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储油罐剩余使用寿命的评估方法
摘要:通过对一批业已报废的储油罐进行清理、检验、统计, 分析其报废的主要原因。对如何科学、准确、经济、合理地确定储油罐的剩余使用寿命,建立一套规范的计算程序加以确定。
1 引言
油库使用的储油罐运行使多年后, 有的腐蚀会相当严重。在确定储油罐使用寿命的评估方法前, 首先我们必须清楚掌握储油罐腐蚀的具体情况及产生的原因, 储油罐钢板厚度变化和发展趋势, 储油罐板材长时间使用后的性能变化。特别要掌握当油储油罐经常受液位迅速变化和超载而导致的焊缝机械损伤及疲劳裂缝的趋势。其次要了解藏底板边缘与罐壁板连接处存在的应力集中点(焊伤、焊缝隐裂纹、腐蚀缺陷等机械损伤) ; 储油罐长期带动、静荷运行, 金属板材的力学特性会有所改变, 特别是高温储油罐在低温中使用其使用寿命会降低, 极易发生破裂。
2 储油罐腐蚀情况及产生原因
根据15 万m 3 各类报废储油罐的统计资料发现, 正常工况下, 腐蚀是储油罐受损、缩短使用寿命的主要原因, 储气罐罐顶是锈蚀最严重的部位; 其次是罐底板及外部边缘。罐壁下半部位较少出现大面积的腐蚀坑。2.1 储油罐顶和壁腐蚀及原因在报废的储油罐顶上可看到腐蚀极其严重,锈蚀坑连片密集, 而且有一定深度直至穿孔。孔径大的超过115厘米, 平均蚀孔在4c m , 铁锈大块剥离, 顶面凸凹不平, 变形严重, 已完全失去使用价用价值。造成罐顶发生严重腐蚀的主要原因是大多数拱顶罐已经使用多年。因南方天气高温、多雨、潮湿,靠近城市和海边大气酸雨和含盐高等外部条件的共同作用, 再加上防腐措施不利, 使罐顶受腐蚀变得凹凸不平。凹处积水加速了电化学腐蚀, 使腐蚀坑扩大、加深。罐顶焊缝处的腐蚀明显高于母材。原因是在焊后防腐时, 除锈、除渣不好, 造成局部腐蚀严重。罐外壁腐蚀主要是化学腐蚀和电化学腐蚀。内壁的腐蚀主要是电化学腐蚀。罐壁上半部腐蚀较严重。腐蚀最严重的部位是气、液界面线下, 大约罐壁高五分之四处。同时, 由于液体中含氧量随液面深度的增加而减少。形成氧浓差电池, 上部为阴极, 下部为阳极, 造成罐内腐蚀沿液面高度变化的显著特点。
2.2 罐底和外缘板的腐蚀及原因
储油罐底板内外面的腐蚀都比较严重。锈蚀坑分布广, 深浅不均。外缘板内壁比上壁腐蚀严重, 锈蚀坑深且多, 大多数都穿孔, 使外缘板上翘。检查中发现,底板外表面中心部分基本上无明显腐蚀现象且垫层较干燥。越向边缘, 腐蚀越严重。这与外部水分渗入有很大的关系, 而储油罐内表面的腐蚀主要是由于罐底部有层或因油品含水而造成的。油品含硫沉积物、盐分和其它氧化物与金属表面直接接触造成严重的电化学腐蚀。腐蚀是以大块的铁锈剥离或大蚀坑为主、伴有穿孔。通过对已报废储油罐拆除清场发现, 总的来说, 罐壁上无严重腐蚀。材质试样经过拉伸试验和晶相分析可以看出, 材质主要参数基本上是好的, 没有太大的变化。只是底板和顶板材质因腐蚀严重, 材质的屈服强度明显下降。可以这么说, 南方的气候条件是造成储油罐钢板电化学腐蚀的主要原因,储油罐内含水沉积物是引起储油罐底板内表面腐蚀穿孔的主要原因; 储油罐垫层的毛细现象、土壤中的矿物、水蒸气、空气中的盐分和酸雨是造成储油罐整体外表面腐蚀的主要原因。至于储油罐的低温脆性破裂造成的储油罐破损,经模拟试验, 发现主要是储油罐本身制造的缺陷和结构上过高的应力集中处疲劳裂纹加上腐蚀而发展造成的。另外, 储油罐内外表面金属机械损伤的周期性积累,也会导致罐体抗荷强度能力的降低而发生腐蚀破裂。全腐蚀和点腐蚀则会显著降低储油罐整体对静荷断裂和动荷断裂的承受能力。
