储罐底板边缘板防腐技术研究

1、储罐底板边缘板防腐技术研究1、生产需求文献调研和现场调研发现，国内经常出现储罐边缘板与水泥环梁基座结合部 位的防腐密封失效问题，主要表现为在环境和应力作用下的防腐层表而开裂和边 缘板与环梁结合处的防腐层断裂，弹性聚氨酯在公司所辖储罐应用发生的防腐密 封失效如图1和图2所示。图1防腐层表而开裂图2结合部位防腐层断裂一般认为是边缘板防腐密封层的弹性或抗变形能力不足是导致开裂的的主 要原因。目前，弹性聚氨酯等弹性涂料的断裂仲长率可以达到200%以上，但现 场仍出现防腐密封失效的情况表明，仅用断裂伸长率或其他指标单独评价难以满足现场需求。为此，设计一种储罐边缘板模拟试验装置來验证边缘板防腐层的抗 变形

2、能力。为了保证模拟装置的可靠性，关键是如何设计出可以代表大型储罐边缘板实 际情况的小型模拟装置。为此，进行了下列的分析和讨论，并给出了初步的模拟 装置设计方案。2、储罐边缘板变形与位移2.1边缘板翘起变形罐壁在静液压力下受到很大的应力从而产生沿半径向外的水平变位，罐壁底 部由于与边缘板焊在一起而无法向外扩张，导致边缘板发生变形。当角缝处的边 缘应力超过边缘板的屈服极限时，在储罐基座反力的抵抗下，边缘板发生塑性变 形，并在空罐吋向上翘曲。该变形量与罐基础软硕程度、边缘板厚度、液位高度、使用周期等因素有关, 冇关文献表明，该变形量一般在510mm左右。边缘板翘起示意图如图3所示。ra盛液b空罐图3

3、边缘板轴向位移示意图2.2边缘板径向位移径向位移指边缘板沿底板直径方向的水平位移。一般认为，主要是环境温度 变化使储罐边缘板发生膨胀和收缩而导致发生径向位移，该位移变化量可用以下 公式计算。= 5.5x10式屮ar,是径向位移变化量，at为温差变化量（对常温储罐应考虑冬季和夏 季时的温度弟，对加热罐应考虑所加的温度与冬季空罐时的温度茅），d为储罐 直径。对常温储罐而言，按40度温差和40米直径计算的话，根据式1的计算可知 径向位移量为&8mmo2.3现场测量数据有文献对仪征站现场2个5万方储罐的边缘板变形进行了数据统计习，所测 量的储罐直径为60米，边缘板宽为12cm。（1）进出油对边

4、缘板变形的影响进油（油温31度）5h后，边缘板在基座上向外扩展达到最大值13mm, 24h 后减小至4mm, 48h后低于2mm,进油时边缘板紧贴基座。出油时，边缘板向外扩展不大，但边缘板与基座开始分离，平均变化间距约 为 4mm。（2）季节与阳光照射对边缘板变形的影响满罐吋，夏季（平均气温25度）阳光照射区的边缘板扩展最大，达到8mm。 冬季（平均气温5度）约3mm。空罐时，夏季（平均气温25度）阳光照射区的边缘板扩展最大，达到12mm。 冬季（平均气温5度）约5mm。3、边缘板防腐结构方案设计3. 1防腐结构初步设计选择防腐密封材料（例如硅酮密封胶）的拉伸和剪切伸长率指标均2300%, 覆

5、盖至水泥台外延；边缘板与水泥基座搭接处所用粘弹性的密封胶泥例如（粘弹 体防腐膏）,水平宽度为10mm （图4中a所示）。图4边缘板变化前简易图（1:边缘板；2:粘弹体防腐膏；3:硅酮防腐密封胶）3. 2防腐结构抗变形初步分析假定如图5所示较为苛刻的变形条件，边缘板水平方向移动20mm,同时向 上翘起15mm。根据密封胶材料粘接力和断裂伸长率等性能测试可知密封胶与钢 基材、水泥基材粘结良好，边缘板斜向上挑起的位移由与覆盖于粘弹体之上的 10mm密封胶来承担（图4屮a）。计算可知，斜向上翘起位移量为1& 03mmo计算方法如2边缘板位移量-粘弹体水平宽度二水平方向胶位移量（20mm-10m

