大型浮頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與施工

1、設(shè)計(jì)石油規(guī)劃設(shè)計(jì)2002年7月25*朱 丹,女,1968年生,工程師。1990年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院化工機(jī)械專(zhuān)業(yè),1999年獲石油大學(xué)(北京石油天然氣機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位,現(xiàn)在中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院從事石油氣儲(chǔ)罐及相關(guān)工程的設(shè)計(jì)規(guī)劃工作。通信地址:北京海淀區(qū)志新西路3號(hào)938信箱,100083為了適應(yīng)石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的需要,我國(guó)石油石化行業(yè)正在著手規(guī)劃和建設(shè)大型油庫(kù)。由于施工大型儲(chǔ)罐具有較好的經(jīng)濟(jì)性,因此,儲(chǔ)罐向大型化發(fā)展是必然趨勢(shì)。到目前為止,日本已建成了5×104m 3拱頂儲(chǔ)罐和16×104m 3浮頂儲(chǔ)罐;美國(guó)已建成12.7×104m 3拱頂儲(chǔ)罐;英國(guó)已

2、建成16×104m 3拱頂儲(chǔ)罐;沙特阿拉伯已建成目前世界上最大容積的20×104m 3浮頂儲(chǔ)罐。我國(guó)在掌握了10×104m 3浮頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)施工技術(shù)的基礎(chǔ)上,正在積極開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)15×104m 3浮頂儲(chǔ)罐。雖然儲(chǔ)罐大型化發(fā)展前景很好,但是還應(yīng)充分重視分析和研究一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,借鑒已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。為此,本文對(duì)大型浮頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)施工中的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行分析與探討。儲(chǔ)罐本體部分1罐體設(shè)計(jì)分析(1罐壁應(yīng)力分析對(duì)于儲(chǔ)罐罐壁受力分析表明,環(huán)向應(yīng)力是主要的,軸向彎曲應(yīng)力相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較小的。罐壁的環(huán)向應(yīng)力在罐壁下部與罐底的連接處其值最小,從連接處向上逐漸增大,最大應(yīng)力的位置

3、與罐的直徑和壁厚有關(guān),大約在RT 2處(其中:R儲(chǔ)罐半徑;T儲(chǔ)罐壁厚。為了確定罐壁最大應(yīng)力所處的位置,國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐方面的專(zhuān)家進(jìn)行了大量的測(cè)試和分析研究工作。比如國(guó)內(nèi)在施工秦皇島10×104m 3浮頂儲(chǔ)罐時(shí),有關(guān)科研單位對(duì)罐壁進(jìn)行了環(huán)向應(yīng)力實(shí)測(cè),發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力在第2圈罐壁上,與公式計(jì)算得出的最大應(yīng)力位置基本相符。利用有限元應(yīng)力分析法,也證明罐壁的環(huán)向應(yīng)力在罐壁與罐底連接處最小,從底部向上逐漸增大。根據(jù)儲(chǔ)罐的直徑不同最大應(yīng)力可能分布在第1圈上部或第2圈下部,而罐壁的軸向彎曲應(yīng)力在罐壁底部最大。這些研究成果對(duì)罐壁厚度的分析與設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。(2罐壁厚度計(jì)算大型浮頂儲(chǔ)罐罐壁所使用的鋼板占儲(chǔ)

4、罐鋼材總用量的一半。因此,在保證安全可靠的前提下,經(jīng)濟(jì)合理地確定罐壁厚度是十分重要的。目前世界主要工業(yè)國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,如美國(guó)API650鋼制焊接儲(chǔ)罐;日本JISB8501鋼制焊接油罐結(jié)構(gòu);英國(guó)BS2654石油工業(yè)用立式鋼制焊接油罐等,對(duì)確定罐壁厚度的計(jì)算方法基本是一致的,即以0.3m 的修正高度,修正以薄膜應(yīng)力為基礎(chǔ)的計(jì)算公式,稱(chēng)為定設(shè)計(jì)點(diǎn)法。定點(diǎn)法適應(yīng)于較小的油罐設(shè)計(jì),使其各圈罐壁的應(yīng)力分布比較均勻。但對(duì)于較大的油罐如果采用定點(diǎn)法設(shè)計(jì),往往造成罐壁厚度與環(huán)向應(yīng)力不協(xié)調(diào),鋼材用量分配不合理。而采用變?cè)O(shè)計(jì)點(diǎn)法可以使罐壁環(huán)向應(yīng)力趨于均勻。API650規(guī)定直徑大于60m 的儲(chǔ)罐應(yīng)采用變?cè)O(shè)計(jì)點(diǎn)法確定罐壁

