（油气储运工程专业论文）含点蚀缺陷的原油浮顶罐剩余强度评价.pdf

缺陷的交互作用随着缺陷间距的增大而减小，径向排列缺陷的交互作用对储罐一定产生 作用并随着腐蚀间距的增大，即小缺陷厚度的减小，储罐的极限承压能力减小。 关键词：原油储罐，a n s y s 有限元分析，剩余强度评价 t h er e s i d u a li n t e n s i t y a n a l y s i so ff l o a t i n gr o o f o i lt a n k c o n t a i n i n gc o r r o s i o nd e f e c t s c h e nz i j i n g ( c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h el i m i n a b s t r a c t o i ls t o r a g et a n ki sap e t r o l e u mp r o d u c t i o n ，u s e dt os t o r ec r u d eo i l ，g a s o l i n e ，k e r o s e n e ， d i e s e la n do t h e ro i lp r o d u c t s a so u rc o u n t r yn a t i o n a le c o n o m ya n dp e t r o c h e m i c a li n d u s t r y r a p i dd e v e l o p m e n t ，w h e t h e ri ti so i lf i e l d s ，r e f i n e r i e so rm a r k e t i n gc o m p a n i e sa r er e q u i r e d m a n yt y p e so fo i ls t o r a g et a n k s ，t h en e e d so fs t o r a g et a n k si si n c r e a s i n g ，a n di t sa n t i c o r r o s i o n a n ds e c u r i t yh a v ea r o u s ea ni n c r e a s i n gp r o b l e ma t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r s ，a st h eh u m a nd e m a n d so fe n e r g ys o u r c e si sg r o w i n g u p ，m u c ho fp o r t s a n do i lr e f i n e r i e ss e tu pa l a r g ea m o u n to fc r u d eo i ls t o r a g et a n k s ，r e l i a b l eo p e r a t i o no ft h e s e f a c i l i t i e sh a sd i r e c tr e l a t i o n s h i pt ot h ee f f i c i e n tp r o d u c t i o na n dt h ee n v i r o n m e n ts a f e t y t h e l e n g t ho f i t sl i f eh a v ead i r e c ti m p a c to nt h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h er e f i n e r y , t h eg e n e r a lt a n k d e s i g nl i f ei s2 0y e a r s ，h o w e v e r , t h eo i ls t o r e di nt a n k so t t e nc o n t a i n sh y d r o g e n ，s u l f u r i ca c i d ， o r g a n i ca n di n o r g a n i cs a l t s ，w a t e ra n do t h e rc o r r o s i v ec h e m i c a l s ，t o g e t h e r 淅t l lt h et a n kw a l l s u f e r i n gf r o me n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，t h el i f es p a no fo i lt a n kc a nb es h o r t e n e dt o5y e a r s s o m es e r i o u sc o r r o s i o nw i l le n a b l et h et a n kc o r r o s i o np e r f o r a t i o ni na b o u ta y e a r i