2萬m3大型燒堿儲罐的節(jié)材和節(jié)能設(shè)計

許亞非陳棟梁

（湖南化工醫(yī)藥設(shè)計院)

2萬m3大型燒堿儲罐的節(jié)材和節(jié)能設(shè)計

許亞非*陳棟梁

（湖南化工醫(yī)藥設(shè)計院)

探討用于離子膜燒堿生產(chǎn)中的大型燒堿儲罐的節(jié)材和節(jié)能設(shè)計的方法。

大型燒堿儲罐節(jié)材節(jié)能設(shè)計壓力容器

0 前言

大容量儲罐具有減少占地面積、縮短管線總長度、方便操作管理和維護、節(jié)省材料、節(jié)約投資等諸多特點。受某大型離子膜燒堿有限公司的委托，我們承擔(dān)了一臺直徑為42 m、筒體高度為17 m、公稱容量為2萬m3的燒堿成品大儲罐的設(shè)計任務(wù)。為了更有效地節(jié)省材料、減少焊接能量、降低項目初投資及在確保其承載可靠性的前提下最大限度地實現(xiàn)節(jié)材節(jié)能，我們?yōu)檫@臺儲罐的罐壁、罐頂和罐底板各做了2種設(shè)計方案進行比較。總共6種方案，為敘述方便，將這6種方案按順序列出如下：(1)罐壁全部采用不銹鋼板；(2)罐壁采用不銹鋼－鋼復(fù)合板；(3)罐頂采用不銹鋼拱頂帶肋球殼；(4)罐頂采用不銹鋼雙向子午線網(wǎng)殼；(5)罐底板全部采用不銹鋼板搭接焊接；(6)罐底板采用不銹鋼的邊緣板和不銹鋼－鋼復(fù)合板的中幅板對接焊接等。最后，選其中較優(yōu)的方案設(shè)計和制造，取得了較好的節(jié)材節(jié)能效果。

1 設(shè)計基本條件及設(shè)計方案比較

項目所在地的地震設(shè)防烈度為六度，基本風(fēng)壓值為350 N/m2，基本雪壓值為300 N/m2。燒堿中NaOH的濃度為30%以上(最高達50%)，儲存溫度為常溫?？紤]到NaOH對一般碳鋼或低合金鋼材料的腐蝕性較嚴(yán)重，該儲罐接觸液體的材質(zhì)采用022Cr17Ni12Mo2不銹鋼。

1.1 儲罐的罐壁全部采用不銹鋼板的方案

罐壁的計算厚度按下列公式計算：

式中td——儲存介質(zhì)條件下罐壁板的計算厚度，mm；

tt——試水條件下罐壁板的計算厚度，mm；

D——儲罐內(nèi)徑，m，D=42 m；

H——計算液位高度，為從所計算的那圈罐壁板底端到罐壁包邊角鋼頂部的高度，或到溢流口下沿(有溢流口時)的高度，m；

ρ——儲液相對密度(取儲液與水密度之比)，ρ=1.5；

[σ]d——設(shè)計溫度下022Cr17Ni12Mo2不銹鋼板的許用應(yīng)力，MPa,[σ]d=117 MPa；

[σ]t——常溫下022Cr17Ni12Mo2不銹鋼板的許用應(yīng)力，MPa,[σ]t=117 MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)，取φ=0.9(當(dāng)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低屈服強度大于390 MPa時，底圈罐壁板取φ=0.85)。

儲罐的罐壁總高為16 970 mm(罐壁頂部與包邊角鋼頂部相距30 mm)，共分成10圈，除最上面1圈罐壁高度為770 mm外，其余9圈罐壁高度均為1 800 mm(見圖1)，每圈的“計算液位高度H”從下至上依次為17.0 m、15.2 m、13.4 m、11.6 m、9.8 m、8.0 m、6.2 m、4.4 m、2.6 m、0.8 m。按式(1)和式(2)，每圈罐壁(底端)的計算厚度分別為：

從td1～td10和tt1～tt10的計算結(jié)果可知，在儲存介質(zhì)條件下，罐壁板的計算厚度均大于試水條件下罐壁板的計算厚度，所以該儲罐各圈壁板的厚度應(yīng)由td1～td10確定。由td1～td10分別加上各自的厚度附加量(鋼板的負(fù)偏差和1 mm罐內(nèi)壁因物料引起的腐蝕裕量)確定公稱厚度，并考慮儲罐內(nèi)徑在36 m≤D≤60 m范圍內(nèi)罐壁板的最小公稱厚度不得小于8 mm的限制。因此，各圈壁板的公稱厚度t1～t10可分別如下確定：t1=51 mm,t2=46 mm,t3=41 mm,t4=35 mm,t5=30 mm,t6=25 mm,t7=20 mm,t8=14 mm,t9=9 mm；t10=8 mm。由此可算得罐壁不銹鋼板需要的耗量為：