5、厚度。為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,建議設(shè)計(jì)者在確定大型儲(chǔ)罐壁厚時(shí),除了采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的常規(guī)方法計(jì)算外,還應(yīng)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析,根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果,結(jié)合實(shí)際腐蝕情況,對(duì)罐壁底部?jī)扇︿摪宓暮穸冗M(jìn)行調(diào)整。大型浮頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與施工朱丹*張洪林黎沖武銅柱中國(guó)石油天然氣股份公司規(guī)劃總院中國(guó)石油化工集團(tuán)公司北京設(shè)計(jì)院張洪林等.大型浮頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與施工.石油規(guī)劃設(shè)計(jì),2002,13(4:2527摘要根據(jù)設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn),提出大型浮頂儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。對(duì)大型浮頂儲(chǔ)罐的罐體應(yīng)力狀態(tài)、罐壁厚度確定、罐底設(shè)計(jì)、大型浮頂儲(chǔ)罐的選材、浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)、浮頂排水系統(tǒng)的選擇、浮頂密封裝置的選用、焊接施工的基本要求以及大

6、型儲(chǔ)罐對(duì)基礎(chǔ)的特殊要求等方面的設(shè)計(jì)施工技術(shù)進(jìn)行了分析論述,并提出了一些基本技術(shù)觀(guān)點(diǎn)。主題詞大型儲(chǔ)罐浮頂罐設(shè)計(jì)施工技術(shù)26石油規(guī)劃設(shè)計(jì)第13卷第4期設(shè)計(jì)(3鋼板寬度選擇由于5×104m3以上的浮頂儲(chǔ)罐直徑大、罐壁高,因此焊縫長(zhǎng),對(duì)大型浮頂儲(chǔ)罐是一個(gè)不利因素。罐壁使用寬度大的鋼板雖然鋼材重量上略有增加,但是可以減少焊縫的數(shù)量和長(zhǎng)度,減少現(xiàn)場(chǎng)焊接與檢驗(yàn)的工作量,而且還可以避免最大應(yīng)力在焊縫區(qū),使儲(chǔ)罐安全可靠性提高。一般推薦罐壁選用寬度為2400mm的鋼板。同理,對(duì)于罐底和浮頂,也應(yīng)使用大規(guī)格的鋼板。(4罐底設(shè)計(jì)罐底是儲(chǔ)罐的基本組成部分之一,必須給予充分重視。對(duì)于浮頂儲(chǔ)罐罐底來(lái)說(shuō),徑向彎曲應(yīng)

7、力是主要的,通過(guò)有限元應(yīng)力分析及實(shí)測(cè),證明最大徑向彎曲應(yīng)力在罐底與罐壁連接處附近,并向罐底中心迅速衰減;而在靜水壓載荷下的測(cè)試結(jié)果表明,高應(yīng)力區(qū)應(yīng)在距罐壁600mm的環(huán)形狀范圍內(nèi)。為了改善罐底板受力狀態(tài),一般邊緣板比中幅板要厚一些。大型浮頂儲(chǔ)罐罐底板一般采用加墊板對(duì)接結(jié)構(gòu),罐底邊緣板采用弓形邊緣板,其材質(zhì)應(yīng)與罐壁底圈的材料一致。罐底中幅板材料可采用普通碳素鋼板。對(duì)于罐壁與罐底邊緣板的連接,應(yīng)在儲(chǔ)罐內(nèi)側(cè),采用凹形圓滑過(guò)度的不等邊角焊。2浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)API650、JISB8501、BS2654及SH3046等規(guī)范對(duì)浮頂?shù)脑O(shè)計(jì)原則基本是一致的,主要包括抗沉性要求、強(qiáng)度要求及穩(wěn)定性要求。目前,國(guó)內(nèi)外使用

