含腐蝕減薄缺陷的常壓儲(chǔ)罐合于使用評(píng)價(jià)

趙彥修 陳彥澤 邢 述

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院）

由于技術(shù)、工藝及材料等方面的原因，任何設(shè)備都不可避免地存在原始制造缺陷， 受載荷、介質(zhì)及環(huán)境等因素的影響，在服役過程中還可能出現(xiàn)新生缺陷。 服役設(shè)備一般不允許存在超標(biāo)缺陷，例如，儲(chǔ)罐的壁板或者底板發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重腐蝕或其他類型的缺陷時(shí)，需要采取防護(hù)、修復(fù)或更換措施［1～3］。

“合于使用評(píng)價(jià)”是指對(duì)含有超標(biāo)缺陷的結(jié)構(gòu)或裝備能否繼續(xù)使用以及如何使用而進(jìn)行的定量工程評(píng)價(jià)［4］。工程實(shí)踐證明，只有危害性缺陷才會(huì)導(dǎo)致設(shè)備失效，缺陷是否具備危害性與其失效機(jī)理和服役條件有關(guān)。 按照已知理論進(jìn)行必要的分析評(píng)定，對(duì)缺陷加以區(qū)分，剔除危害性缺陷，保留非危害性缺陷，允許帶有非危害性缺陷的設(shè)備在原有條件或某些限制條件下繼續(xù)使用，對(duì)于減少不必要的設(shè)備維修或報(bào)廢、提高企業(yè)運(yùn)營(yíng)效益具有重要意義。

壁板和底板的腐蝕減薄是鋼制立式圓筒形焊接常壓儲(chǔ)罐的主要損傷因素，也是造成在用常壓儲(chǔ)罐發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和泄漏的重要原因［5～9］。筆者通過實(shí)例介紹含腐蝕減薄缺陷在用常壓儲(chǔ)罐合于使用評(píng)價(jià)的方法和過程，為延長(zhǎng)儲(chǔ)罐的使用壽命、節(jié)省檢維修費(fèi)用提供范例。

1 合于使用評(píng)價(jià)的方法與程序

合于使用（Fitness-for-Service，F(xiàn)FS）原意為服役適用性。 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家從二十世紀(jì)七八十年代開始合于使用評(píng)價(jià)的工程應(yīng)用，并發(fā)布相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)， 如BSI PD6493 Guidance on some methods for the derivation of acceptance levels for defects in fusion welded joints、BS 7910 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures、API 579 Fitness-for-Service、JWES 2805 Methods of assessment for defects in fusion welded joints with respect to brittle fracture。 我國(guó)于1984年推出CVDA《壓力容器缺陷評(píng)定規(guī)范》，在2004年和2018年分別推出GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》 和GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》。 這些標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)彈塑性力學(xué)或斷裂力學(xué)理論，應(yīng)用于承壓設(shè)備安全評(píng)定。 鋼制立式焊接常壓儲(chǔ)罐與承壓設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造和使用方面有諸多類似之處，帶缺陷常壓儲(chǔ)罐也可依此理論進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

2 含腐蝕減薄缺陷的儲(chǔ)罐罐體評(píng)價(jià)

2.1 儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)

某企業(yè)儲(chǔ)罐建造在海拔高度10m左右的城市郊區(qū)，無抗風(fēng)圈，主要技術(shù)參數(shù)為：

圖1 合于使用評(píng)價(jià)流程

儲(chǔ)罐內(nèi)徑 16 000mm

罐壁高度 11 570mm

層板高度 1 200/1 470/1 000/1 580/1 580/1 580/1 580/1 580mm

底板公稱壁厚 6.0/5.0mm

頂板公稱壁厚 4.0mm

壁板公稱壁厚 7.0/6.0/5.0/4.0mm×5

公稱容積 2 000m3

最高允許液位 10 500mm

主體材料 A3

操作介質(zhì) 柴油

腐蝕裕量 1.0mm

投用時(shí)間 30年

2.2 檢驗(yàn)情況

儲(chǔ)罐投用后未實(shí)施過正規(guī)的在用檢驗(yàn)。 在一次放料過程中第3層壁板發(fā)生鼓包變形， 后委托檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)實(shí)施開罐檢驗(yàn)。

經(jīng)宏觀檢查、厚度測(cè)定、焊縫表面檢測(cè)、真空試漏和底板漏磁檢測(cè)： 罐頂板最小剩余厚度2.9mm，未見明顯減??；焊縫表面檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷；罐壁板、底板腐蝕嚴(yán)重，第3層壁板鼓包變形后折曲呈波形（圖2）；罐底板大面積麻坑狀腐蝕，漏磁檢測(cè)發(fā)現(xiàn)多數(shù)中幅板最小剩余厚度均不足2mm（圖3）。

對(duì)罐底板腐蝕嚴(yán)重部位切板后打磨處理，經(jīng)超聲波測(cè)厚得最小剩余厚度為1.5mm。 按現(xiàn)行檢維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［10～13］評(píng)定，第1～4層罐壁板剩余厚度明顯小于公稱厚度，罐中幅底板最小剩余厚度不滿足其關(guān)于最小厚度的要求。

圖2 第3層壁板變形狀況

圖3 罐底板漏磁檢測(cè)結(jié)果示意圖

2.3 合于使用評(píng)價(jià)

