大型原油儲罐設(shè)計的探討

大型原油儲罐設(shè)計的探討

大型儲液罐廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)裝置中。在使用中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)石油蒸發(fā)損失、儲液罐失穩(wěn)定變形等實際問題。大型儲罐發(fā)生失穩(wěn)變形的主要原因包括罐體剛度設(shè)計不足、用于抵抗風(fēng)載荷的加強(qiáng)圈和抗風(fēng)圈設(shè)計不合理等。1996年,在我廠350t/a常減壓裝置配套原油罐區(qū)擴(kuò)建項目中,設(shè)計選用了3臺體積為10000m3的外浮頂原油儲罐,文中以此設(shè)計為例,對在大型儲罐設(shè)計中遇到的設(shè)計選型、選材、罐體壁厚及抗風(fēng)圈等設(shè)計問題進(jìn)行探討。1罐體表面元素利用,減少儲罐中小呼吸損失和降低罐體油品儲罐的選型應(yīng)考慮的主要因素是盡量降低油品損耗,避免油品在儲存期間變質(zhì),減輕大氣污染與火災(zāi)的危險性,同時還要考慮經(jīng)濟(jì)合理?？刂坪蜏p少儲液的蒸發(fā)是儲罐技術(shù)發(fā)展的一個重要方面。油品在儲存過程中的蒸發(fā)損失不僅可以造成儲液量的損失,還導(dǎo)致油品質(zhì)量的下降,使油品變質(zhì)。減少儲罐的蒸發(fā)損失有很多措施,如用水噴淋可基本消除固定頂罐的小呼吸損失,但這要浪費大量的冷卻水,5000m3儲罐每天耗水量大約100t。將罐體外表面涂成白色或使用熱絕緣材料可降低小呼吸損耗60%,還有提高儲罐承載能力等措施。但是,以上這些措施都不能從根本上減少儲罐的蒸發(fā)損失,采用浮頂罐是迄今為止控制油品蒸發(fā)損失所采用的技術(shù)中最有效的解決辦法之一。這是由于浮盤漂浮于液面上,使油品無液相蒸發(fā)空間,這樣可減少蒸發(fā)損失80%～90%,同時由于浮盤使油品與空氣完全隔開,極大地減少了空氣污染和火災(zāi)的危險性,而且能有效地保證油品質(zhì)量。由于原油罐內(nèi)有加熱盤管,其中的輕組分易蒸發(fā),而且儲量很大,因而采用外浮頂儲罐是最合理的。2罐體壁板厚度的確定該儲罐設(shè)計壓力為常壓,設(shè)計溫度為60℃。由于儲罐體積龐大,鋼材消耗量很大,因而經(jīng)濟(jì)合理地選材尤為重要。選擇大型儲罐材質(zhì)時要考慮到各種鋼材在不同使用溫度下的最大板厚限制。儲罐標(biāo)準(zhǔn)體積系列中5000m3以上的內(nèi)浮頂罐和固定頂罐材質(zhì)多選用20R和16MnR,這是考慮到有些儲罐的使用溫度低于0℃。由于本設(shè)計中原油罐內(nèi)有加熱器,其工作溫度為40℃,Q235-A在低于0℃,高于-20℃時使用的最大板厚為16mm,而在高于0℃時的最大使用板厚為34mm,本罐材質(zhì)選用Q235-A更為經(jīng)濟(jì)。本儲罐總高為15850mm,介質(zhì)密度為859.1kg/m3,腐蝕裕量為1mm,根據(jù)鋼板規(guī)格將罐體壁板分為10圈,經(jīng)計算各圈罐體壁板厚度從上到下分別為3mm、5mm、6mm、8mm、9mm、11mm、12mm、14mm、16mm和17mm?？紤]充水情況以及下文所述因素,最后取各圈罐體壁板名義厚度從上到下分別為6mm、6mm、7mm、9mm、10mm、12mm、13mm、15mm、17mm和19mm。在確定壁板的名義厚度時,不能單純地按計算結(jié)果考慮,因為計算公式只從滿足罐體強(qiáng)度方面考慮了作用在罐壁上的液柱靜壓力、材料的許用應(yīng)力以及焊接接頭系數(shù)。確定罐體壁厚還要考慮以下幾個方面的問題:由于計算公式中所考慮的腐蝕裕度只涉及到了介質(zhì)的均勻腐蝕,沒有考慮實際上原油內(nèi)含有的水和其它雜質(zhì)大部分積存于儲罐底部,會造成底圈壁板局部嚴(yán)重腐蝕,因而要適當(dāng)增加底圈壁板的厚度。在罐壁底圈壁板和罐底邊緣板上,除了承受液體的靜壓力外,還承受著較大的邊緣應(yīng)力,儲罐大部分開孔都集中在底圈壁板上,因此,應(yīng)適當(dāng)增加罐體最底圈壁板的厚度。工藝上考慮閥室空間的限制,要求閥門布置盡可能緊湊,因而經(jīng)常會存在密集開孔補強(qiáng)區(qū)域。增加底圈壁板厚度,實際上也同時對開孔起了整體補強(qiáng)的作用。罐體上部的幾圈壁板應(yīng)適當(dāng)增厚,因為上部的液柱壓力很低,滿足強(qiáng)度要求計算所得的厚度很小,按規(guī)范所要求的最小壁厚實際上就是從剛度角度考慮的。另外,對有些要進(jìn)行油品調(diào)和,需要在罐壁上加攪拌器的儲罐,尤其要注意考慮底圈壁板的剛度問題。曾有儲罐因加攪拌器后罐體剛度不足,加之在操作過程中攪拌器的振動等因素而引起罐體局部失穩(wěn)的教訓(xùn)。