fc o r r o s i o n p e r f o r a t i o no c c u r r e dd u r i n gn o n - e x a m i n a t i o na n dn o n r e p a i rp e r i o d ，r e s u l t i n gt h el o s se v e n g r e a t e r i fg i v i n gm e t a lt a n k st r e a t m e n tn o tt i m e l y , i tw i l lm a k et a n ks u r f a c ec o r r o s i o na n d p o l l u t i o no fo i l ，s oo i lc o l l o i d ，p h ，s a l i n i t yi n c r e a s e ，t h e nm a k i n gt h ei m p a c to ff u e lq u a l i t y ； m o r e o v e r , c o r r o s i o np e r f o r a t i o nc a u s e do i ll e a k a g e ，n o to n l yp r o d u c i n ge n e r g yw a s t e ， p o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，b u ta l s oe a s i l yc a u s i n gf i r e ，e x p l o s i o n ，s oi t sf a t a l n e s sc a r lb e i m a g i n e d c o r r o s i o nf a t i g u ed a m a g ec a u s e dad i r e c ti m p a c to nt h ei n t e n s i t yo fo i lt a n k ，a n di ti st h e m a i nr e a s o nt or e d u c et h el i f e - s p a no fo i lt a n k t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec o r r o s i o n f a t i g u e ，t oa s s e s so ft h er e s i d u a li n t e n s i t yo fi n s e r v i c eo i lt a n k ，f o rt h ef u t u r eo fo i lp r o d u c t i o n ， a n dm a i n t e n a n c et op r o v i d er e l i a b l es a f e t yd a t a i nt h ec u r r e n t ，t h es t u d i e so ft h ei n t e n s i t yo f o i lt a n kc o n t a i n i n gc o r r o s i o nd e f e c t sa r es t i l lr e l a t i v e l yl a c k ，a n dt h e r ea r en ou n i v e r s a l l y a p p l i c a b l em e t h o d so fe v a l u a t i o n ，s oi no r d e rt op r o d u c es a f e l y , b e n e f i t so ft h ec o u n t r y ，t h e e n t e r p r i s ee c o n o m i c ，t h e r ei sa i lu r g e n tn e e df o rag o o de v a l u a t i o no ft a n kc o r r o s i o nd e f e c t s m e t h o d i nt h i sa r t i c l e ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt oa n a l y z ea12 5 10 4 m 3l a r g ef l o a t i n gr o o f o i lt a n k ，a n de v a l u a t et h er e s i d u a li n t e n s i t yo ft h et a n k t h ea r t i c l ei sd i v i d e di n t of o u rm a i n p a r t s ，w h i c h r r ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n ds t r e s se v a l u a t i o no fn od e f e c t st a n k ；t h e d e f o