6、m二10mm） 垂直方向位移为15mm总位移为（102+152）平方结果,1803mm。因此，对于图4中a所示的loinm密封胶只需被拉伸200%就可满足此变形位 移量要求。现场施工发现，该宽度受手工操作影响而往往大于lonrni,因此，被 拉伸位移量会小于200%。图5边缘板变化后简易图（1:边缘板；2:粘弹体防腐膏；3:硅酮防腐密封胶）3. 3分析结论拉伸和剪切伸长率是在钢-水泥基材上内聚破坏的试验结杲，即胶体与基材 的粘结强度大于胶体本身的内聚强度，在胶体本身断裂后也不脱粘，如此保证了 气密性和水密性。根据之前分析，在边缘板应用时密封胶未达到最大伸长率，不 会被破坏的，即胶休所受力胶本身

7、的内聚強度胶体与基材的粘接強度，即密 封胶与基材不会脱粘。此外，防腐材料本身高温（180°c, 7天）、低温（-40°c, 40天），高温高湿 （85°c,相对湿度85%, 500小时）、酸雾（3l密闭空间充200mls02气体，20天）、 盐雾（5%nacl溶液喷淋，20天）和水紫外照射（1008小吋）等人工老化实验后 密封胶的伸t率在250%左右。表明密封胶在恶劣环境下也有较氏使用寿命。因此，初步分析表明该密封胶能够应用丁储罐边缘板的防腐密封。4、现场实验选取一个大型储罐开展现场施工实验并跟踪长期性能，储罐现场条件如图6 所示，部分施工的防腐密封结构如图7所示

8、。图6图75、实验室模拟实验现场实验过程中曲于储罐边缘板的变形较为缓慢，而长期跟踪耐候性导致周期过长，因此，很有必要设计小型模拟装置进行室内实验，同时，通过有限元分 析，了解储罐边缘板的受力和变形过程中的边界条件和约束条件，为模拟装置方 案提供参考和优化设计。5.1室内模拟装置初步设计边缘板模拟装置由两部分构成，一是边缘板模拟试件，二是位移施加装置。由于储罐边缘板翘起和沿径向向外两个方向的位移受到储罐直径、边缘板宽 度、温度等多方面因素的影响，因此，考虑几种假想的极限情况作为不同储罐的 实验依据。例如翘起和径向位移同时满足10mm或15mm作为评价防腐层抗变 形能力的实验参数。依据此种思想，初

9、步设计边缘板模拟试件分别如图8所示，边缘板下方的模 拟环梁上存在方便推力装置通过的孔洞，以实施推力产生的位移。位移施加装置主要有2种，一是实验室常用拉力机或者疲劳机，优点是力载 荷和位移可以精确控制和测量，缺点是实验环境受限，必须在拉力机所在实验室 进行，设备成木高、数量有限，在要长期占用设备进行实验时，难以同吋进行多 组实验。模拟试件的尺寸受到拉力机宽度和夹具的限制。另一种是采用千斤顶或丝杠以及基于丝杠的滑台、升降台等来施加位移，优 点是成木低，可以方便的进行多组实验，模拟试件的尺寸可以和真实储罐保持一 致。缺点是需要人工控制位移。5.2储罐边缘板变形模拟由于储罐的轴对称性和较大的直径，进行