8、比較多的浮頂結(jié)構(gòu)是單盤(pán)式浮頂和雙盤(pán)式浮頂。雙盤(pán)式浮頂與單盤(pán)式浮頂相比雖然消耗的鋼材量較大,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但由于雙盤(pán)浮頂具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性,承受外載荷的能力較大,而且雙盤(pán)浮頂?shù)慕^熱性好。單盤(pán)式浮頂雖然結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,耗鋼量較小,但因單盤(pán)板整體平整度難以控制,單盤(pán)局部變形后易集水產(chǎn)生腐蝕穿孔,后續(xù)維修費(fèi)用較高;另外單盤(pán)板易發(fā)生不平衡集水,造成浮頂偏沉事故,給生產(chǎn)帶來(lái)不穩(wěn)定因素。實(shí)踐證明:雙盤(pán)式浮頂結(jié)構(gòu)優(yōu)于單盤(pán)式浮頂結(jié)構(gòu)。因此,目前在國(guó)內(nèi)浮頂設(shè)計(jì)中,較多采用雙盤(pán)浮頂結(jié)構(gòu)。3浮頂排水系統(tǒng)的選擇浮頂排水系統(tǒng)的功能是排出集水。目前常用的浮頂排水系統(tǒng)有折疊式排水系統(tǒng)和柔性排水系統(tǒng):折疊式排水系統(tǒng)主要有

9、旋轉(zhuǎn)接頭式和局部金屬軟管式;柔性排水系統(tǒng)有金屬軟管式和橡膠軟管式。自70年代,我國(guó)的浮頂儲(chǔ)罐的浮頂排水系統(tǒng)從開(kāi)始設(shè)計(jì)的帶直角旋轉(zhuǎn)接頭的剛性排水系統(tǒng),到局部金屬軟管與剛性管組合排水系統(tǒng),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)使用的可靠性較差,在使用一段時(shí)間后,直角旋轉(zhuǎn)接頭往往在密封處發(fā)生泄漏,局部金屬軟管本身及管端與法蘭的連接處也容易發(fā)生泄漏。為了解決浮頂排水系統(tǒng)泄漏問(wèn)題,我國(guó)先后引進(jìn)了撓性不銹鋼管(coflexip撓性管及局部復(fù)合軟管(pivotmaster排水系統(tǒng)。由于性能可靠,在工程中得到了廣泛應(yīng)用。目前建設(shè)的大型浮頂油罐浮頂排水系統(tǒng)大多數(shù)采用進(jìn)口產(chǎn)品。實(shí)踐表明:撓性不銹鋼管排水系統(tǒng)使用性能比較可靠,

10、但其安裝比較復(fù)雜,在罐內(nèi)所占空間較大,容易與罐內(nèi)附件(如加熱器、浮頂支柱等發(fā)生干擾,工程投資比較高;局部復(fù)合軟管排水系統(tǒng)由4段復(fù)合軟管及剛性管組成。這種結(jié)構(gòu)的排水系統(tǒng)與雙排管旋轉(zhuǎn)接頭及撓性不銹鋼管排水系統(tǒng)相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、性能可靠、投資少等優(yōu)點(diǎn)。除了正常的排水系統(tǒng)外,雙盤(pán)式浮頂還需要設(shè)置事故排水設(shè)施,單盤(pán)式浮頂上應(yīng)設(shè)置防止雨水超量聚集設(shè)施。4浮頂密封裝置的選用浮頂儲(chǔ)罐絕大部分液面是被浮頂覆蓋的,而浮頂與罐壁之間的環(huán)形空間主要依靠邊緣密封裝置來(lái)減少油品的蒸發(fā)損失和對(duì)氣候的防護(hù)。目前,國(guó)內(nèi)常用的浮頂邊緣密封形式大多采用一次密封和二次密封結(jié)構(gòu)。一次密封主要有機(jī)械滑板式和彈性填充式2種基本