r m a t i o nw i t hat a n ko fd e f e c t sa n dt h ea n a l y s i so fa v a r i e t yo fs t r e s s ( r a d i a ls t r e s s ，h o o p s t r e s s ，a x i a ls t r e s s ) m a x i m u mw i t ht h ed e f e c t s s i z e ，l o c a t i o n ，d e p t hc h a n g i n g ；t h ed e f o r m a t i o n o fs t o r a g et a n k sc o n t a i n i n gt w od e f e c t sa n dt h ea n a l y s i so ft h es t r e s sm a x i m u m 、 ，i n ld e f e c t s a t t r i b u t e sc h a n g e ；t h ei n t e r a c t i o n so fc o r r o s i o np i tp o i n to nt h ei m p a c to ft a n kr e s i d u a l i n t e n s i t y u s i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ，s e t t i n gu pm o d e l ，i m p o s e h y d r o s t a t i cp r e s s u r el o a d ( 尸= p g h ) a n dm a k et h es t r u c t u r a ls i m u l a t i o na n a l y s i sf o rs t o r a g e t a n k , g r a p h i c a ld a t as u m m a r i z e da n ds u m m e du p ，g e tt h ef o l l o w i n gm a j o rc o n c l u s i o n s ：i nt h e n od e f e c t st a n k ，w h e ni ti su n d e rt h ef o r c e ，t h em a x i m u mc i r c u m f e r e n t i a ls t r e s sc a nh a p p e ni n t h es e c o n dr i n gw a l l ，t h em a x i m u ma x i a ls t r e s sc a na p p e a ri nt h ef i r s tl a pt ot h ee d g eo ft h e i n n e rs i d e ；f o rt h es t o r a g et a n kc o n t a i n i n gd e f e c t s ，w i t hd e f e c t sa td i f f e r e n ta x i a ll o c a t i o n , d e f o r m a t i o nc h a n g ei sd i f f e r e n tw i t ht h ec o r r o s i o na r e ai n c r e a s i n ga n dd e c r e a s i n g ，a n dw i t h t h ei n c r e a s eo ft h ec o r r o s i o na r e a , s t r e s sv a l u ec h a n g et r e n d so ft h es t o r a g et a n ki sa l m o s t r e d u c i n g ，b u ta tc e r t a i nl o c a t i o n sa p p e a r i n gs p e c i a lc h a n g e ；t h ed e f e c t sa r r a n g i n ga n n u l a r l y i n t e r a c t i o no fd e f e c t si n c r e a s e dw i t hd e f e c ts p a c i n gd e c r e a s e d ，i n t e r a c t i o no fd e f e c t sa r r a n g i n g i nr a d i a ld i r e c t i o nm u s th a v ear o l eo nt h es t o r a g et a n ka n dw i t ht h ec o r r o s i o nd e f e c t ss p a c i n g i n c r e a s e d , w h i c hm e a n st h et h i c k n e s so ft h es m a l ld e f e c t sr