摘 要：针对立式储罐罐底设计问题,对比了不同标准(GB 50341—2014、API 650—2020、JIS B 8051—2013和BS EN 14015—2004)之间对环形边缘板的设置、厚度以及宽度的确定依据。根据结果得出:不同标准之间针对环形边缘板的设置、厚度以及宽度的确定均有所差异,其中GB 50341以及API 650对环形边缘板厚度的规定较为详尽,不同标准对边缘板宽度的计算基本一致。文章通过对比分析,还可得出如下结论:合理的焊缝位置、数量、长度以及装配工艺可大大降低焊接变形,有利于保证储罐的安全运行;合理调整边缘板厚度可以优化底圈罐壁及边缘板的变形协调,并提高储罐的抵抗震动的能力,但边缘板太厚会增加底圈罐壁板与边缘板间连接区域及附近区域的应力水平。因此需考虑变形量、储罐抗震以及应力水平等因素最终确定边缘板厚度。

　　随着全球经济的加快速度进行发展,石油的储备慢慢的受到人们的关注。立式储罐作为储存石油的重要设备,以其储量大、管理便捷等优点快速成为发展的重点【1-2】。储罐运行过程中罐底边缘板近罐壁的区域会产生较高的应力,该区域的应力随着环境、液位等因素而一直在变化,这也是储罐最易出现问题的部位【3】。此外,盛装腐蚀性介质的储罐会在罐底形成点蚀和面蚀,严重的还会发生穿孔,导致储罐泄漏【4】。罐底作为与罐壁直接焊接的部件,其设计的正确性会直接影响到储罐的安全【5】。

　　储罐底板的受力分析以及基础的沉降是保证储罐安全运作的主要的因素之一,也是决定储罐能否安全运作的重要基础【6】。唐锦齐【7】认为,由于罐底受力复杂,易发生变形,因此罐底板的设计质量是影响储罐质量的主要的因素。蒋鹏程等【8】通过有限元对大型储罐罐底应力做多元化的分析,根据结果得出:储罐底板的环向应力和径向应力均发生在大角焊缝的位置,且径向弯曲应力大于环向应力;在回填砂范围内,储罐底板存在反向“翘离”现象。此外,储罐底板焊接后易出现角变形和波浪变形【9】,可通过合理组装方式和焊接方法得到控制,以保证储罐整体质量【10-13】。梁稷等【14】认为,中幅板的焊缝数量多、焊缝长度长是导致控制焊接变形困难的重要原因,可通过优化中幅板的排列方式控制罐底板焊接变形。

　　随着时间的推移,储罐罐底会因介质或环境的影响产生腐蚀。罐底的腐蚀会极度影响储罐的安全运行,因此研究掌握储罐罐底腐蚀的机理和腐蚀检测的新方法亦是保证储罐本质安全的重要课题。研究学者【15-18】发现,利用声发射检测信号与罐底腐蚀情况的关系可有效地对罐底的完整性进行评价。戴光等【19-20】通过一系列分析有关数据并基于振幅分布理论建立了罐底腐蚀速率的计算方式。该方法可准确地对罐底板腐蚀状态作出评价,指导罐底板的维修决策,为储罐的安全运行提供有利保障。毕海胜等【21】也通过对分析声发射信号的幅度分布和开罐检测后腐蚀减薄量分布规律进行探究,得出声发射活度可定量描述底板的腐蚀速率、进而通过腐蚀速率可推算出罐底板的剩余有效期的结论。章赟【22】对比了国内常用的3种立式储罐设计标准的异同,并对不同工程中的标准选取给出了建议。

　　综上可知,大多数研究学者针对储罐罐底应力、排版方式和腐蚀检测等方面做了研究,但鲜有对设计参数的选取以及施工工艺进行探究的记录。本文将通过对比不同标准相关规定的异同,对罐底设计参数的选择以及怎么来控制罐底焊接变形进行研究。

　　工程上常用的储罐罐底形式最重要的包含正圆锥形罐底、倒圆锥形罐底、倒偏锥形罐底、单面倾斜形罐底和阶梯式漏斗形罐底等,其不同的结构及形式和特点见表1。

　　GB 50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》(以下简称GB 50341)中有关储罐罐底板厚度的选取依据如表2所示。

　　常见的储罐罐底形式分为有环形边缘板和无环形边缘板两种,如图1(a)～图1(b)所示。该标准中规定:边缘板对接焊缝至底圈罐壁纵焊缝的距离不应小于300 mm; 边缘板材质应与底圈壁板材质相同。