另外，罐壁上端設(shè)置的不銹鋼包邊角鋼規(guī)格為∠100×100×10，按中性層計算，其周長度為π(42-2×0.0282)=131.77 m，由此可算得不銹鋼包邊角鋼的耗量為131.77×15.2=2 003 kg。

因此，罐壁鋼材的總耗量為515 335+2 003=517 338 kg。

1.2 儲罐的罐壁采用不銹鋼－鋼復(fù)合板的方案

儲罐的罐壁同樣分成10圈(見圖1)，每圈的材料是復(fù)層為022Cr17Ni12Mo2、基層為Q345R的不銹鋼－鋼復(fù)合鋼板，復(fù)層厚度統(tǒng)一取3 mm(考慮了1 mm的腐蝕裕量)，基層厚度根據(jù)強度計算確定。不計入復(fù)層材料的強度時，罐壁基層的計算厚度仍按式(1)和式(2)計算：

式中[σ]d——設(shè)計溫度下Q345R鋼板的許用應(yīng)力，MPa，[σ]d=208 MPa；

[σ]t——常溫下Q345R鋼板的許用應(yīng)力，MPa，[σ]t=208 MPa；

D——儲罐基層內(nèi)徑，m，D=42+2×0.003=42.006 m。

其余參數(shù)與罐壁全部采用不銹鋼板方案相同。每圈罐壁(底端)基層的計算厚度分別為：

同樣，從上述的計算結(jié)果可知，儲存介質(zhì)條件下罐壁基層的計算厚度均大于試水條件下罐壁基層的計算厚度，所以該儲罐的基層壁厚度應(yīng)由td1～td10確定。由td1～td10分別加上各自厚度附加量(鋼板的負(fù)偏差和1 mm罐外壁因大氣引起的腐蝕裕量)確定公稱厚度，并考慮儲罐內(nèi)徑在36 m≤D≤60 m范圍內(nèi)罐壁板的最小公稱厚度不得小于8 mm的限制。因此，各圈基層壁板的公稱厚度t1～t10可分別如下確定：t1=30 mm,t2=27 mm,t3=24 mm,t4=21 mm,t5=18 mm,t6=15 mm,t7=12 mm,t8=9 mm，t9=t10=8 mm。由此可算得罐壁基層Q345R鋼板需要的耗量為：

罐壁復(fù)層022Cr17Ni12Mo2鋼板需要的耗量為：

同樣，不銹鋼包邊角鋼的耗量為2 003 kg。

所以，罐壁材料的總耗量為312 345+53 071+2 003=367 419 kg。

罐壁采用不銹鋼－鋼復(fù)合板比采用全不銹鋼板少耗149 919 kg。實際上，如果計入復(fù)層材料的強度，不銹鋼－鋼復(fù)合板的總耗量還可以減少。不僅如此，每噸不銹鋼－鋼復(fù)合鋼板(022Cr17Ni12Mo2+Q345R)的價格只有全不銹鋼板(022Cr17Ni12Mo2)價格的65%左右；材料耗量和價格兩方面的因素合在一起，罐壁就可減少造價一半以上。另外，因為板材厚度減薄較明顯，在焊縫長度相同的情況下，焊接材料用量和焊接能耗也明顯減少。

1.3 儲罐的罐頂采用不銹鋼拱頂帶肋球殼的方案

國家設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，拱頂球殼的曲率半徑不宜大于40 m，肋條間距不得大于1.5 m，肋條厚高比不宜大于12。

石化行業(yè)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，帶肋球殼儲罐直徑不宜大于32 m，肋條間距不得大于1.5 m。

兩規(guī)范對帶肋的限制稍有不同，前者對帶肋球殼的曲率半徑作了限制，后者對帶肋球殼的儲罐直徑作了限制。本儲罐直徑大于32 m，如果按石化行業(yè)設(shè)計規(guī)范，罐頂不宜采用帶肋球殼，但為了與其它方案作材料和能耗的比較，我們在國家設(shè)計規(guī)范限制的范圍內(nèi)，也作出一個方案。這個方案也可為直徑小于或等于32 m的儲罐提供設(shè)計和計算參考。