e d u c e d ，t h el i m i t e dh i g h e s t p r e s s u r ei sr e d u c e d k e yw o r d s ：c r u d eo i ls t o r a g et a n k ，a n s y sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，r e s i d u a l s t r e n g t h e v a l u a t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 盘查l 日期：勿，矿乡月勿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或 其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 暨主煎 指导教师签名： 日期：矽呷年甲月l , o 日 日期：矽产中月沙日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 石油储罐是用来储存原油、汽油、煤油、柴油等石油产品的设备。随着我国国民经 济和石油化工的迅速发展，无论是油田、炼厂还是销售公司都需要大量的储罐储存各类 油品，储油罐使用量在不断增加，结构也逐渐向着大型化发展。油罐在国民经济和战略 储备上都有着重要意义。 油罐所储存的油品往往含有氢、硫酸、有机和无机盐以及水分等腐蚀性化学物质， 严重的腐蚀了油罐，特别是内壁和底板，导致油罐内壁和底板出现了腐蚀坑点，甚至是 腐蚀开裂，使罐壁和底板的厚度大大减薄，对油罐的强度造成了严重的影响，从而引起 了一系列的安全隐患。加上罐外壁受环境因素影响，油罐的寿命也被大大缩短。油罐一 般的设计寿命是2 0 年，但由于腐蚀的影响，寿命被缩短至5 年1 1 1 。如果不能对金属油罐 进行及时的防腐处理，轻则表面腐蚀并对油品造成污染，使油品胶质、酸碱度、盐分增 加，影响油品质量；重则因腐蚀使油罐穿孔造成油品泄漏，不但形成能源浪费、污染环境， 而且容易造成火灾、爆炸，其危险性可想而知。因此，对油罐受腐蚀最严重部位进行安 全评价，及时的采用合理的、先进的、经济的防护方法，对延长油罐使用寿命、减少经 济损失、保护环境和保证油库等储油单位的安全运行具有重要的意义。 目前，油罐内防腐蚀措施有多种：针对不同腐蚀采用不同钢材、增加腐蚀严重部位 钢材厚度、阴极保护法、热喷涂复合防护层法、涂料防护法，牺牲阳极与涂层联合保护 法等。其中以涂层防护法使用的最为普遍。根据中国石油化工科学研究院编制的液体 石油产品静电安全规程国家标准要求，储油罐防腐蚀涂料必须具有良好的导静电性能。 但在涂层使用中，出现了许多问题，导静电涂层本身以及一些外界因素导致涂层的防护 性能大大改变，不但不能起到防腐蚀作用，而且还使腐蚀情况变得恶劣。由此看来，即 便有涂层保护的油罐，仍然存在着很重的腐蚀问题。 对于含缺陷压力容器安全评价，也叫做适用性评价，包括两个方面：剩余强度评价 和剩余寿命预测。剩余强度评价是在压力容器缺陷检测的基础上，通过严格的理论分析、 试验测试和力学计算，确定压力容器的最大允许工作压力( m a o p ) 和当前工作压力下 的临界缺陷尺寸，为压力容器的维修和更换，以及升、降压操作提供依据。含缺陷压力 容器剩余寿命预测是在研究缺陷的动力学发展规律和材料性能退化规律的基础上，给出 1 第1 章绪论 压力容器的剩余安全服役时间。剩余寿命预测结果可以为压力容器检测周期的制定提供 科学依据。 目前对于油罐腐蚀缺陷评价的研究还比较少，为了生产过程中的安全和企业单位的 经济效益，有必要对油罐腐蚀带来的应力，应变变化进行分析。首要解决的问题是找到 适用的评价方法，针对油罐腐蚀应在以弹性力学为基础的数值方法上进行深入的研究。 大型通用有限元计算软件a n s y s 具有强大的前处理、求解和后处理功能。目前广 泛应用于机械制造、土木工程、材料成形、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车、 铁路运输、电子等众多科学领域，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科 的研究，是典型的c a e 软件。其前处理器( p r e p r o c e s s o r ) 能够建立各种复杂的几何模 型，并经行有限元网格自动划分以及各种材料属性和求解单元的设置；强大的求解器 ( s o l u t i o n ) 可对各种加载进行分步求解；功能丰富的后处理器( g e n e r a lp o s t p r o c ) 提供 了对结果进行有效分析的工具。a n s y s 在结构分析中的应用已经相当广泛，尤其对于 静态结构分析( s t a t i cs t r u c t u r e ) ，更具有较好的适用性【2 】。 针对a n s y s 在分析计算中的种种优点，本文使用a n s y s 软件对含有缺陷的外浮 顶原油储罐进行强度分析，试图为储罐腐蚀缺陷提供一种适用的评价方法，也希望为以 后的研究能有一定的参考价值。