會(huì)在偶然的超載瞬間出現(xiàn)斷裂。同時(shí)，大型儲(chǔ)罐角焊縫處難免存在咬邊、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，最后導(dǎo)致焊縫處出現(xiàn)貫穿性破壞。為此，要最大程度降低大型儲(chǔ)罐角焊縫處的應(yīng)力值，規(guī)避應(yīng)力集中的問題[3]。

4 結(jié)語

綜上所述，大型儲(chǔ)罐采用加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)能夠極大地減少角焊縫處的應(yīng)力幅值，可以在罐壁內(nèi)側(cè)和外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)保護(hù)構(gòu)件，形成密封的雙防線，有效隔阻存儲(chǔ)介質(zhì)，避免大型儲(chǔ)罐角焊縫處的腐蝕。同時(shí)，還可以分擔(dān)大型儲(chǔ)罐角焊縫處的彎矩，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降明顯，具有更大的應(yīng)力安全裕度。未來還要做好大型儲(chǔ)罐角焊縫加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，結(jié)合工程反饋情況進(jìn)行優(yōu)化，并在工程實(shí)踐中應(yīng)用儲(chǔ)罐加強(qiáng)保護(hù)結(jié)構(gòu)的泄漏檢測(cè)系統(tǒng)。