取該儲罐球殼的曲率半徑Rs=40 m，肋條間距0.68 m，肋條厚度8 mm，肋條高度80 mm，罐頂板厚8mm，肋條和罐頂板材料均為022Cr17Ni12Mo2不銹鋼板(見圖2)。

帶肋球殼的許用外荷載按下式計算：

式中［p］——帶肋球殼的許用外荷載，kPa；

E——設(shè)計溫度下鋼材的彈性模量，MPa，

Rs——球殼的曲率半徑，m，Rs=40 m；

th——罐頂板的有效厚度，mm，th=8－C1－C2=8－0.6－1=6.4 mm，其中C1為鋼板厚度負(fù)偏差，C2為腐蝕裕量(按單面與物料接觸考慮)；

tm——帶肋球殼的折算厚度，mm。

帶肋球殼的折算厚度按式(4)～式(8)計算：

式中t1m——緯向肋與頂板組合截面的折算厚度，mm；

h1——緯向肋高度，mm，h1=80 mm；

b1——緯向肋有效厚度，mm，b1=8－C1－C2=8－0.6－2=5.4 mm，其中C1為鋼板厚度負(fù)偏差，C2為腐蝕裕量(按雙面與物料接觸考慮)；

L1s——緯向肋在經(jīng)向的間距，mm，L1s=680 mm；

n1——緯向肋與頂板在經(jīng)向的面積折算系數(shù)；

e1——緯向肋與頂板在經(jīng)向的組合截面形心到頂板中面的距離，mm;

t2m——經(jīng)向肋與頂板組合截面的折算厚度，mm；

h2——經(jīng)向肋高度，mm，h2=80 mm；

b2——經(jīng)向肋有效厚度，mm，b2=b1=5.4 mm；

L2s——經(jīng)向肋在緯向的間距，mm，L2s=680 mm；

n2——經(jīng)向肋與頂板在緯向的面積折算系

數(shù)；

e2——經(jīng)向肋與頂板在緯向的組合截面形心到頂板中面的距離，mm。距離e1由下式確定：

式中符號見圖2，其中H=th+h1=86.4 mm，c=B-b1，因緯向肋在經(jīng)向的間距L1s=680 mm＜787.17 mm，所以可取B=680 mm，c=674.6 mm。

由此計算得e1=3.9 mm。

由式（4）～式（8）可算得：n1=n2=1.099，=17 271.59，tm=20.62 mm。

由式（3）可得：[p]=2.86 kPa。

設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，罐頂板及其支撐構(gòu)件應(yīng)能承受下列設(shè)計外荷載：(1)罐頂板及其加強構(gòu)件的重力荷載；(2)在罐頂水平投影面積上的附加設(shè)計荷載值，不應(yīng)小于1.2 kPa；當(dāng)雪荷載超過0.6 kPa時，尚應(yīng)加上所超過的部分。因此，設(shè)計外荷載pL由下述兩部分構(gòu)成：

(1)按球缺公式及圖1、圖2可分別算得罐頂板(含搭接部分)重力為948 000 N及經(jīng)、緯向肋條重力為251 600 N，其構(gòu)成的重力荷載為：

(2)罐頂水平投影面積上的附加設(shè)計荷載值，因雪荷載(300 N/m2=0.3 kPa)未超過0.6 kPa，取1.2 kPa。

由以上兩項可得pL：

滿足pL＜[p]=2.86 kPa，即由罐頂板及經(jīng)、緯向肋條組成的固定頂能承受2.066 kPa的設(shè)計外荷載。因此，罐頂采用不銹鋼拱頂帶肋球殼方案時，022Cr17Ni12Mo2不銹鋼板需要的總耗量為：94 800+25 160=119 960 kg。

1.4 儲罐的罐頂采用不銹鋼雙向子午線網(wǎng)殼方案

上海浦東某機械有限公司推行的雙向子午線網(wǎng)狀殼罐頂，是一種技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)優(yōu)良的大跨度穹頂結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)桿均為球面母線，兩個方向的網(wǎng)桿都采用型鋼，網(wǎng)桿相交處采用滿角焊。由于節(jié)點處的網(wǎng)桿斷面沒有被削弱，從而形成了名副其實的剛性節(jié)點，并使雙向子午線網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造與計算模型所采用的“剛性連接的空間桿件系”這一基本假定相符，滿足了JGJ 61—2003《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于“單層網(wǎng)殼應(yīng)采用剛性節(jié)點”的規(guī)定。