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 油罐内腐蚀情况 油罐内的腐蚀程度取决于油罐贮藏油品的品种以及温度。实验及实际数据都表明： 煤油、轻油和粗制汽油对油罐的腐蚀性最大；原油、粗制重油和汽油次之：重油、石脑 油和润滑油等的腐蚀性最小。油品对油罐内壁的腐蚀通常是随着油品温度的升高而加 快。此外，就某一个油罐而言，它的不同部位的腐蚀程度也是大相径庭。一般情况下， 油罐罐底和罐壁最下部很少一部分的腐蚀程度最严重，这是因为该部分直接与油析水相 接触，而油析水是一种电解质溶液，其中还含有c l - 、鼢2 、n a + 等离子，和其它部位的 腐蚀介质比较，它的腐蚀性最强，油罐的罐顶和内壁上部并不直接与油品接触属于气相 腐蚀，气相中通常含有水蒸气、氧气、硫化氢等气体，这一气相对油罐的腐蚀也是很严 重的，仅次于油析水对油罐的腐蚀，油罐罐壁中部直接与油品接触部分属油相腐蚀。其 腐蚀程度较其它部位为最轻【3 1 。 2 十目石油大学( 华末) 硕士位论文 对于原油油罐来说，近年以来，在油罐丈修过程中发现，油罐腐蚀比较严重，常见 罐底板大面积的腐蚀，腐蚀坑可深达4 5 m m ，分布率达2 0 2 5 个m 2 ，且局部有腐蚀 穿孔。浮船单盘的腐蚀更为严重腐蚀造成单盘板大面积减薄5 0 - - 6 0 ，且局部穿孔， 最大的孔达3 0 0 n t m x 2 0 0 m m 。般，在油罐腐蚀中，单盘腐蚀占6 0 ，底板腐蚀占4 0 ； 因腐蚀穿孔而造成的油罐停运中，底扳占7 64 ，浮船单盘穿孔占2 36 。 油罐的腐蚀主要集中在罐底板和罐浮船单盘两个部位，对于罐立板、罐拱顶、浮船 浮仓等，主要是由大气或介质引起的均匀腐蚀，且其腐蚀轻微，壁厚减薄很小。油罐底 板处于油罐的最底层上部接触罐介质，f 部与罐基础接触。由于原油中含水率在2 0 左右，且罐内的原油进出量很大，每年约有几十万或几百万一，致使罐内的积水很多， 含有大量杂质的油田水对金属的腐蚀有很大的影响 4 1 。 表1 - 1 油罐典型腐蚀状况 t a b l e l 一1 竹p i c a lc o r r o s i o nd i 孽t r i b u t i o no f t a n k 罐底板下表面腐蚀较轻，部分防护涂层脱落，有均匀性腐蚀或锈斑，无局部点腐蚀 现象。罐底板f 的沥青沙垫层完好，无松动及渗水现象。各位置处腐蚀情况见图1 - 1 、 图1 - 2 和图1 3 ( ”。 一二 。 ”- ：。 _ _ 图i - 1 罐底扳上表面腐蚀穿孔 f i g l 一1 c o r r o s i o np e r f o r a t i o no f t h eb o t t o mp l a n eo f t a n k 第1 章绪论 图1 - 2 储罐上表面边缘板腐蚀点 f i g l 2 o s i o np o t so bb r i mp l a n eo f t h et a n k 图1 0 储罐上表面边缘板角焊缝腐蚀 f i g l - 3 c o r r 衄i o no rc o 皿e r o f b r i mp l a n eo f t h et a n k 122 储罐防护中出现的一些问题 为了有效的防止储罐在使用期间的腐蚀老化，对储罐内部实施了多种的防护措施。 普遍的防腐技术有：选择油罐材质，一般宜选用含碳量小于o2 和硫、磷含量低于 03 的钢材。不同存储介质的油罐应选用不同的不锈钢材质。适当增加腐蚀严重部位 的钢材厚度适当增加腐蚀严重部位如罐底和罐顶的厚度可以提高防腐能力，但不应超过 钢板总厚度的2 0 。 采用阴极保护法，一般采用压制带状阳极在罐底环状布置和罐壁 下部均匀分布作牺牲阳极。热喷涂复台防护层，把喷涂的金属原料在高温下熔化，用 压缩气体或其他惰性气体将熔化的金属吹成雾状，迅速地喷射到预先准备好的金属物体 表面上这些细小的金属颗粒在飞射过程中是处于熔化状态，当撞到被喷射的物体表面 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 后，立即变形、伸平并迅速冷却，紧紧地嵌附在被喷涂物体的表面，连续喷射便形成喷涂 层【6 】。涂料防护，最常见的涂层有：环氧树脂类防腐蚀涂料，聚氨酯类防腐蚀涂料， 富锌涂料，玻璃鳞片涂料m 。 防腐涂层应该是目前最普遍效果最好的防护措施，但是在储罐长时间的使用和维护 过程中仍发现了许多问题。 1 、导静电涂料本身缺陷导致腐蚀加剧6 ，9 , 1 0 , 1 1 】 目前，无论是原油罐还是成品油罐都采用导静电防腐蚀涂料。导静电涂料分为本征 型和添加型。本征型为涂料基体本身具有导电性，据认为价格较高，从而使推广应用受 到限制，而工业实际使用的均为添加型。添加型即在绝缘体基体中添加导静电剂构成导 静电涂料。目前添加型导静电涂料主要是添加导电碳黑的黑色导静电涂料和添加金属或 金属氧化物导电粉的导静电涂料。导静电涂料必须同时具备导电性能和防腐蚀性能，导 静电是前提，防腐蚀是目的。而添加型涂料在应用上也存在一些问题，其中碳系黑色导 静电涂料存在着以下问题： 耐蚀性、装饰性差； 储油罐的罐壁发生以涂层中的碳黑为阳极； 以铁为阴极的电化学腐蚀( 海水中石墨稳定电位+ o 0 2 - 0 0 3 v ，而铁的稳定电位 0 5 5 v ，构成电化学腐蚀) ； 由于碳黑与基体是简单掺合，导电性能不稳定，有渗出污染油品的可能。