張貴霖， 李卓遠(yuǎn)， 吳玉國， 王 丹， 王孝磊

（1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001； 2.管網(wǎng)集團(tuán)（徐州）管道檢驗(yàn)檢測有限公司，江蘇 徐州 221000； 3.遼河油田慶陽勘探開發(fā)分公司，甘肅 慶陽 745000）

石油被稱為“黑色的金子”“工業(yè)的血液”，已經(jīng)成為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要因素[1-2]。為了保障國家能源安全,國家石油儲備計(jì)劃正在穩(wěn)步推進(jìn),大量原油儲備庫已投入運(yùn)營[3-5]。隨著各地儲備庫的建成，原油儲罐（簡稱儲罐）在容積和數(shù)量方面都有了很大的發(fā)展，但儲罐在儲存石油的同時(shí)也蘊(yùn)藏著一定的危險(xiǎn)[6-11]。由于儲罐長期受內(nèi)、外環(huán)境介質(zhì)的影響，罐底、罐頂及附件極易產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕[12-15]。其中，儲罐罐底是影響儲罐安全運(yùn)行的決定性因素，一旦罐底出現(xiàn)腐蝕缺陷則會嚴(yán)重威脅儲罐的安全運(yùn)行，因此應(yīng)該確定一個(gè)合理的腐蝕缺陷修補(bǔ)方案，從而及時(shí)避免事故的發(fā)生，保證儲罐的正常運(yùn)行[16-17]。

針對壓力容器的缺陷修補(bǔ)方法，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究。武旭[18]、王友義[19]、陳小輝[20]、卜文平[21]、帥健[22]、潘紅麗[23]等通過有限元分析法以及實(shí)驗(yàn)對補(bǔ)板修補(bǔ)后的管道進(jìn)行了應(yīng)力分析，得出了相對較優(yōu)的管道補(bǔ)板修復(fù)方法。D.YAN 等[24]通過實(shí)驗(yàn)研究了采用焊接管帽和補(bǔ)板兩種修復(fù)方法修復(fù)管道后管道內(nèi)的應(yīng)力變化以及爆破壓力和應(yīng)變集中現(xiàn)象。結(jié)果表明，與焊接管帽修復(fù)方法相比，補(bǔ)板修復(fù)方法產(chǎn)生的應(yīng)力變化更小，應(yīng)力水平更低。X.CHEN 等[25]通過有限元分析法對水下管道進(jìn)行建模，檢驗(yàn)了不同補(bǔ)板焊接模式的有效性。結(jié)果表明，四縫焊接模式具有更好的性能。但是，國內(nèi)外學(xué)者針對儲罐罐底維護(hù)修補(bǔ)方面的報(bào)道相對匱乏。文獻(xiàn)[26-29]雖然對儲罐的修補(bǔ)提出了需要注意的問題，但對補(bǔ)板的大小以及如何修補(bǔ)等沒有提出具體的方案，僅是根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修補(bǔ)，且目前儲罐維修所依據(jù)的SY/T 5921-2017、SY/T 6620-2014標(biāo)準(zhǔn)針對儲罐修補(bǔ)的細(xì)節(jié)規(guī)定不是很全面，對修補(bǔ)方法、補(bǔ)板大小等具體修補(bǔ)內(nèi)容沒有做詳細(xì)規(guī)定。因此，本文以遼河油田儲罐為研究對象，利用有限元分析法分析最優(yōu)的補(bǔ)板形狀、大小，并對修補(bǔ)后的儲罐底板腐蝕缺陷應(yīng)力進(jìn)行了分析。研究結(jié)果可以從科學(xué)角度對罐底修補(bǔ)給予理論指導(dǎo)。

1 有限元模型的建立

儲罐數(shù)據(jù)取自遼河油田某2 萬m3原油儲罐。該罐直徑為41 m，高度為19.7 m，罐頂厚度為6 mm，罐底厚度為8 mm，各層罐壁厚度分別為16、14、12、11、9、8、8、8、8 mm，共94 mm。罐體材料為Q235，其彈性模量（E）為209 GPa，泊松比（v）為0.3，密度為7 850 kg/m3，罐內(nèi)液體的密度取1 000kg/m3。根據(jù)腐蝕檢測報(bào)告知，罐底中心處存在一個(gè)半徑為3.0 m、深度為5.0 mm 的腐蝕缺陷。利用上述數(shù)據(jù)以及Workbench 軟件建立儲罐模型，并在腐蝕缺陷處增加補(bǔ)板。罐底補(bǔ)板示意圖如圖1所示。