大跨度結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形相對較大，只有采用大撓度理論才能使計算結(jié)果與實際工況相符。雙向子午線網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計算方法運用了被世界力學(xué)界公認(rèn)的“錢偉長法”——系統(tǒng)攝動法處理非線性方程的方法，其計算結(jié)果能夠正確地反映結(jié)構(gòu)內(nèi)力與結(jié)構(gòu)變位之間動態(tài)平衡的實際工況。據(jù)相關(guān)資料介紹，用該方法得出的系列計算結(jié)果得到了中國建筑科學(xué)研究院進行模型加載試驗的實測驗證。經(jīng)過十多年的工程實踐和改進，上海浦東某機械有限公司在國內(nèi)外已建成100多臺雙向子午線網(wǎng)殼頂儲罐，至今使用情況良好，得到用戶好評。該技術(shù)已獲得了國家專利(專利號：ZL 2004 2 0081487.2)。

雙向子午線網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)還具有以下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)整體性好，剛度大，抗均勻及不均勻荷載(如臺風(fēng)、不均勻雪載及頂面集中力等)的能力強。

（2）（該公司制作的）網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不銹鋼網(wǎng)桿(型鋼)等構(gòu)件的最小厚度為8 mm，使用壽命長。

（3）蒙皮是非受力構(gòu)件（主要起密封作用），可相對較薄，與網(wǎng)桿實現(xiàn)線接觸(而非點接觸)，表面成型好，有利于荷載的均勻傳遞。

（4）蒙皮采用人字形排板，將整塊規(guī)格板直接鋪設(shè)，可節(jié)省不少切割鋼板所需要的能耗。施工單位作過統(tǒng)計，人字形排板比瓜皮式排板可節(jié)約鋼板6%～7%，做到了既省工、省能耗，又省料。

（5）在任何苛刻的工藝條件下，都可以通過理論計算采取相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施來滿足罐頂?shù)某休d可靠性要求。

（6）雙向子午線網(wǎng)殼具有自律性，如果某個網(wǎng)桿形狀超差，網(wǎng)桿就無法順利組焊。

基于這些明顯的優(yōu)點，我們與上海浦東某機械有限公司進行了深入的技術(shù)合作，吸取他們在國內(nèi)外承攬大型儲罐制作的成功經(jīng)驗。該2萬m3燒堿成品儲罐的罐頂采用雙向子午線網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(見圖3)，主要由三部分構(gòu)成，即由錐板、蒙皮、網(wǎng)桿(型鋼)框架組成。經(jīng)過合作方(專利權(quán)所有方)的設(shè)計及計算，這三部分各需耗材(022Cr17Ni12Mo2)分別為6 900 kg、64 600 kg、39 200 kg，合計110 700 kg。

罐頂采用不銹鋼雙向子午線網(wǎng)殼方案比采用不銹鋼拱頂帶肋球殼方案節(jié)省材料9 260 kg(節(jié)省約7.7%)；而且這種網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)其焊接工作量不到帶肋球殼結(jié)構(gòu)的一半，焊接能耗節(jié)省50%以上。顯然，罐頂采用雙向子午線網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不但節(jié)約了母材和焊材，還更為節(jié)能。

另據(jù)資料介紹：國內(nèi)自20世紀(jì)60年代開始大量使用帶肋鋼球殼作儲罐拱頂以來，當(dāng)筒體直徑超過30 m時，曾多次發(fā)生罐頂凹坍事故。與之相比，1993年以來投入使用的30多臺罐容為5～5.5萬m3、采用雙向子午線網(wǎng)殼的儲罐，至今還沒有出現(xiàn)一起罐頂凹坍或坍蹋事故。這就充分說明，采用雙向子午線網(wǎng)殼不但節(jié)材和節(jié)能，而且更安全可靠。

