大型儲罐大角焊結構及強度分析

王雄飛

（南京南化建設有限公司，江蘇南京 210044）

大型原油儲罐有其自身的優勢，有極其廣闊的市場應用前景，考慮到大型儲罐角焊縫區域的應力狀況較為復雜，常規設計和施工方法難以改善該區域的應力狀況。為此，本文提出一種新型的大型儲罐角焊縫的加強和保護結構，有效規避大型儲罐角焊縫處的腐蝕現象，明顯降低了大型儲罐角焊縫區域的應力幅值。

1 大型儲罐大角焊保護結構

1.1 大型儲罐大角焊焊縫存在的缺陷

大型儲罐角焊縫處于罐壁和罐底板的連接部位，存在明顯的結構突變和邊緣應力集中現象，局部彎曲應力極大。在與介質長期接觸的過程中，罐壁內側的大型儲罐角焊縫是拉應力區，存在較大的腐蝕破壞影響。

1.2 大型儲罐大角焊保護結構的技術方案

大型儲罐大角焊保護結構有四種基本型式：凹弧形、凸弧形、折彎型、管型，可以設置于罐壁的內側、外側或內外雙置，形成與大型儲罐角焊縫的密封雙防線。技術方案包括有以下幾種：①凹弧形保護結構。該結構內設加強保護構件和氣體滲漏檢測單元，其中，加強保護構件環形設置于儲罐壁下部，與罐壁板、罐底板圍合成狹窄的密閉腔體，其截面呈凹弧形結構；氣體滲漏檢測單元由檢測導管和漏氣檢測系統組成，檢測導管的兩端分別連接密閉腔體和漏氣檢測系統，如圖1所示。

圖1 大型儲罐大角焊保護結構

②凸弧形保護結構。該方案中的加強保護構件截面為凸弧形結構，設置于儲罐的內側，環形設置于儲罐的四周，并與罐壁板、罐底板焊接成為密閉腔體。檢測導管從加強保護構件的開孔引出，由罐體頂部引出罐外，并與漏氣檢測系統相連。③折彎形保護結構。該方案中的加強保護構件截面為折彎形結構，設置于儲罐壁的內側，其他大致相同。④管形保護結構。該方案的加強保護構件為管形結構，設置于儲罐壁的內側，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導管。⑤外置式保護結構。該方案的加強保護構件截面為凸弧形結構，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立密封空間形式，各密閉空間上開孔，由一根檢測導管實現密閉空間與漏氣檢測系統的連通。⑥內外雙置式保護結構。內置的加強保護構件截面采用凸弧形結構，外置的加強保護構件截面為折彎形結構[1]。

2 大型儲罐大角焊結構的防腐性能

2.1 大型儲罐主要腐蝕部位及原因

①罐頂。罐頂有各種工藝管口、平臺、踏步，無法做到完全的防水，其表面長期處于潮濕狀態，會加劇腐蝕的現象，保溫層也會降低防腐涂層漆膜的連續性和致密性。罐頂內壁會因內部油品揮發生成的H2S 氣體而形成水蒸氣、氧氣、CO2、H2S、碳氫化合物，存在較大的溫差，使罐頂內表面產生氧的去極化腐蝕。②罐壁。罐壁外腐蝕大多是均勻腐蝕，通常是大氣腐蝕，易于出現腐蝕的部位為底部焊縫向上0-300mm 范圍內的罐壁、油氣交界面附近的內壁，可以涂刷防腐涂層進行罐壁外表面的防護。③罐底。儲罐底板的介質側存在嚴重的腐蝕現象，主要是由電化學腐蝕而造成的，腐蝕形式主要為面蝕和坑點狀的點蝕。且罐底板采用搭接焊縫方法，難免存在罐底板變形的現象，導致罐底板的受腐蝕現象更加嚴重。④大型儲罐角焊縫。這是結構不連續的區域，局部應力較為集中，極易出現儲罐泄漏的事故，其腐蝕主要來自于罐內的介質或沉積水在角焊縫處的電化學腐蝕、應力腐蝕等。