11、形式。為了減少油氣損耗和氣候的影響,國(guó)內(nèi)新建浮頂油罐已很少采用擋雨板,而是采用二次密封。二次密封一般采用帶防蒸發(fā)損失的連續(xù)隔膜結(jié)構(gòu)。5大型浮頂儲(chǔ)罐的選材目前,儲(chǔ)罐大型化遇到的主要問(wèn)題之一是材料的選用。大型儲(chǔ)罐的用材與壓力容器不同,除了具有高強(qiáng)度、高韌性外,還應(yīng)具有良好的焊接性能。為了避免底層罐壁過(guò)厚而導(dǎo)致的材料和焊接問(wèn)題,大型儲(chǔ)罐普遍都采用高強(qiáng)度鋼板。借鑒日本采用高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工大型儲(chǔ)罐的經(jīng)驗(yàn),我國(guó)已建成的40多座10×104m3浮頂儲(chǔ)罐罐壁(由強(qiáng)度決定的壁厚和邊緣板大多數(shù)采用日本用于壓力容器的SPV490Q鋼板。在設(shè)計(jì)與施工方面,我國(guó)對(duì)使用日本生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼板積累了豐富的經(jīng)

12、驗(yàn)。因此,采用SPV490Q鋼板施工大型油罐的技術(shù)已非常成熟。國(guó)內(nèi)對(duì)大型儲(chǔ)罐用鋼板國(guó)產(chǎn)化也做了大量工作,但批量生產(chǎn)的鋼板質(zhì)量還需要進(jìn)一步提高。6對(duì)焊接施工的基本要求現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝是儲(chǔ)罐施工的重要內(nèi)容。目前,設(shè)計(jì)石油規(guī)劃設(shè)計(jì)2002年7月27國(guó)內(nèi)外施工大型儲(chǔ)罐,主要焊縫均采用自動(dòng)焊接,這樣可以減少成本和提高焊縫質(zhì)量及焊接效率。罐底、罐壁環(huán)焊縫一般采用埋弧自動(dòng)焊,而罐壁縱焊縫一般采用氣電立焊。目前,罐底角焊縫也實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化焊接,比如采用串列多絲埋弧自動(dòng)焊。國(guó)外用于焊接大型儲(chǔ)罐的自動(dòng)焊設(shè)備、焊接技術(shù)及焊接材料都已達(dá)到一定水平,國(guó)內(nèi)施工隊(duì)伍的裝備和技術(shù)水平也有很大提高。按照國(guó)內(nèi)施工技術(shù)水平,一般浮頂儲(chǔ)罐

13、可按照表1中的要求進(jìn)行焊接施工。表1浮頂儲(chǔ)罐焊接部位、焊接形式及焊接方法焊接部位焊接形式焊接方法罐底平焊埋弧自動(dòng)焊或手工焊浮頂搭接角焊或平焊手工焊或氣體保護(hù)焊罐壁環(huán)焊縫橫焊埋弧自動(dòng)焊罐壁縱焊縫立焊氣電立焊罐壁下節(jié)點(diǎn)角焊縫角焊埋弧自動(dòng)焊大型儲(chǔ)罐對(duì)基礎(chǔ)的特殊要求1對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特殊要求影響大型儲(chǔ)罐的安全因素一般有2個(gè)方面,一是基礎(chǔ)不均勻沉降;二是材料的脆性破壞。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)是儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,且投資費(fèi)用很大。我國(guó)建罐地區(qū)可能會(huì)遇到一般地基、軟土地基、山區(qū)地基、復(fù)雜地基或地震帶等不同區(qū)域。因此必須重視儲(chǔ)罐基礎(chǔ)設(shè)計(jì),尤其是大型浮頂儲(chǔ)罐。環(huán)墻式基礎(chǔ)能夠減少不均勻沉降、地基壓力分布均勻,并且穩(wěn)定性、抗震性