但这种 涂料成本较低，原料丰富，因而被广泛应用。金属添加型导静电防腐涂料导电稳定、装 饰性好，但也存在着以下问题： 金属与基体也是简单掺合而非化学结合，由于金属密度大，容易沉降，影响施工， 涂料中难分散的金属或金属氧化物易污染油品； 金属或金属氧化物与铁金属由于电位差也会形成电偶，罐内有积水时加速罐底板 的腐蚀； 生产成本相对碳系导静电涂料高。近期出现的以氧化锡包覆云母制备的浅色导静 电涂料同样也存在导电填料与罐壁金属发生电偶腐蚀的危险。 由于各种各样的原因，导静电涂料在实际应用中情况各异，成功与失败的实例都有。 有的使用 年良好，有的使用一年左右就出现严重腐蚀，油罐底部腐蚀穿孔漏油。这 类腐蚀事故经常发生。鉴于涂层导静电性能与腐蚀防护性能的矛盾性，涂层表面电阻率 5 第1 章绪论 应控制在1 0 8 q 为型8 1 ，以确保储罐罐底的封闭性能。 2 、施工缺陷导致腐蚀 在施工过程中由于质量控制不严格，金属表面除锈达不到要求的等级，就会使涂层 与金属基体之间的结合能力下降，易于剥离，在涂层的涂刷过程中，由于人为或其它因 素，会在涂层局部产生针孔或缺陷，这些缺陷缩短了电解质溶液达到钢铁表面的路径， 急剧恶化了涂层的防腐性能。即使在完全理想的施工条件下，涂层本身固有的“气孔 也为电解质溶液的渗透提供了通道，因此，涂层对腐蚀介质的完全屏蔽是不可能的。 3 、牺牲阳极与涂料搭配不当 在储罐底板的上表面使用牺牲阳极是对涂层防腐起到一个辅助保护的作用，当涂层 出现缺陷或破损时，牺牲阳极可以为其提供保护电流，使缺陷或破损点成为阴极，以减 缓或消除金属基体的腐蚀。当储罐内壁所采用的防腐涂料是导静电涂料时，由于涂层的 电阻率较低，起不到绝缘的作用，牺牲阳极的电位又低于涂层的电位，导致牺牲阳极与 其周围的防腐层间形成电回路，在不存在缺陷或破损点时牺牲阳极也处于工作状态，且 其范围很小，牺牲阳极材料很快被消耗掉，起不到应有的保护作用，因此腐蚀加剧。 4 、局部破损点加速金属腐蚀 当涂层局部出现损坏时，涂层相对于暴露于腐蚀性介质中的金属基体，成为阴极， 而暴露的金属基体则相对成为阳极，形成了大阴极、小阳极的腐蚀电池形态，特别是当 储罐下部积水中存在a 一、酽一时，其电化学腐蚀程度是相当严重的，在短时间内就会使 罐底板发生腐蚀穿孔。 5 、涂层涂装厚度偏薄导致涂料失效 实践证明，绝缘涂层的防腐寿命与其涂层厚度成正比，考虑到导电涂层引起的电偶 腐蚀，导电涂层的防腐寿命对涂层厚度的依赖性更强。目前我国许多油罐采用碳系导静 电涂料涂装，设计厚度为2 0 0 9 i n ，而国外导静电涂层的设计厚度基本上在3 0 0 9 i n 以上， 许多涂层在5 0 0 9 m ，甚至达到l m m 。可见，涂层厚度偏薄，屏蔽效果不好，是国内油 罐内壁导静电防腐涂料防腐效果不佳的重要因素。从油罐的实际涂装看，许多油罐还达 不到2 0 0 9 m 的涂装厚度，并且厚度偏差现象较严重，局部厚度有的部位仅达到1 2 0 1 上m ， 可见涂装厚度偏薄是导电涂料失效的主要原因。 由此看来，即便是由涂层防护的油罐，腐蚀现象仍很严峻，油罐的安全问题急需要 解决，这就迫切需要对在役含腐蚀缺陷的油罐强度进行评价，对油罐的剩余使用寿命进 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 行预测，及时地提供可靠的数据，避免在生产中出现隐患以及重大事故。 1 2 3 在役含缺陷油罐的适用性评价 适用性评价是对含有缺陷的结构或装备能否继续使用以及如何使用而进行的定量 工程评价。包括定量检测结构中的缺陷，依据严格的理论分析判定缺陷对安全可靠性的 影响，对缺陷的形成、扩展及构件的失效过程、后果等做出判断【1 2 1 。通过适用性评价， 不仅可以大大减小事故发生率，而且可以避免不必要和无计划的维修和更换，从而获得 巨大的经济效益和社会效益。 适用性评价的意义见图1 4 。 含缺陷压力容器适用性评价包括剩余强度评价和剩余寿命预测两方面。 1 2 3 1 含缺陷压力容器( 油罐) 的剩余强度评价 剩余强度评价是在压力容器缺陷检测的基础上，通过严格的理论分析、试验测试和 ： 力学计算，确定压力容器的最大允许工作压力( m a o p ) 和当前工作压力下的临界缺陷 尺寸，为压力容器的维修和更换，以及升、降压操作提供依据。 剩余强度评价的缺陷类型包括五大类【1 3 1 ： ( 1 ) 平面型缺陷，即裂纹型缺陷，包括焊缝未熔合缺陷、未焊透缺陷、焊接裂纹、 疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹以及氢致宏观裂纹等； ( 2 ) 体积型缺陷，如局部沟槽状腐蚀缺陷、片状腐蚀缺陷、局部打磨缺陷等； ( 3 ) 弥散损伤缺陷，包括点腐蚀缺陷、表面氢鼓泡和氢致微裂纹等； ( 4 ) 几何缺陷，包括焊缝错边、焊缝噘嘴、壁厚不均匀等缺陷； ( 5 ) 机械损伤缺陷，包括建造时的意外损伤以及人为破坏等原因造成的损伤，缺陷 类型包括凹坑、沟槽以及凹坑+ 沟槽。 