圖1 罐底補(bǔ)板示意圖

采用四面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了得到更為精確的結(jié)果，對腐蝕缺陷及罐底補(bǔ)板處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，對罐體、罐底Z軸方向的自由度進(jìn)行約束，對補(bǔ)板部分施加固定約束，限制其位移。由于罐底受側(cè)壁力影響較大，并未對X、Y軸方向的自由度進(jìn)行約束[30]。

根據(jù)儲罐的真實(shí)受力情況對儲罐內(nèi)部施加載荷，罐底主要受力為罐體的重力和罐內(nèi)液體的重力。取油高為18 m，計(jì)算罐底受到的壓力為1.18 MPa，因此對罐底施加1.18 MPa 的載荷，并對模型整體添加重力加速度以模擬罐體的重力。同時(shí)，由于液體對儲罐側(cè)壁也存在作用力，因此根據(jù)液體高度對罐壁施加梯度載荷，載荷大小隨液體深度的增加而增加。

2 罐底腐蝕缺陷補(bǔ)板形狀的研究

2.1 最優(yōu)補(bǔ)板形狀分析

為了確定腐蝕缺陷最適合的補(bǔ)板形狀，分別采用正方形、圓形和帶圓角的正方形3 種不同形狀的補(bǔ)板對罐底腐蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，并對修補(bǔ)后的儲罐底板進(jìn)行應(yīng)力分析。設(shè)定不同形狀的補(bǔ)板厚度相同，選取底板的安全系數(shù)、應(yīng)力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)[31]，探究了不同形狀的補(bǔ)板在修補(bǔ)后對底板應(yīng)力的影響情況。圖2 為正方形補(bǔ)板應(yīng)力分析結(jié)果。

圖2 正方形補(bǔ)板應(yīng)力分析結(jié)果

由圖2（a）可知，經(jīng)過修補(bǔ)后，罐底位置1 處（位于正方形補(bǔ)板的尖角處）的安全系數(shù)最小，其值為5.722 0，且正方形補(bǔ)板的4 個(gè)尖角處安全系數(shù)均較小。這說明正方形補(bǔ)板的尖角處會對罐底強(qiáng)度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致安全系數(shù)降低。由圖2（b）可知，罐底應(yīng)力最大處位于正方形補(bǔ)板的尖角處，即位置1 處，最大應(yīng)力為43.691 0 MPa，并且在4 個(gè)尖角處的應(yīng)力均較大。這說明正方形補(bǔ)板的尖角對罐底所受應(yīng)力產(chǎn)生影響，導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中，使罐底強(qiáng)度不足，影響儲罐的安全運(yùn)行。

圖3 為帶圓角正方形補(bǔ)板應(yīng)力分析結(jié)果。由圖3（a）可知，4 個(gè)圓角周圍的安全系數(shù)相比于罐底其余部分較低，位置1 處最小安全系數(shù)為9.730 0；相較于正方形補(bǔ)板，采用帶圓角正方形的補(bǔ)板后，罐底的安全系數(shù)有所提升。這說明對4 個(gè)尖角進(jìn)行倒圓角處理能有效提升底板的安全系數(shù)。由圖3（b）可知，4個(gè)圓角部分仍然會產(chǎn)生應(yīng)力集中，位置1 處的應(yīng)力為27.162 0 MPa；相較于圖2（b），帶圓角正方形補(bǔ)板位置1 處的應(yīng)力降低了約16.529 0 MPa。這說明帶圓角的正方形補(bǔ)板的修補(bǔ)效果優(yōu)于正方形補(bǔ)板。

