含腐蝕減薄缺陷的常壓儲罐合于使用評價

趙彥修 陳彥澤 邢 述

（中國特種設備檢測研究院）

由于技術、工藝及材料等方面的原因，任何設備都不可避免地存在原始制造缺陷， 受載荷、介質及環境等因素的影響，在服役過程中還可能出現新生缺陷。 服役設備一般不允許存在超標缺陷，例如，儲罐的壁板或者底板發現存在嚴重腐蝕或其他類型的缺陷時，需要采取防護、修復或更換措施［1～3］。

“合于使用評價”是指對含有超標缺陷的結構或裝備能否繼續使用以及如何使用而進行的定量工程評價［4］。工程實踐證明，只有危害性缺陷才會導致設備失效，缺陷是否具備危害性與其失效機理和服役條件有關。 按照已知理論進行必要的分析評定，對缺陷加以區分，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備在原有條件或某些限制條件下繼續使用，對于減少不必要的設備維修或報廢、提高企業運營效益具有重要意義。

壁板和底板的腐蝕減薄是鋼制立式圓筒形焊接常壓儲罐的主要損傷因素，也是造成在用常壓儲罐發生結構失穩和泄漏的重要原因［5～9］。筆者通過實例介紹含腐蝕減薄缺陷在用常壓儲罐合于使用評價的方法和過程，為延長儲罐的使用壽命、節省檢維修費用提供范例。

1 合于使用評價的方法與程序

合于使用（Fitness-for-Service，FFS）原意為服役適用性。 歐美等發達國家從二十世紀七八十年代開始合于使用評價的工程應用，并發布相應標準， 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。 我國于1984年推出CVDA《壓力容器缺陷評定規范》，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定》 和GB/T 35013—2018《承壓設備合于使用評價》。 這些標準主要依據彈塑性力學或斷裂力學理論，應用于承壓設備安全評定。 鋼制立式焊接常壓儲罐與承壓設備在設計、制造和使用方面有諸多類似之處，帶缺陷常壓儲罐也可依此理論進行合于使用評價，評價流程如圖1所示。

2 含腐蝕減薄缺陷的儲罐罐體評價

2.1 儲罐技術參數

某企業儲罐建造在海拔高度10m左右的城市郊區，無抗風圈，主要技術參數為：

圖1 合于使用評價流程

儲罐內徑 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 柴油

腐蝕裕量 1.0mm

投用時間 30年

2.2 檢驗情況

儲罐投用后未實施過正規的在用檢驗。 在一次放料過程中第3層壁板發生鼓包變形， 后委托檢驗機構實施開罐檢驗。

經宏觀檢查、厚度測定、焊縫表面檢測、真空試漏和底板漏磁檢測： 罐頂板最小剩余厚度2.9mm，未見明顯減薄；焊縫表面檢測未發現裂紋缺陷；罐壁板、底板腐蝕嚴重，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，漏磁檢測發現多數中幅板最小剩余厚度均不足2mm（圖3）。

對罐底板腐蝕嚴重部位切板后打磨處理，經超聲波測厚得最小剩余厚度為1.5mm。 按現行檢維修技術標準［10～13］評定，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 罐底板漏磁檢測結果示意圖

2.3 合于使用評價

根據罐體的受力狀態和使用工況分析，該罐的損傷模式主要是減薄失穩和腐蝕穿孔，儲罐不僅需要滿足強度要求，而且還需要滿足穩定性要求。 由于儲罐投用時間較長，無法找到相關資料，儲罐設計規范不明，因而筆者按現行設計規范［14］對罐體強度、穩定性和底板剩余壽命進行分析計算。

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 罐壁強度校核

儲罐直徑小于60m， 按定設計點法校核各層壁板強度，根據GB 50341—2014［14］第6.3條的校核公式：

式中 D——儲罐內徑，m；

H——計算液位高度（指從所計算的那圈罐壁板底端到最高允許液位的高度），m；

t——罐壁板的計算厚度，mm；

ρ——儲液相對密度，取0.85；

［σ］——設計溫度下鋼板的許用應力，MPa，A3鋼取157MPa；

φ——焊接接頭系數，第1圈焊縫取0.85，其他各圈取0.90。

罐壁強度校核結果列于表1。

表1 儲罐第1～4層壁板厚度校核結果

由表1可知，第2～4層壁板平均剩余厚度雖不滿足標準規定的名義厚度要求，但滿足強度計算要求，并有足夠的腐蝕裕量，罐壁強度校核通過。

2.3.3 罐體穩定性校核

該常壓儲罐屬于典型的薄壁圓筒結構，在滿足強度要求的條件下，還需滿足穩定性要求。 根據GB 50341—2014［14］第6.4.3條的規定進行罐體穩定性校核。

罐壁筒體的設計外壓po計算式為：

po=2.25μzwo+q

式中 q——設計真空負壓，按最大值取0.25kPa；

wo——基本風壓， 根據油罐所處地理位置取0.4kPa；

μz——風壓高度系數， 根據油罐所處地理位置取1.0。

經計算， 罐壁筒體的設計外壓po=2.25×1.0×0.4+0.25=1.15kPa。

罐壁筒體許用臨界壓力［pcr］計算式為：

式中 HE——核算區間罐壁筒體的當量高度，m；

Hei——第i圈壁板的當量高度，m；

hi——第i圈壁板的實際高度，m；

ti——第i圈壁板的有效厚度，mm；

tmin′——核算區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］的計算參數列于表2。

表2 罐壁筒體剛度校核參數

2.3.4 罐底板剩余壽命校核

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

3 評價結果分析

計算結果表明，在一定條件下，儲罐即使存在某些超標缺陷仍可滿足使用要求。 筆者認為現行儲罐檢驗標準僅根據強度計算結果對壁板進行評定而不考慮剛度要求的做法［10］值得商榷，因為常壓儲罐受力狀況決定其強度要求并不高，如果僅考慮結構的強度，有可能導致發生罐壁變形失穩。 另外，儲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放寬也可滿足使用要求。

4 結束語

合于使用評價是一種科學有效的方法，可作為含缺陷在役設備的維修、評定的重要依據。 通過合于使用評價不僅可以降低事故的發生頻率，而且可以避免非必要維修或更新，延長儲罐使用壽命，能夠提高設備利用率、節約檢維修費用。