7 第l 章绪论 图l - 4 适用性评价的意义 f i g l - 4 t h em e a n i n go f t h ea p p l i c a b i l i t ye v a l u a t i o n 对于平面型( 裂纹型) 缺陷评定，大多数适用性评价标准采用了失效评定图( f a i l u r e a s s e s s m e n td i a g r a m ，f a d ) 技术。失效评定图是以英国中央电力局( c e g b ) 的“双判 据 评定法( 即r 6 评定法) 为基础，结合美国通用电气公司( g e ) 得到的形变塑性理论 解发展起来的【1 4 】，它提供了一种方便的评价结构由脆断至塑性失稳( 崩溃) 整个范围的失 效风险评估方法。失效评定图的j ，轴( 群轴) 代表结构对脆性断裂的阻力，而z 轴( 厶 轴) 代表结构对塑性失稳的阻力。失效评价曲线( 尉c ) 插在这两极限失效模式之间。 典型失效评定如图1 5 所示，由失效评价曲线和等于k 的竖线构成。在计算评价点 的坐标时，对所考虑的实际几何条件，需要恰当的应力强度因子和极限载荷( 塑性失稳) 解，而且需要知道材料的拉伸性能和断裂韧性。评价点的j ，坐标由施加的裂纹驱动力( 用 应力强度因子计算) 丘除以材料的断裂韧性蝎c 得到，即丘= 丘局。x 坐标由施加的载荷 尸除以造成塑性失稳的载荷层( 用裂纹几何的弹塑性解计算) 来确定，即厶= 黝弓。当采 用失效评定图对结构进行适用性评价时，可将评价点描于f a d 图上。每一评价点的位 置是施加载荷条件、缺陷尺寸、材料性能的函数。如果评价点位于由失效评定图的坐标 轴和失效评价曲线所构成的区域，认为结构安全。反之，如果评价点落在失效评价曲线 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 外侧，则结构可能不安全。采用描绘不同裂纹尺寸的一系列评价点也可用来确定极限缺 陷尺寸。由这些评价点构成的曲线与失效评价曲线交截点所对应的缺陷尺寸即为结构的 极限缺陷尺寸【1 5 】。 图l - 5 失效评定 f i g l 。5 f a i l u r ea s s e s s m e n t 对于失效评定图技术，目前世界多数国家采用了r 6 第三版的失效评定曲线( 或称 国际通用失效评定曲线) k ，= ( 1 0 1 4 l z , 1 0 3 + 0 7 e x p ( - 0 6 5 e ) j ，如a p ir p 5 7 9 水平2 、 b s7 9 1 0 水平2 和p d6 4 9 3 选择3 的通用失效评价曲线均采用了这一曲线。我国在“八 五 期间对我国压力容器用钢的母材、焊缝、各种试板、容器、焊接接头、各种穿透裂 纹和表面裂纹、高应变区裂纹、应变时效或温度影响下的严格的，积分失效评定曲线 8 0 0 多条与r 6 通用失效评定曲线进行了对比，说明在绝大多数情况下r 6 通用失效评定 曲线是保守的，虽然在个别情况下个别的严格失效评定曲线会比r 6 通用失效评定曲线 要低一点。由于8 0 0 多条曲线的下包络方程k ，= ( 1 0 2 11 l j 3 21 0 1 + o 9 e x p 0 1 7 2 l ? 4 ) 】 在厶1 的范围内与通用失效评定曲线的误差( 以载荷计) 均不大于1 0 ，因此我国的 s a p v - 9 5 也采用了r 6 通用失效评定图作为常规评定的技术依据1 1 6 】。2 0 0 0 年欧洲委员会 9 第1 章绪论 ( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 发表了s i n t a p ，即欧洲工业结构完整性评定方法，这是 一个未来欧洲统一标准的草稿。它共分为7 个分析级别，其中第o 级( d e f a u l tl e v e l ) 对于 无屈服平台的连续屈服材料 的失效评定 曲线 为：k ，= ( 1 + o 5 l ；) - 2 【o 3 + 0 7 e x p ( - o 6 l 6 r ) ，2 0 0 1 年颁布的r 6 第四版选择1 的失效评 定曲线也由这条曲线代替了原通用失效评定曲线。 近些年来，我国科研人员针对失效评定图技术进行了大量的研究，取得了可喜的成 果。王威强等【1 7 】对缺口结构f a d 进行了研究，较全面地研究了缺口根部曲率半径、缺 口长度、缺口端部椭圆率以及试样类型、材料等对失效评定图的影响。提出了钝裂纹或 缺口应力强度因子修正方法，通过这一修正方法建立的失效评定图可有效地消除缺口因 素对失效评定图的影响。金志江【l8 】推导了压力容器高应变区准三维模型的分段弹塑性， 积分工程估算公式，由此建立了高应变区失效评定曲线，并与二维模型及r 6 选择1 曲 线做了比较。轩福贞【1 9 1 等针对高温含缺陷结构的稳态蠕变情况，建立了一个与时间相关 的失效评定图。帅健1 2 0 l 等提出了可靠性指标的计算方法，研究了可靠性指标的影响因素 及变化规律，提出了失效评定图中的等可靠性指标线的概念。王晓春等【2 1 ，2 2 】在i i i 复合 型裂纹韧性断裂研究的基础上，对建立倾斜裂纹的失效评定图作了初步尝试。 