10、ansys冇限元分析时可以冇3种简 化模型的方案:一是简化为四分z个储罐;二是简化为很小角度的一段扇形段;三是建立轴向2维模型并设置轴对称特性，来模拟真实的3维情况。前期采用四 分之一储罐进行了初步模拟，曲于计算时间过长并且和第三种2维模型结果一 致，因此，后续计算均采用2维轴对称模型。储罐2维模型中边缘板附近的详细模型与网格划分如图8所示。模拟时，一般将边界条件设置为同定刚性约束的水泥台和弹性地基的罐基础。-：tr：:in:：li：idi：i :：i:i-n;：!32110«j 00 i260 00?90 00图8储罐模型示意图(1)自重加静压载荷工况下的边缘板变形设置沿罐壁方向的

11、静压载荷和口重后，求解结果如图9所示，发现壁板内的边缘板确实出现向上拱起的趋势。由丁计算结果屮形变量较小，因此，ansys软件将变形效杲进行了夸张显示以便辨识，变形量由结杲数值确定。图9自重加静压载荷工况下边缘板变形计算结果（2） 口重加温度载荷工况卜的边缘板变形为了方便观察边缘板曲于温度载荷引起的径向伸缩，将温度设为100°c,计 算结果如图10所示，可以看出边缘板向外变形接近水泥基座外延的趋势，验证 了温度影响边缘板变形的规律。图10自重加温度载荷工况下的边缘板变形计算结果5.3防腐层抗变形模拟文献调研发现大部分储罐应力分析只是单纯的分析底板和壁板的受力情况， 并未对边缘板防腐层

12、抗变形进行过分析。曲于储罐具冇轴对称性，因此，一小部分边缘板的情况就可以表征一圈边缘 板的情况；而储罐直径较大，虽然建模通常为圆形，但一小块弧形边缘板依然可 以等效为矩形，并且实际上边缘板现场为方板焊接拼接，因此，小型模拟装置为 简化考虑采用方形。另外，考虑到向上和水平受力的实现，需耍将边缘板以壁板 为中心，对称扩展成为原來的2倍长度（如图8所示），两侧都进行防腐密封， 以实现受力变形。而在进行建模分析时，可省去壁板和底座，在防腐层底板施加 固定约束和边缘板在x和y方向上的位移来实现真实情况的模拟，如图11所示。ansys*15.0图11初步模拟可以发现该模型能够很好的重现边缘板两个方向的位移

13、，受力较大 的区域为密封胶靠近边缘板的上侧和下侧，上侧受压而下侧受拉，在下侧的应力an5ys«15：0较为集111,在室内实际头验时丿着重关注。fst/hitim innw-<i i:5三用范:b图12 80mm边缘板长度5.3.1边缘板长度对防腐层抗变形实验及装置的影响通过在模型屮加长边缘板的长度，以分析边缘板长度对实验装置的影响。模 拟结果显示边缘板长度增加至300mm时与80mm时的结杲相差不大，为减小实 验装置大小，方便进行抗变形实验的同时，放入到盐雾和其他实验箱内，可以采 用较小的边缘板长度来设计实验装置开展室内实验。图13 300mm边缘板长度5.3.2水泥台底座长

14、度对防腐层抗变形实验及装置的影响在模型屮加大密封胶底部长度即增大了水泥台底座的长度，从模拟结果可以 看出，当底座增大后，密封胶上的应力增大。这是由于当密封胶的长度增长后， 边缘板的位移受到更大的阻力，因此，需要更人的载荷才能使得边缘板实现相同 的位移，从而导致应力集屮处的应力增大。但是由于增大的幅度娇小，因此，实际模拟装置可以采用与现场一样的长度或者适当减小底座的长度。it/wltix ixdw-<1 99 图14加长底座的情况ansys ni5q . f .5.3.3防腐结构对防腐层抗变形实验及装置的影响ansys由于粘弹性材料较弱的粘接力和较好的弹性可以极大的缓冲应力集中情况, 因此，考虑先用粘弹性材料对边缘板和底座进行涂覆填充，再于其上覆盖一层粘 接性好和耐候性好的密封胶材料，观察应力变化情况。结杲显示，此时，密封胶 材料的应力集中情况人幅度减弱，极人的减小了防腐密封失效的风险。rvoa屮f itrmiit*1 1m1. s tt图15边缘板上填充粘