圖3 帶圓角正方形補(bǔ)板應(yīng)力分析結(jié)果

圖4 為圓形補(bǔ)板應(yīng)力分析結(jié)果。由圖4（a）可知，修補(bǔ)后罐底的安全系數(shù)明顯提升，位置1 處的安全系數(shù)達(dá)到了12.962 0，可見采用圓形補(bǔ)板修補(bǔ)罐底腐蝕缺陷比采用帶圓角正方形補(bǔ)板修補(bǔ)更為安全。由圖4（b）可知，位置1 處的應(yīng)力較大，其值為20.558 0 MPa，與帶圓角正方形補(bǔ)板修補(bǔ)后的罐底應(yīng)力相比，其值減小了6.604 0 MPa；應(yīng)力分布較為均勻，無某部分或某點(diǎn)應(yīng)力較大而出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，對罐底的傷害小，不易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞導(dǎo)致的罐底強(qiáng)度不夠等影響儲罐平穩(wěn)安全運(yùn)行的因素。

圖4 圓形補(bǔ)板應(yīng)力分析結(jié)果

綜上可知，在正方形、帶圓角正方形和圓形3 種形狀的補(bǔ)板中，圓形補(bǔ)板是儲罐修補(bǔ)后安全系數(shù)最大、應(yīng)力最小的補(bǔ)板形狀，對罐底的修補(bǔ)效果最好。因此，腐蝕缺陷的補(bǔ)板形狀宜采用圓形。

2.2 修補(bǔ)后腐蝕缺陷應(yīng)力及安全系數(shù)的分析

為驗(yàn)證圓形補(bǔ)板對腐蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)的有效性，對比了修補(bǔ)前后的腐蝕缺陷應(yīng)力，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，修補(bǔ)前罐底腐蝕缺陷最大應(yīng)力為13.533 0 MPa，修補(bǔ)后罐底腐蝕缺陷最大應(yīng)力為0.060 6 MPa，修補(bǔ)前后腐蝕缺陷應(yīng)力降低了13.472 4MPa。這說明利用補(bǔ)板對罐底腐蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)是行之有效的，可以大幅降低腐蝕缺陷應(yīng)力。

圖5 圓形補(bǔ)板修補(bǔ)前后腐蝕缺陷應(yīng)力的對比

圖6 為圓形補(bǔ)板修補(bǔ)前后腐蝕缺陷安全系數(shù)的對比。由圖6 可知，修補(bǔ)前腐蝕缺陷的最小安全系數(shù)為13.317 0，說明受腐蝕缺陷引起的應(yīng)力集中的影響，罐底安全系數(shù)小；利用補(bǔ)板將腐蝕缺陷修補(bǔ)后，在減小其應(yīng)力的同時(shí)提高了缺陷的安全系數(shù)，修補(bǔ)后腐蝕缺陷的安全系數(shù)從13.317 0 提升到了15.000 0，說明整個(gè)腐蝕缺陷是安全的，使用圓形補(bǔ)板對腐蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)是有效的。

圖6 圓形補(bǔ)板修補(bǔ)前后腐蝕缺陷安全系數(shù)的對比

2.3 補(bǔ)板半徑對應(yīng)力的影響分析

2.3.1 對腐蝕缺陷應(yīng)力的影響

圖7 為不同腐蝕缺陷半徑、深度下補(bǔ)板半徑對腐蝕缺陷應(yīng)力的影響。

圖7 不同腐蝕缺陷半徑、深度下補(bǔ)板半徑對腐蝕缺陷應(yīng)力的影響

由圖7 可以看出，從縱向來看，隨著補(bǔ)板半徑的增大，腐蝕缺陷應(yīng)力變化趨勢大致相同，先快速下降，而后有所減緩，變得稍微平穩(wěn)，但總體呈現(xiàn)下降趨勢；從橫向來看，隨著腐蝕缺陷半徑的變化，應(yīng)力幾乎沒有變化；對腐蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)之后，當(dāng)腐蝕缺陷半徑增大時(shí)，應(yīng)力基本在同一水平線上，無明顯的增大或減??；修補(bǔ)后腐蝕缺陷應(yīng)力不再受到腐蝕缺陷深度和腐蝕缺陷半徑的影響。

