大型储罐大角焊结构及强度分析

王雄飞

（南京南化建设有限公司，江苏南京 210044）

大型原油储罐有其自身的优势，有极其广阔的市场应用前景，考虑到大型储罐角焊缝区域的应力状况较为复杂，常规设计和施工方法难以改善该区域的应力状况。为此，本文提出一种新型的大型储罐角焊缝的加强和保护结构，有效规避大型储罐角焊缝处的腐蚀现象，明显降低了大型储罐角焊缝区域的应力幅值。

1 大型储罐大角焊保护结构

1.1 大型储罐大角焊焊缝存在的缺陷

大型储罐角焊缝处于罐壁和罐底板的连接部位，存在明显的结构突变和边缘应力集中现象，局部弯曲应力极大。在与介质长期接触的过程中，罐壁内侧的大型储罐角焊缝是拉应力区，存在较大的腐蚀破坏影响。

1.2 大型储罐大角焊保护结构的技术方案

大型储罐大角焊保护结构有四种基本型式：凹弧形、凸弧形、折弯型、管型，可以设置于罐壁的内侧、外侧或内外双置，形成与大型储罐角焊缝的密封双防线。技术方案包括有以下几种：①凹弧形保护结构。该结构内设加强保护构件和气体渗漏检测单元，其中，加强保护构件环形设置于储罐壁下部，与罐壁板、罐底板围合成狭窄的密闭腔体，其截面呈凹弧形结构；气体渗漏检测单元由检测导管和漏气检测系统组成，检测导管的两端分别连接密闭腔体和漏气检测系统，如图1所示。

图1 大型储罐大角焊保护结构

②凸弧形保护结构。该方案中的加强保护构件截面为凸弧形结构，设置于储罐的内侧，环形设置于储罐的四周，并与罐壁板、罐底板焊接成为密闭腔体。检测导管从加强保护构件的开孔引出，由罐体顶部引出罐外，并与漏气检测系统相连。③折弯形保护结构。该方案中的加强保护构件截面为折弯形结构，设置于储罐壁的内侧，其他大致相同。④管形保护结构。该方案的加强保护构件为管形结构，设置于储罐壁的内侧，与罐壁板、罐底板焊接围成密闭腔体。圆管壁上开有若干小孔，连通密闭腔体和检测导管。⑤外置式保护结构。该方案的加强保护构件截面为凸弧形结构，与罐壁板、罐底板连接围成一圈密闭腔体，可以采用整圈连通或筋板分隔的独立密封空间形式，各密闭空间上开孔，由一根检测导管实现密闭空间与漏气检测系统的连通。⑥内外双置式保护结构。内置的加强保护构件截面采用凸弧形结构，外置的加强保护构件截面为折弯形结构[1]。

2 大型储罐大角焊结构的防腐性能

2.1 大型储罐主要腐蚀部位及原因

①罐顶。罐顶有各种工艺管口、平台、踏步，无法做到完全的防水，其表面长期处于潮湿状态，会加剧腐蚀的现象，保温层也会降低防腐涂层漆膜的连续性和致密性。罐顶内壁会因内部油品挥发生成的H2S 气体而形成水蒸气、氧气、CO2、H2S、碳氢化合物，存在较大的温差，使罐顶内表面产生氧的去极化腐蚀。②罐壁。罐壁外腐蚀大多是均匀腐蚀，通常是大气腐蚀，易于出现腐蚀的部位为底部焊缝向上0-300mm 范围内的罐壁、油气交界面附近的内壁，可以涂刷防腐涂层进行罐壁外表面的防护。③罐底。储罐底板的介质侧存在严重的腐蚀现象，主要是由电化学腐蚀而造成的，腐蚀形式主要为面蚀和坑点状的点蚀。且罐底板采用搭接焊缝方法，难免存在罐底板变形的现象，导致罐底板的受腐蚀现象更加严重。④大型储罐角焊缝。这是结构不连续的区域，局部应力较为集中，极易出现储罐泄漏的事故，其腐蚀主要来自于罐内的介质或沉积水在角焊缝处的电化学腐蚀、应力腐蚀等。