14、和防潮性好,一般大型浮頂儲(chǔ)罐均采用這種基礎(chǔ)形式。除采用環(huán)墻式基礎(chǔ)外,大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)還應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)提出如下特殊要求:(1儲(chǔ)罐基礎(chǔ)中心坐標(biāo)偏差不應(yīng)大于20mm,標(biāo)高偏差不應(yīng)大于20mm。(2罐壁處基礎(chǔ)頂面的水平度:環(huán)墻上表面任意10m弧長(zhǎng)上應(yīng)不超過(guò)±3.5mm,在整個(gè)圓周上,從平均的標(biāo)高計(jì)算不超過(guò)±6.5mm。(3罐壁基礎(chǔ)面層為絕緣防腐層,基礎(chǔ)表面任意方向上不應(yīng)有突起的棱角。從中心向周邊拉線(xiàn)測(cè)量基礎(chǔ)表面凹凸度不應(yīng)超過(guò)25mm。(4儲(chǔ)罐基礎(chǔ)錐面坡度:一般地基錐面坡度宜不大于15,軟土地基錐面坡度宜不大于35,基礎(chǔ)沉降基本穩(wěn)定后的錐面坡度應(yīng)不小于8。(5儲(chǔ)罐基礎(chǔ)直徑方向上的沉降差浮頂儲(chǔ)罐

15、比拱頂儲(chǔ)罐要求嚴(yán)。如:10×104m3浮頂儲(chǔ)罐不應(yīng)超過(guò)直徑的3,5×104m3浮頂儲(chǔ)罐不應(yīng)超過(guò)直徑的4, 5×104m3拱頂儲(chǔ)罐不應(yīng)超過(guò)直徑的8。(6基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定后,基礎(chǔ)邊緣上表面應(yīng)高出地坪不小于300mm。2基礎(chǔ)充水預(yù)壓要求充水試驗(yàn)是儲(chǔ)罐施工的一項(xiàng)重要內(nèi)容,它不僅可以檢驗(yàn)罐體的強(qiáng)度和密閉性,而且也可以檢驗(yàn)儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的安定性。尤其是軟土地基充水試驗(yàn)更加重要,一般應(yīng)對(duì)軟土地基充水試驗(yàn)提出特殊要求。(1初次充水時(shí),罐內(nèi)每天充水高度應(yīng)不大于0.6m,每次充水高度應(yīng)小于2m,并進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)穩(wěn)定沉降觀(guān)測(cè),間隔時(shí)間應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。(2當(dāng)充水高度接近最高操作液位的75%時(shí),

16、應(yīng)放慢充水速度,并進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)穩(wěn)定沉降觀(guān)測(cè),一直充水到最高液位,基礎(chǔ)穩(wěn)定沉降應(yīng)控制在小于等于5mm/d,停留時(shí)間符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求后,即可放水卸載。(3每天放水卸載的高度應(yīng)不大于2m,并間隔24小時(shí)后進(jìn)行觀(guān)測(cè)地基的回彈,滿(mǎn)足要求后才可繼續(xù)放水。我國(guó)在大型浮頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)施工技術(shù)上積累了很多經(jīng)驗(yàn),而且我國(guó)能夠設(shè)計(jì)施工10×104m3以下浮頂儲(chǔ)罐的單位也在不斷增加。隨著國(guó)家大型油庫(kù)的建設(shè),大型浮頂儲(chǔ)罐的需求量會(huì)很大。因此,要重視以上有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)關(guān)鍵技術(shù)要充分研究論證,應(yīng)用成熟的技術(shù)和工藝程序,以避免出現(xiàn)大的技術(shù)安全隱患。隨著15×104m3浮頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)施工技術(shù)的日趨成熟,我國(guó)儲(chǔ)罐整體技術(shù)水平將有更大的提高。參考文獻(xiàn)1陳滌非、李學(xué)彤.10×104m3浮頂罐的應(yīng)力實(shí)測(cè)與分析