圖3 2萬m3燒堿儲罐罐頂采用雙向子午線單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

1.5 儲罐的底板全部采用不銹鋼板搭接焊接方案

如圖4所示，按設(shè)計規(guī)范中的要求，并參考標(biāo)準(zhǔn)儲罐系列尺寸，確定該儲罐底板直徑為42 170 mm，由中幅板和邊緣板相互搭接構(gòu)成，材料均為022Cr17Ni12Mo2不銹鋼板；中幅板厚度為10 mm，邊緣板厚度為16 mm，中幅板相互之間的搭接寬度為50 mm，中幅板搭接在邊緣板的上面，搭接寬度為60 mm；邊緣板與底圈罐壁相焊的局部環(huán)形帶應(yīng)做成平滑支撐面，在此局部部位，邊緣板相互之間應(yīng)對接，對接焊縫下面設(shè)厚度3 mm的碳鋼墊板；邊緣板徑向?qū)挾劝丛O(shè)計規(guī)范的公式計算（計算過程略）確定為860 mm。由此可算得底板需要的耗材量。

不銹鋼邊緣板耗材量為：

不銹鋼中幅板耗材量為：

此外，不銹鋼搭接耗材量約為4 500 kg，邊緣板局部對接焊縫下面的碳鋼墊板耗材量約為50 kg。

因此，底板的總耗材量為：

14 108+102125+4 500+50=120 783 kg

1.6 儲罐的底板采用不銹鋼的邊緣板和不銹鋼－鋼

復(fù)合板的中幅板對接焊接的方案

如圖5所示，儲罐底板由中幅板和邊緣板相互對接構(gòu)成。邊緣板采用022Cr17Ni12Mo2不銹鋼板，厚度為16 mm；中幅板采用022Cr17Ni12Mo2+Q345R復(fù)合鋼板，復(fù)合厚度為3+7 mm。因邊緣板和中幅板厚度之差大于中幅板厚度的30%，所以應(yīng)削薄較厚的邊緣板(與中幅板對接處)的邊緣，并在每條對接焊縫下面設(shè)厚度3 mm的碳鋼墊板。與上節(jié)相同，儲罐底板直徑為42 170 mm，邊緣板徑向?qū)挾葹?60 mm；由此可分別算得不銹鋼的邊緣板、不銹鋼－鋼復(fù)合板的中幅板及碳鋼墊板的耗材量。

不銹鋼的邊緣板耗材量為14 108 kg。

不銹鋼－鋼復(fù)合板的中幅板耗材量為101 071 kg。

此外，所有對接焊縫下面的碳鋼墊板耗材量約為1 500 kg。

因此，底板的總耗材量為：

由此可見，儲罐底板采用不銹鋼板及復(fù)合鋼板對接焊接方案的總耗材量比全部采用不銹鋼板搭接焊接方案節(jié)省材料約4 100 kg。此外，中幅板采用022Cr17Ni12Mo2+Q345R復(fù)合鋼板，其價格只有全不銹鋼板(022Cr17Ni12Mo2)價格的65%。材料耗量和價格兩方面的因素合在一起，儲罐底板就可減少造價三分之一以上。

2 結(jié)語

在節(jié)能減排日益受到重視的今天，作為設(shè)計人員如何遵循國家節(jié)能減排和資源綜合利用的政策要求，在設(shè)計思路上注重節(jié)材節(jié)能和優(yōu)先考慮如何降低設(shè)備運行能耗，為低碳化的工業(yè)生產(chǎn)做貢獻，是值得我們關(guān)注的重要問題。通過上述從儲罐的罐壁、罐頂和罐底板的設(shè)計用材、安全可靠性、投資成本等方面的分析比較，可以得出：2萬m3燒堿儲罐的罐壁采用不銹鋼－鋼復(fù)合板、罐頂采用不銹鋼雙向子午線網(wǎng)殼、罐底板采用不銹鋼的邊緣板和不銹鋼－鋼復(fù)合板的中幅板對接焊接方案，其節(jié)材節(jié)能效果和綜合優(yōu)勢是比較明顯的；因此，該儲罐的罐壁、罐頂和罐底板的設(shè)計（和制造）選取這一方案是較佳選擇。

[1] 徐英，楊一凡，朱平，等.球罐和大型儲罐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] JGJ 61—2003.網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50341—2003.立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].

[4] HG 21502.1—1992.鋼制立式圓筒形固定頂儲罐系列[S].

[5] NB/T 47003.1—2009.鋼制焊接常壓容器[S].

Material and Energy Saving Design of 20 000 m3Large-scale Caustic Soda Tank

Xu YafeiChen Dongliang

The material and energy saving design methods of large-scale caustic soda tank for ionic membrane caustic soda production were discussed.

Large-scale caustic soda tank；Material saving；Energy saving；Design；Pressure vessel

TQ 053.2

*許亞非，女，1957年生，高級工程師。長沙市，410021。

2011-08-18）