2.2 大型储罐的防腐策略

通常采用涂刷防腐涂料或牺牲阳极保护法进行防腐处理，具体包括有：①罐壁、罐顶部位的防腐处理。通常在罐壁内表面涂刷环氧底漆+环氧面漆、富锌底漆+环氧类/聚氨酯类面漆，涂膜厚度通常要在250um 以上，并严格进行喷砂除锈处理，避免防腐涂层出现气泡、起皮、脱落等现象。②罐底边缘板处的防腐处理。采用CTPU 防腐措施进行储罐外侧罐底边缘板处的防腐处理，采用罐底专用弹性密封胶和玻璃布技术，将胶泥填充于混凝土基础、边缘板、底圈板下部，成为完整的密封层，体现出较高的弹性和延伸率，具有良好的防水效果。③储罐角焊缝加强和保护结构的防腐处理。可以在储罐内壁大型储罐角焊缝处设置加强保护结构，彻底隔阻大型储罐角焊缝和腐蚀介质，消除大型储罐角焊缝处的腐蚀，并大幅减小该部位的局部应力幅值[2]。

3 大型储罐的大角焊结构强度分析

3.1 结构的应力分析

未加保护结构的内罐应力集中于第一带板和第二带板焊缝连接处，应力值为168.8MPa，大型储罐角焊缝上端的罐壁板内外表面均存在极在的应力，应力值约为150.05MPa，且应力成分极其复杂，极易撕裂焊缝而引发泄漏。凹弧形保护结构的内罐应力同样集中于第一、第二带板焊缝连接处，应力值为175.42MPa，内罐壁板的内外侧应力呈大幅下降趋势，应力值在40～59MPa。凸弧形保护结构的内罐应力集中于凸弧形保护结构与第一带板焊缝连接外侧，应力值为179.97MPa，内罐壁板的内外侧应力大幅下降，应力值在40～60MPa。折弯形保护结构的内罐应力集中于折弯形保护结构与第一带板焊缝连接外侧，应力值为142.87MPa，内罐壁板的内外侧应力大幅下降，应力值在47～63MPa。圆管形保护结构的内罐应力集中于圆管形保护结构与第一带板焊缝连接外侧，应力值为141.52MPa，内罐壁板的内外侧应力大幅下降，应力值在47～63MPa。

3.2 结构静态强度及耐受短时间冲击能力的影响

短期载荷会导致大型储罐角焊缝处的应力超出材料抗拉强度，导致结构泄漏或破坏问题。通过计算可知，凹弧形加强保护结构可以有效降低大型储罐角焊缝内侧的应力，使之降低55%，焊缝外侧应力降低约40%。例如：09MnNiDR 材料的大型储罐在采用加强保护结构之后，角焊缝部位的安全裕度提高了28.8%；以材料的抗拉强度与构件的设计应力之比来衡量，加强保护结构后的安全裕度提高了67%。

3.3 结构承受交变载荷能力的影响

由于大型储罐运行中存在压力波动、载荷波动、周期性温度变化及外加交变机械载荷，因而其角焊缝处可能存在疲劳损坏的问题。其疲劳破坏的机理在于首先在局部高应力区域产生微小裂纹，构件会在偶然的超载瞬间出现断裂。同时，大型储罐角焊缝处难免存在咬边、裂纹、未焊透、未熔合等缺陷，最后导致焊缝处出现贯穿性破坏。为此，要最大程度降低大型储罐角焊缝处的应力值，规避应力集中的问题[3]。

4 结语

综上所述，大型储罐采用加强保护结构能够极大地减少角焊缝处的应力幅值，可以在罐壁内侧和外侧设置加强保护构件，形成密封的双防线，有效隔阻存储介质，避免大型储罐角焊缝处的腐蚀。同时，还可以分担大型储罐角焊缝处的弯矩，使结构应力下降明显，具有更大的应力安全裕度。未来还要做好大型储罐角焊缝加强保护结构的工程应用，结合工程反馈情况进行优化，并在工程实践中应用储罐加强保护结构的泄漏检测系统。