对于体积型缺陷，目前一般可采用3 种方法进行评价【l 别： ( 1 ) 将体积型缺陷当作裂纹型缺陷来处理，采用断裂力学方法进行评价； ( 2 ) 采用断裂力学和工程实践经验相结合的半经验公式； ( 3 ) 采用以弹塑性力学为基础的数值分析方法( 极限承载能力分析) 。 第( 3 ) 种评价方法在国内外尤为重视。国外的b g 公司和m p c 在体积型缺陷适用性 评价方面做了大量开创性工作。“八五 期间，我国起草了含凹坑缺陷压力容器安全 评定方法研究报告，通过大量的极限与安全性数值分析和实验测试，研究球形、椭球 形、长条形等各种凹坑缺陷对平板、球形容器和圆筒形容器等典型结构的应力分布、塑 性区扩展过程、失效模式及极限与安全性载荷的影响，给出了一系列极限与安全性载荷 计算图表与拟合公式，并提出了在役压力容器的免于评定条件和工程评定方法。此外， 刘应华【2 3 】等结合极限分析中的数学规划理论和有限元技术，提出了三维含缺陷结构极限 分析的数学规划方法，并采用罚函数法引入塑性不可压条件。张红才【2 4 】等针对不同尺寸 的含凹坑半球形封头与圆柱壳体连接结构压力容器，采用有限元极限分析方法研究了结 构不连续处不同位置凹坑的极限载荷，得到了边缘应力效应对极限载荷几乎没有影响的 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 结论，其研究成果可以为含体积型缺陷的此类结构压力容器的安全评定提供指导。朱健 斌【2 5 1 等为寻求气孔对球形压力容器极限载荷的影响，通过弹塑性有限元法和极限分析方 法，对含气孔缺陷的球形压力容器极限载荷进行了计算，得出含气孔缺陷球壳极限载荷 随气孔的长短轴比, 4 b ，相对深度2 丁的增大而减小的规律。同时分析了其塑性区扩 展过程和失效模式，得出两种塑性失效模式：含小气孔0 佃和2 c t 均小) 球壳失效模式 是整体破坏；含大气孔0 佃和2 c 7 1 均大) 球壳失效模式是局部泄漏。 另外，a p i5 7 9 t 2 6 】第4 章中给出了均匀腐蚀的评定方法，第5 章中给出了关于局部减薄 及槽形凹坑的评定技术及验收准则。但是总体而言，相对于平面型缺陷，体积型缺陷的 研究还不成熟，还有许多工作要做。 对于弥散损伤缺陷，a p i5 7 9 第6 章给出了点腐蚀损伤的评定方法，但评定过程，尤 其是缺陷的定量化过程太复杂，工程上难以操作和应用，第7 章给出了鼓泡及分层的评 定方法，但仅仅是比较粗略的指导性方法。针对弥散损伤缺陷，赵新伟等建立了一个评 价腐蚀环境下服役管线安全性的破坏模型【2 7 1 ，这一研究成果可以为含弥散损伤缺陷压力 容器的安全评定提供参考。针对点腐蚀缺陷，李晓刚设计了一套带点蚀设备的三级安全 评估软件，可以通过输入缺陷尺寸数据并选择点蚀类型直接进行安全评估，同时利用这 一系统可以计算带点蚀设备的剩余寿命。 对于几何缺陷，a p i5 7 9 第8 章给出了管体不圆、直焊缝噘嘴和错边的评价方法。对 于机械损伤缺陷的评定方法，尽管国际上从2 0 世纪8 0 年代末期以来已开展了不少研究， 但尚未形成系统的评价规范和标准。 刘小宁【2 8 堆 助数理统计方法分析认为，介质及环境对钢制压力容器与压力管道的最 大腐蚀深度符合i 型最大值分布，耐腐蚀寿命属于i 型极小值分布。初步建立了腐蚀剩 余寿命与腐蚀速率及变异系数、腐蚀裕量、可靠度之间的定量关系，得到了确定腐蚀剩 余寿命的计算公式。并且指出最大腐蚀深度和腐蚀速率等参数的变异系数往往大于0 2 ， 因此不宜用正态分布模型进行压力容器与管道耐腐蚀剩余寿命的计算与分析。c e g b r 6 t 2 9 】和b s7 9 1 0 对疲劳和蠕变寿命做了指导性的考虑，在其他已有的结构完整性评价标 准中，剩余寿命预测要么没有提到，要么只是粗略地提及。此外，为使大型储罐在实际 运行使用中得到安全保障，2 0 0 3 年中国石油管材研究所承担了中油集团技术开发项目 大型储罐安全评价方法研究及软件开发。此项目主要研究内容为： ( 1 ) 含缺陷储罐剩余强度的评价方法研究 第1 章绪论 包括： 含缺陷储罐极限载荷分析方法； 腐蚀缺陷评价方法研究； 裂纹或类裂纹缺陷评价方法研究； 几何缺陷评价方法研究。 ( 2 ) 含缺陷储罐剩余寿命预测的方法研究 包括： 腐蚀寿命预测模型及方法研究； 疲劳寿命预测模型及方法研究。 ( 3 ) 安全评价软件开发。目前，该项目进展比较顺利，在参考国内外管道和压力容 器安全评价技术的基础之上，已给出了系统的大型常压储罐安全评价方法和流程，安全 评价计算程序正在调试中。项目完成后，将给出界面友好、计算精度高的安全评价软件， 并尽快应用于生产实际。 1 2 3 2 发展方向及需着重开展的工作 1 、含缺陷压力容器的适用性评价技术是当代工业发展的客观要求。目前，我国石油石 化行业还没有形成自己的一套系统的适用性评价标准，这与我国石油石化工业的发展很 不协调，因此我国石油石化行业应加大该方面的工作力度。 2 、目前，适用性评价的适用范围还比较小，特别是对于机械损伤缺陷，目前尚没有系 统的评价规范和标准。随着研究的逐渐深入，今后应扩大适用性评价的适用范围，同时， 应注意评价过程在工程上的可操作性。 3 、对于剩余寿命预测，目前除疲劳寿命预测研究较成熟外，其余诸如腐蚀寿命和损伤 寿命的研究都远不成熟，预测难度很大，今后需要加大研