2.3.2 對補(bǔ)板應(yīng)力的影響

圖8 為修補(bǔ)后不同半徑補(bǔ)板所受應(yīng)力對比。

圖8 修補(bǔ)后不同半徑補(bǔ)板所受應(yīng)力對比

由圖8 可知，當(dāng)補(bǔ)板半徑為3.5 m 時(shí)，補(bǔ)板所受最大應(yīng)力位置在補(bǔ)板邊緣處，應(yīng)力為17.400 0 MPa，這是由于罐內(nèi)液體對補(bǔ)板的擠壓造成補(bǔ)板邊緣處應(yīng)力較大，但總體來說應(yīng)力較大的部分占補(bǔ)板體積的很小一部分；當(dāng)補(bǔ)板半徑增大至4.0 m 時(shí)，補(bǔ)板所受最大應(yīng)力仍然處于補(bǔ)板邊緣，但應(yīng)力減小為16.669 0 MPa，這是由于補(bǔ)板面積的增大，對罐內(nèi)油品的承壓能力增強(qiáng)，補(bǔ)板下方腐蝕缺陷大小不變，腐蝕缺陷補(bǔ)板面積變大，因此與未被腐蝕的罐底的接觸面積更大，幫助補(bǔ)板部分承壓，即補(bǔ)板半徑的增大導(dǎo)致其所受應(yīng)力減??；當(dāng)補(bǔ)板半徑增大至5.0m 時(shí)，補(bǔ)板所受最大應(yīng)力為14.825 0 MPa，相比于半徑為3.5 m 的補(bǔ)板，其所受最大應(yīng)力減小了2.575 0 MPa。綜上可知，最大應(yīng)力點(diǎn)位于補(bǔ)板的邊緣處，所以補(bǔ)板是否安全需要對補(bǔ)板邊緣的安全系數(shù)進(jìn)行分析。

圖9 為修補(bǔ)后不同半徑補(bǔ)板的安全系數(shù)對比。由圖9 可知，當(dāng)補(bǔ)板半徑為3.5 m 時(shí)，補(bǔ)板邊緣最小安全系數(shù)為14.843 0；當(dāng)補(bǔ)板半徑增大到4.0 m 時(shí)，補(bǔ)板邊緣處的最小安全系數(shù)為14.998 0（接近安全系數(shù)最大值15.000 0），說明補(bǔ)板半徑增大的同時(shí)，安全系數(shù)提高；當(dāng)補(bǔ)板半徑繼續(xù)增大到4.5 m 時(shí)，補(bǔ)板邊緣雖然受到較大應(yīng)力，但其邊緣處安全系數(shù)均為15.000 0，說明此時(shí)的補(bǔ)板十分安全可靠；當(dāng)補(bǔ)板半徑繼續(xù)增大到5.0 m 時(shí)，安全系數(shù)仍為15.000 0。安全系數(shù)最大值為15.000 0，因此再繼續(xù)增大補(bǔ)板半徑，安全系數(shù)沒有變化，說明半徑為4.5、5.0 m 時(shí)的補(bǔ)板均可安全平穩(wěn)運(yùn)行。

圖9 修補(bǔ)后不同半徑補(bǔ)板的安全系數(shù)對比

2.4 補(bǔ)板半徑對補(bǔ)板費(fèi)用和安全系數(shù)的影響分析

利用本文提出的罐底補(bǔ)板方案，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，給出了遼河油田2 萬m3儲罐罐底半徑為3.0 m、深度為5.0 mm 的腐蝕缺陷修補(bǔ)表，結(jié)果如表1 所示。

表1 腐蝕缺陷修補(bǔ)表

由表1 可知，半徑為3.1 m 的補(bǔ)板所需費(fèi)用較低，修補(bǔ)后的安全系數(shù)為13.184 0，屬于安全范圍；半徑為4.5 m 的補(bǔ)板所需費(fèi)用較高，修補(bǔ)后的安全系數(shù)為15.000 0，在安全性上有更好的保障，修補(bǔ)后會有更長的使用年限，但相對花費(fèi)高一些。因此，企業(yè)在制定補(bǔ)板方案時(shí)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合適的補(bǔ)板半徑。

3 結(jié) 論

1）最佳補(bǔ)板形狀為圓形，利用圓形補(bǔ)板修補(bǔ)后可以有效降低腐蝕缺陷應(yīng)力，提高安全系數(shù)。

2）對腐蝕缺陷進(jìn)行修補(bǔ)后，腐蝕缺陷應(yīng)力只隨補(bǔ)板半徑的增大而減小，不會隨腐蝕缺陷深度、半徑的變化而變化。

3）隨著補(bǔ)板半徑的增大，補(bǔ)板的費(fèi)用和安全性增加，具體補(bǔ)板大小應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況制定。