這是因為要使得在基礎(chǔ)沉降的過程中不影響攪拌器與電機(jī)的同軸度,兩者必須支撐于壁板上,而不能支撐于地面的平臺上,這樣罐壁攪拌器就相當(dāng)于加在罐壁上的偏心載荷,從而影響了罐體的局部穩(wěn)定性。1998年我廠設(shè)計5000m3柴油罐時,需要在底圈壁板加3個開孔直徑為〉600mm的攪拌器,由于設(shè)計中不僅適當(dāng)?shù)卦黾恿税搴?還在補強(qiáng)圈上增加了4個加強(qiáng)筋,該儲罐使用效果很好。3罐體的抗風(fēng)圈大型儲罐常見的破壞形式不是強(qiáng)度破壞,而是穩(wěn)定性破壞。大型儲罐是薄壁容器,敞口的外浮頂罐需設(shè)置抗風(fēng)圈以保持罐體的圓度、整體形狀以及罐體上部的穩(wěn)定性?？癸L(fēng)圈和基礎(chǔ)的設(shè)計是外浮頂儲罐設(shè)計的2個最關(guān)鍵問題,我廠曾有外浮頂罐因抗風(fēng)圈設(shè)計不合理而引起油品外溢到浮盤上的事故發(fā)生,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。3.1抗風(fēng)圈的最小截面系數(shù)關(guān)于抗風(fēng)圈的計算及受力分析,目前還沒有相對成熟的方法。其設(shè)計也主要采取經(jīng)驗方法。我們可以假定上半部罐壁所承受的風(fēng)載荷由抗風(fēng)圈承擔(dān),作用于罐體外壁迎風(fēng)面的風(fēng)壓按正弦曲線分布,將風(fēng)壓分布范圍的抗風(fēng)圈區(qū)段看成兩端鉸支的圓拱,也就是把抗風(fēng)圈看成承受彎曲應(yīng)力的剛體?？癸L(fēng)圈在風(fēng)載荷作用下而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力與抗風(fēng)圈的抗彎截面系數(shù)成反比,即截面系數(shù)越大,抗風(fēng)圈的抗風(fēng)能力越強(qiáng)。因此,設(shè)計中要控制抗風(fēng)圈的實際截面系數(shù)大于滿足其強(qiáng)度要求的最小截面系數(shù)?？癸L(fēng)圈的最小截面系數(shù)按下式計算:Wmin=0.082Di2hp0式中,Wmin為抗風(fēng)圈的最小截面系數(shù),mm3;p0為基本風(fēng)壓值,Pa;Di為儲罐內(nèi)直徑,h為罐體總高,m。本例中p0=490Pa,Di=28.5m,h=15.85m。按上述參數(shù)計算得Wmin=517284mm3。本例儲罐的抗風(fēng)圈設(shè)計成20邊形,每邊對應(yīng)的圓心角為18°,抗風(fēng)圈所有截面的截面系數(shù)均應(yīng)大于最小截面系數(shù)。取多邊形最小截面寬度(不包括盤梯洞口處)500mm的截面進(jìn)行校核,在計算中要計入抗風(fēng)圈與罐壁連接處16倍板厚范圍內(nèi)的罐壁截面,因為這一部分截面也起加強(qiáng)作用。該截面的組合結(jié)構(gòu)見圖1。該截面由120mm×53mm×5.5mm槽鋼、腹板(厚度為6mm,長度500mm)及16倍板厚的罐壁板(長160mm,板厚為5mm,不包括腐蝕裕量)組成。建立如圖1所示的坐標(biāo)系,根據(jù)各截面的面積及形心求得組合截面形心C點的坐標(biāo)為x=221mm,y=18mm,由各截面相對于原形心軸的慣性矩求得組合截面相對于形心軸yc的慣性距Iyc,從而求出該截面的抗彎截面系數(shù):Wz=Iycxmax=680Wz=Ιycxmax=680317mm3由于Wz>Wmin,所以,該截面抗彎截面系數(shù)校核合格?？梢钥闯?將腹板加寬后Wz只會增大,所以多邊形的其他截面必然合格。用同樣的方法校核盤梯洞口處的截面,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計中孔邊寬度300mm不合格,改為400mm后校核合格。3.2浮頂儲罐抗風(fēng)圈的設(shè)計抗風(fēng)圈一般設(shè)計成多邊形或圓形,離罐頂約1m,兼做走臺。從節(jié)省鋼材的角度考慮,多邊形的最小截面寬度與最大截面寬度相差越小越好,但要考慮型鋼的規(guī)格。一般按3的倍數(shù)劃分角度,本罐設(shè)計為20邊形,每邊對應(yīng)角度為18°?？紤]到抗風(fēng)圈自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,抗風(fēng)圈的截面寬度不宜超過1m,當(dāng)抗風(fēng)圈所需的最小截面系數(shù)太大時,可設(shè)計成2道抗風(fēng)圈,大慶油田儲運銷售分公司南一油庫就有2座100000m3浮頂儲罐采用這種形式的抗風(fēng)圈。為了滿足強(qiáng)度條件,抗風(fēng)圈本身的連接必須采用全焊透對接接頭,抗風(fēng)圈與罐壁的連接采用上表面連續(xù)焊,下面斷