　　由表3可知:GB 50341和BS EN 1405—2004(以下简称BS EN 1405)对环形边缘板的设置规则比较相似; API 650—2020(以下简称API 650)由储罐底圈壁板材质和应力大小决定是不是设置环形边缘板;而JIS B 8501—2013(以下简称JIS B 8501)则由3个并列条件决定是不是设置环形边缘板。因此,在进行不一样的地区或国家的储罐设计时,应依据不同的标准,以满足该地区或国家的设计要求。

　　由图2(a)～图2(c)可知,无论是GB 50341 还是API 650、JIS B 8501、BS EN 14015,其环形边缘板厚度的选取均以储罐底圈壁板厚度为依据。不一样的是,API 650中分别以底圈壁板应力水平190 MPa、210 MPa、220 MPa和250 MPa为限,将环形边缘板的最小厚度分为4档,再根据底圈壁板厚度确定边缘板的厚度,而GB 50341则以底圈壁板屈服强度390 MPa为界,并依据底圈壁板厚度确定边缘板厚度。其他标准则根据底圈壁板厚度的区间进行边缘板厚度的选取。

　　为减小焊接工作量和罐底板变形、改善受力状况,罐底板不应太窄,其中幅板的宽度至少应为1 000 mm;根据储罐罐底应力的实测值可知,距离罐壁300～500 mm处为罐底的高应力区。因此,GB 50341和API 650规定:罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的连接焊缝的最小径向距离应不小于按式(1)计算的结果,且不小于600 mm;底圈罐壁外表面沿径向至边缘板外缘的距离应不小于50 mm;无锚固的储罐边缘板最小径向宽度还应满足抗震设计要求。

　　JIS B 8501规定,罐壁内侧边缘板宽度不应小于按式(2)计算的结果,且不小于600 mm。

　　BS EN 14015规定,罐壁内侧环形边缘板宽度不应小于按式(3)计算的结果,且不应小于500 mm。同时还规定,罐壁外侧边缘板径向宽度不小于50 mm且不大于100 mm。

　　通过对GB 50341、API 650、JIS B 8501以及BS EN 14015等标准中对环形边缘板最小计算宽度的规定作对比可知,其要求基本一致,但有微小的差异,其中,GB 50341和API 650考虑了储液的相对密度对边缘板宽度的影响,更为详细。此外,需做抗震设防计算的油罐和采用环梁基础的油罐,环形边缘板的径向尺寸宜加大。

　　罐底板会因腐蚀而对储罐运行产生不利影响,因此储罐施工完成后需对罐底进行防水处理。常用防水措施共7种,分别为橡胶沥青密封条、边缘板周围焊接圆钢、边缘板周围焊接角钢和边缘板周围焊接扁钢等。不同防水形式及特点见表4。

　　对罐底板采取防水措施可有效提升储罐常规使用的寿命以及储罐运行的可靠性。目前,耐蚀防水弹性胶泥是储罐罐底防水常用的一种方法。

　　综上可知,不同标准对环形边缘板的设置要求略有不同。就国内标准而言,其具体实际的要求为:在内径12.5 m时应设置环形边缘板;边缘板材质、厚度应结合底圈罐壁材质、厚度以及设计温度确定;考虑到储罐防水及稳定性,目前国内一般会用正圆锥形罐底形式。

　　储罐焊接时应根据底板的材质、厚度、焊接工作量等因素综合选取焊条。一般而言,焊材应与母材等强度。不同焊条工艺性能对比如表5所示。

　　由表5可知,酸性焊条的整体工艺性能优于碱性焊条。由于储罐的罐底在施焊过程中不可以进行翻转,故应选择适用于全位置焊接的焊条。当施工现场没有直流电机时,应选用直流和交流两用的焊条进行施焊。当施工现场条件较差时,应对所选用的焊条性能做评估,在碱性和酸性焊条均满足焊接工艺要求的情况下,尽量选用酸性焊条。

　　焊接工艺以及焊接顺序的选择对储罐罐底收缩变形的影响也不完全一样,因此在施焊时应采取了合理的焊接工艺及方法。通常,焊接顺序为:罐底中幅板的焊缝—罐底边缘板对接焊缝靠边缘的300 mm部位—罐底与壁板连接的角焊缝(在壁板底圈的纵焊缝焊接完成后施焊)—边缘板剩余对接焊缝—中幅板与边缘板之间的收缩缝。

　　在焊接作业过程中,不可避免地会产生焊接变形。焊接变形主要存在瞬态热变形和常温下的残余变形两种形式。变形的危害主要有以下5个方面:

　　设计方面,在储罐的设计之初,应对罐底的焊缝分布进行预排,使焊缝位置更加合理。例如,使罐底焊缝尽可能分散且对称;其次,优化焊缝的长度及数量,在保证满足标准的前提下,尽量减小焊缝长度和数量,同时采用对称或U形等小焊缝截面的坡口。