根據(jù)罐體的受力狀態(tài)和使用工況分析，該罐的損傷模式主要是減薄失穩(wěn)和腐蝕穿孔，儲(chǔ)罐不僅需要滿足強(qiáng)度要求，而且還需要滿足穩(wěn)定性要求。 由于儲(chǔ)罐投用時(shí)間較長(zhǎng)，無法找到相關(guān)資料，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范不明，因而筆者按現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范［14］對(duì)罐體強(qiáng)度、穩(wěn)定性和底板剩余壽命進(jìn)行分析計(jì)算。

2.3.1 最大腐蝕速率

罐壁、罐底的最大腐蝕速率v為：

式中 T——儲(chǔ)罐使用年限，a；

td——壁板/底板公稱厚度，mm；

tmin——壁板/底板最小剩余厚度，mm。

代入數(shù)值算得，罐壁板和罐中幅底板的最大腐蝕速率分別為0.07mm/a和0.12mm/a。

2.3.2 罐壁強(qiáng)度校核

儲(chǔ)罐直徑小于60m， 按定設(shè)計(jì)點(diǎn)法校核各層壁板強(qiáng)度，根據(jù)GB 50341—2014［14］第6.3條的校核公式：

式中 D——儲(chǔ)罐內(nèi)徑，m；

H——計(jì)算液位高度（指從所計(jì)算的那圈罐壁板底端到最高允許液位的高度），m；

t——罐壁板的計(jì)算厚度，mm；

ρ——儲(chǔ)液相對(duì)密度，取0.85；

［σ］——設(shè)計(jì)溫度下鋼板的許用應(yīng)力，MPa，A3鋼取157MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)，第1圈焊縫取0.85，其他各圈取0.90。

罐壁強(qiáng)度校核結(jié)果列于表1。

表1 儲(chǔ)罐第1～4層壁板厚度校核結(jié)果

由表1可知，第2～4層壁板平均剩余厚度雖不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的名義厚度要求，但滿足強(qiáng)度計(jì)算要求，并有足夠的腐蝕裕量，罐壁強(qiáng)度校核通過。

2.3.3 罐體穩(wěn)定性校核

該常壓儲(chǔ)罐屬于典型的薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，在滿足強(qiáng)度要求的條件下，還需滿足穩(wěn)定性要求。 根據(jù)GB 50341—2014［14］第6.4.3條的規(guī)定進(jìn)行罐體穩(wěn)定性校核。

罐壁筒體的設(shè)計(jì)外壓po計(jì)算式為：

po=2.25μzwo+q

式中 q——設(shè)計(jì)真空負(fù)壓，按最大值取0.25kPa；

wo——基本風(fēng)壓， 根據(jù)油罐所處地理位置取0.4kPa；

μz——風(fēng)壓高度系數(shù)， 根據(jù)油罐所處地理位置取1.0。

經(jīng)計(jì)算， 罐壁筒體的設(shè)計(jì)外壓po=2.25×1.0×0.4+0.25=1.15kPa。

罐壁筒體許用臨界壓力［pcr］計(jì)算式為：

式中 HE——核算區(qū)間罐壁筒體的當(dāng)量高度，m；

Hei——第i圈壁板的當(dāng)量高度，m；

hi——第i圈壁板的實(shí)際高度，m；

ti——第i圈壁板的有效厚度，mm；

tmin′——核算區(qū)間最薄罐壁板的有效厚度，

取值為3.70mm。

罐壁筒體許用臨界壓力［pcr］的計(jì)算參數(shù)列于表2。

表2 罐壁筒體剛度校核參數(shù)

2.3.4 罐底板剩余壽命校核

儲(chǔ)罐中幅底板主要承受液體靜壓力，其應(yīng)力值很小，可以說底板強(qiáng)度要求很低，主要是防止底板腐蝕穿孔。該底板最小剩余厚度為1.5mm，已不能滿足常壓儲(chǔ)罐現(xiàn)行檢維修標(biāo)準(zhǔn)［10～13］關(guān)于最小厚度的要求。 罐底板最大腐蝕速率v=0.12mm/a，原工況下繼續(xù)使用儲(chǔ)罐兩年后，底板的最小剩余厚度為1.5-0.12×2=1.26mm，即該儲(chǔ)罐的底板最小剩余厚度雖不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 但不至于穿孔，可以在監(jiān)控條件下繼續(xù)使用兩年。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果表明，在一定條件下，儲(chǔ)罐即使存在某些超標(biāo)缺陷仍可滿足使用要求。 筆者認(rèn)為現(xiàn)行儲(chǔ)罐檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)僅根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果對(duì)壁板進(jìn)行評(píng)定而不考慮剛度要求的做法［10］值得商榷，因?yàn)槌簝?chǔ)罐受力狀況決定其強(qiáng)度要求并不高，如果僅考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，有可能導(dǎo)致發(fā)生罐壁變形失穩(wěn)。 另外，儲(chǔ)罐的中幅底板由于主要承受液體靜壓力作用，其最小剩余厚度即使適當(dāng)放寬也可滿足使用要求。

4 結(jié)束語

合于使用評(píng)價(jià)是一種科學(xué)有效的方法，可作為含缺陷在役設(shè)備的維修、評(píng)定的重要依據(jù)。 通過合于使用評(píng)價(jià)不僅可以降低事故的發(fā)生頻率，而且可以避免非必要維修或更新，延長(zhǎng)儲(chǔ)罐使用壽命，能夠提高設(shè)備利用率、節(jié)約檢維修費(fèi)用。