综上所述, 评估储油罐使用寿命时, 必须结合储油罐金属力学性质、各种外部条件的影响和储油罐内液位静压力不断变化的因素, 充分研究储油罐整体由于静荷和动荷可能造成的损害。同时,储油罐金属特性、腐蚀缺陷、机械性的损伤、负载等数值参数是服从概率规则的随机变量。所以,可以肯定地说, 储油罐使用寿命的数值也将是动态的、随机的。采用这样的方法应当是按概率规则求出这些数值, 而由此推测处于长期运行状态的储油罐各部位结构的可靠性和稳定性。
3 如何建立正确评估储油罐寿命的方法按目前掌握储油罐报废的原则: 一是尽可能
延长使用年限, 发挥最佳的经济效益; 二是只要不发生破损、跑漏事故就可以使用。时间到底多长要视具体罐的实际情况而确定。按现有关部门规定, 储油罐报废的主要条件是:1) 罐体三分之一以上的钢板上出现严重的超过规定的点腐蚀; 2) 由于事故或自然灾害受到严重损害无修复价值时;3) 大修费用为原设备价值的50 % 以上;4) 无力矩罐顶开裂无法恢复其原几何状态或中心柱严重倾斜者;5) 钢板锈蚀净金属余厚: 4m m 钢板的最小允许值为2.s m m ; 厚度大于4 m m 时, 允许最小值为原厚度减去Zm m 得出值。局部蚀坑, 4 m m钢板允许深度为Zm m ; 大于4 m m 的钢板允许深度为3 m m 以下。很显然, 判断储油罐报废的规定还有些缺陷。因此, 有必要建立一种采用所有有关强度和裂
纹不稳定的准则、机械损伤机制、腐蚀机制、疲劳裂纹的增长数学模型等, 编制成计算机程序,使之成为储油罐剩余使用寿命的评估方法。在该程序编制过程中, 要求选择好储油罐各种状况下的运行参数、板材、加强附件、金属性质、腐蚀程度机械损伤缺陷等数据, 并把这些数据分成两大类( 即必需数据、暂时数据)。除了机械损伤、静态裂纹稳定性和动态裂纹稳定性外, 其它的数据都为必需数据。在操作此程序过程中, 可以把中间数据、腐蚀程度的发展趋势、裂纹在动态中的变化、损伤的积累等输入, 同时, 也可把特殊工况条件输入。在应用该程序对因腐蚀穿孔报废的现储油罐进行反推算来确定储油罐的使用寿命时, 通过分析比较, 该模拟程序的结果与实际误差可以控制在8% 之内。当然,要使该程序更具有普遍意义, 可以计算打印出各特殊工况条件下的计算结果,比较准确地确定不同工况条件下的储油罐剩余使用寿命, 还必须解决以下实际技术问题。
1) 根据储油罐的使用情况、腐蚀程度和受损程度等资料来进行分析, 应对储油罐各种缺陷及各项应检查的资料进行统计, 建立一个数据库,并且改进和研制储油罐用的采集各有关数据的仪器仪表。2) 在对储油罐各部位强度和使用寿命进行评估时, 除考虑储油罐壁应力和罐顶因腐蚀而失稳的因素外, 还应考虑到使用寿命、外力和温度变化对变形亦有很大的影响( 特别是高温储油罐)。所以有必要研制出能够测试储油罐真实应力状态的仪器。3) 目前对已超年限使用储油罐金属机械性能的测试, 都是采用破坏方式而得到的。为更准确有效地评估储油罐的使用寿命, 应研究并采用非破坏性方法来测定。例如红外检测技术、激光全息检测技术、非金属材料检测等无损检测新技术。4) 为评估储油罐剩余使用寿命, 须知储油罐各部位腐蚀程度、液位变化引起的液体压力变化。这类数据可以通过观察和计量油品的方法来获得。当然, 这类数据须经过统计加工后,才能用于储油罐使用寿命的评估。以因腐蚀为主要原因的储油罐剩余使用寿命的计算机评估方法目前尚不完善。随着技术难点的攻克, 该程序在储气罐使用过程中将不断修正, 进一步完善。