　　施工方面,在施工前应编制合理的焊接作业指导书以及焊接工艺评定报告,并进行技术交底。合理的装配和焊接工艺是减少变形的有效措施。主要措施如下:

　　1) 预留收缩量。在罐底排版时,将罐底直径增大0.1%～0.15%,以抵消焊接造成的底板收缩量。

　　2) 反变形措施。施焊前,在焊接反方向变形的方向预先增加变形量或通过楔块补偿收缩。

　　目前施工常用底板控制焊接变形原则为:底板与边缘板对接接头采用不等间隙焊接,间隙要外小内大。主要措施有:

　　1) 边缘板采用隔缝焊接,并且先对边缘板外侧300 mm范围内的焊缝进行组焊,而边缘板内侧需等大角焊缝焊接完成后再施焊。

　　2) 中幅板的焊接应先焊接短焊缝、后焊接长焊缝,焊前要将长焊缝的定位焊点全部铲开,并采用定位板将其固定。其焊接原则为中心向四周、隔缝对称焊接(分段退焊或跳焊)。

　　3) 罐底与罐壁连接的角焊缝应先焊内侧环向角焊缝,再焊外侧环向角焊缝。初层焊道亦采用分段退焊或跳焊的焊接方法,且采用多对焊工均匀、对称布置,同时施焊的方式,向同一方向进行分段焊接。

　　4) 采用合适的方法和焊接能量减小罐底变形,如减小焊接能量、尽可能采用气体保护焊等。

　　施工工艺直接影响罐底板的实施工程质量,其对罐底板影响如图3(a)～图3(b)所示。

　　由图3(a)～图3(b)可知,若采取合理的施工工艺,罐底板的变形量就很小,而若采取不合理的施工工艺,则会造成储罐底板变形量显著增加,导致翘离的情况出现。根据现场调研分析可知,造成罐底板翘离的根本原因为施焊顺序不正确或焊接能量过大,致使罐底板产生应力集中现象,导致变形量较大。罐底板的翘离不仅影响美观、降低储罐焊接质量,还会增加雨水、湿空气与罐底板的接触面积,加速罐底板的腐蚀,给储罐的运行带来潜在的安全隐患。

　　储罐罐底定位焊缝处易产生焊接缺陷。为了尽最大可能避免定位焊缝的缺陷,需要及时清除焊缝表面焊渣,并进行质量检查。此外,在焊接过程中还应实时监控焊接能量,以减小因焊接能量过大造成的变形,影响焊接的质量。

　　底板焊接完成后应首先进行外观检查,要求不得存在熔渣以及飞溅物,不应存在裂纹、未焊透、未熔合、表面气孔、外露夹渣、未满焊等缺陷。焊缝表面及热影响区不得存在焊接缺陷,如气孔夹渣、弧坑和未焊满等。其对接焊缝的要求如下:咬边深度≤0.5 mm,连续长度≤100 mm,两侧咬边总长度不应大于该焊缝总长度的10%。对于厚度≥10 mm的罐底边缘板,需要对每条对接焊缝外端的300 mm范围内进行射线检测,其质量等级应满足有关标准、规范的要求。由于罐底板存在3层钢板重叠部分,因此在重叠部分的焊缝以及罐底板的T字形焊缝焊接完成后,需要对其3个方向各200 mm范围内的焊缝进行渗透检验测试;全部焊接完成后,还应进行磁粉或渗透检测。罐底焊缝应采用真空箱法进行严密性试验,试验负压值不能低于53 kPa,无渗漏为合格。

　　本文对比了不同标准对罐底环形边缘板设置要求的差异,同时探究了施工工艺对罐底板影响,得到如下结论:

　　1) 不同标准对储罐罐底环形边缘板的设置、计算宽度和最小厚度的要求有所差异,国内标准通常认为储罐直径≥12.5 m时宜设置环形边缘板;边缘板厚度、宽度以及材质应结合底圈壁板的厚度、材质和设计温度等因素确定。

　　2) 合理布置焊缝的位置、数量、长度以及合理地选择装配工艺可有效减小罐底变形;此外,可适当增加边缘板厚度,以优化底圈罐壁与边缘板连接区域的变形协调,降低该区域的应力;但边缘板太厚会增加底圈罐壁板与边缘板间连接区域及附近区域的应力水平。因此需考虑变形量、储罐抗震以及应力水平等因素最终确定边缘板厚度。

　　3) 储罐焊接前应编制焊接PROC,同时做好焊中、焊后检测,保证储罐的本质安全。

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