2.2 大型儲罐的防腐策略

通常采用涂刷防腐涂料或犧牲陽極保護法進行防腐處理，具體包括有：①罐壁、罐頂部位的防腐處理。通常在罐壁內表面涂刷環氧底漆+環氧面漆、富鋅底漆+環氧類/聚氨酯類面漆，涂膜厚度通常要在250um 以上，并嚴格進行噴砂除銹處理，避免防腐涂層出現氣泡、起皮、脫落等現象。②罐底邊緣板處的防腐處理。采用CTPU 防腐措施進行儲罐外側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，將膠泥填充于混凝土基礎、邊緣板、底圈板下部，成為完整的密封層，體現出較高的彈性和延伸率，具有良好的防水效果。③儲罐角焊縫加強和保護結構的防腐處理。可以在儲罐內壁大型儲罐角焊縫處設置加強保護結構，徹底隔阻大型儲罐角焊縫和腐蝕介質，消除大型儲罐角焊縫處的腐蝕，并大幅減小該部位的局部應力幅值[2]。

3 大型儲罐的大角焊結構強度分析

3.1 結構的應力分析

未加保護結構的內罐應力集中于第一帶板和第二帶板焊縫連接處，應力值為168.8MPa，大型儲罐角焊縫上端的罐壁板內外表面均存在極在的應力，應力值約為150.05MPa，且應力成分極其復雜，極易撕裂焊縫而引發泄漏。凹弧形保護結構的內罐應力同樣集中于第一、第二帶板焊縫連接處，應力值為175.42MPa，內罐壁板的內外側應力呈大幅下降趨勢，應力值在40～59MPa。凸弧形保護結構的內罐應力集中于凸弧形保護結構與第一帶板焊縫連接外側，應力值為179.97MPa，內罐壁板的內外側應力大幅下降，應力值在40～60MPa。折彎形保護結構的內罐應力集中于折彎形保護結構與第一帶板焊縫連接外側，應力值為142.87MPa，內罐壁板的內外側應力大幅下降，應力值在47～63MPa。圓管形保護結構的內罐應力集中于圓管形保護結構與第一帶板焊縫連接外側，應力值為141.52MPa，內罐壁板的內外側應力大幅下降，應力值在47～63MPa。

3.2 結構靜態強度及耐受短時間沖擊能力的影響

短期載荷會導致大型儲罐角焊縫處的應力超出材料抗拉強度，導致結構泄漏或破壞問題。通過計算可知，凹弧形加強保護結構可以有效降低大型儲罐角焊縫內側的應力，使之降低55%，焊縫外側應力降低約40%。例如：09MnNiDR 材料的大型儲罐在采用加強保護結構之后，角焊縫部位的安全裕度提高了28.8%；以材料的抗拉強度與構件的設計應力之比來衡量，加強保護結構后的安全裕度提高了67%。

3.3 結構承受交變載荷能力的影響

由于大型儲罐運行中存在壓力波動、載荷波動、周期性溫度變化及外加交變機械載荷，因而其角焊縫處可能存在疲勞損壞的問題。其疲勞破壞的機理在于首先在局部高應力區域產生微小裂紋，構件會在偶然的超載瞬間出現斷裂。同時，大型儲罐角焊縫處難免存在咬邊、裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，最后導致焊縫處出現貫穿性破壞。為此，要最大程度降低大型儲罐角焊縫處的應力值，規避應力集中的問題[3]。

4 結語

綜上所述，大型儲罐采用加強保護結構能夠極大地減少角焊縫處的應力幅值，可以在罐壁內側和外側設置加強保護構件，形成密封的雙防線，有效隔阻存儲介質，避免大型儲罐角焊縫處的腐蝕。同時，還可以分擔大型儲罐角焊縫處的彎矩，使結構應力下降明顯，具有更大的應力安全裕度。未來還要做好大型儲罐角焊縫加強保護結構的工程應用，結合工程反饋情況進行優化，并在工程實踐中應用儲罐加強保護結構的泄漏檢測系統。