2000m3液化石油氣球罐的設(shè)計(jì)研究

王 碩，田 甲，張 健

（1.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司華東管道設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221008；2.石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司，河北 石家莊 051430）

隨著石油和煉油化工工業(yè)的迅速發(fā)展，液化石油氣作為一種化工基本原料和新型燃料，使用范圍越來(lái)越廣，相應(yīng)的液化石油氣貯罐的建設(shè)逐步加快。球形貯罐由于具有容積大、占地面積小、鋼材用量少、受力狀況比較好、基礎(chǔ)簡(jiǎn)單以及運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，其中最常用的是2 000 m3液化石油氣球形貯罐。

1 設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)應(yīng)遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)

2 000 m3液化石油氣球罐設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2 000 m3液化石油氣球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)

液化石油氣易燃易爆、相態(tài)易變，且毒性程度較大，因此，盛裝液化石油氣的球罐是具有爆炸危險(xiǎn)性的特種承壓設(shè)備。為了球罐的安全運(yùn)行，必須從各方面嚴(yán)格把關(guān)，其主要遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如下。

（1）TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

（2）GB 150.1～150.4-2011《壓力容器》

（3）GB 12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》

（4）GB 50094-2010《球形儲(chǔ)罐施工規(guī)范》

（5）GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》（含第1號(hào)修改單）

2 材料選用

球罐用鋼的選材原則是在滿足強(qiáng)度要求的前提下，還應(yīng)具有優(yōu)良的低溫韌性及焊接性能、足夠的塑性和長(zhǎng)期可靠的使用性能。本次設(shè)計(jì)的液化石油氣球罐采用Q345R（正火）鋼板進(jìn)行設(shè)計(jì)，其材質(zhì)符合GB713-2008的要求。首先，Q345R鋼板的沖擊韌性指標(biāo)有大幅的提高，而且價(jià)格便宜、焊接工藝簡(jiǎn)單容易，焊縫質(zhì)量易于保證；其次，國(guó)內(nèi)液化石油氣一般未做嚴(yán)格的脫硫處理，H2S應(yīng)力腐蝕較嚴(yán)重，一般認(rèn)為Q345R對(duì)H2S應(yīng)力腐蝕裂紋不敏感，其中的錳元素有較好的脫氧能力，還可與硫形成MnS，消除了硫的有害作用。

2009年12月1日實(shí)施的TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱新容規(guī)）降低了材料的安全系數(shù)，其設(shè)計(jì)計(jì)算的許用應(yīng)力值也得到了相應(yīng)的提高[1]。對(duì)于壓力容器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，在其他條件不變的情況下，增加許用應(yīng)力值就意味著減小容器壁厚，降低容器噸重，從而節(jié)約材料，減少設(shè)備投資[2]。

表2列出了根據(jù)新的安全系數(shù)計(jì)算的Q345R鋼板許用應(yīng)力值和GB150-1998表4-1中所列許用應(yīng)力值。

表2 Q345R許用應(yīng)力值

3 球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 球殼結(jié)構(gòu)選取

液化石油氣球罐的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但需現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接，制造安裝有一定困難，主要原因是其殼體為空間曲面，壓制成型、安裝組對(duì)及現(xiàn)場(chǎng)焊接難度較大。由于球罐的操作介質(zhì)易燃、易爆、毒性較大，且裝載量又大，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理是球形貯罐發(fā)生事故的主要原因之一。

球殼的結(jié)構(gòu)型式主要有足球瓣式、桔瓣式和混合式3種。目前，國(guó)內(nèi)投用的球罐中，絕大多數(shù)為桔瓣式或混合式排版組成的球殼。以下以三帶十支柱混合式和五帶十支柱桔瓣式為例比較球罐桔瓣式和混合式的優(yōu)缺點(diǎn)。采用桔瓣形赤道、足球瓣形上下極帶組成三帶十支柱混合式球殼結(jié)構(gòu)，分割極板最大球心角為 67.5°、少分帶、大分角、大瓣塊的設(shè)計(jì)，提高了板材利用率；桔瓣形的赤道帶結(jié)構(gòu)，正切式支柱又避開(kāi)了球殼主焊縫，使球殼應(yīng)力分布均勻，較大的上下極板使球罐的接管、人孔等易于錯(cuò)開(kāi)焊縫，整個(gè)布局顯得更加大度、美觀。焊縫總長(zhǎng)度為458 m/臺(tái)，而五帶十支柱桔瓣式球罐焊縫長(zhǎng)度約為575 m/臺(tái)，減少了近1/5的焊接工作量，也從根本上減少了焊縫或母材產(chǎn)生微裂紋的根源。

由于球罐的破裂事故絕大多數(shù)發(fā)生在焊接接頭處，縮短球殼的焊縫長(zhǎng)度是提高球罐質(zhì)量和安全可靠的關(guān)鍵措施之一。混合式結(jié)構(gòu)的球殼板互換性好，材料利用率高，焊縫長(zhǎng)度縮短，焊接工作量和焊材消耗也大大降低，因此，2 000 m3液化石油氣球罐采用三帶十支柱混合式球殼結(jié)構(gòu)。

3.2 支柱與球殼的連接型式

在支柱與球殼相連接的球殼局部區(qū)域中，受力及變形相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)力數(shù)值高、變化梯度大，是整個(gè)球罐的高應(yīng)力區(qū)。支柱與球殼相焊焊縫的最低點(diǎn)（a點(diǎn)）是重點(diǎn)應(yīng)力校核部位。GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》中規(guī)定支柱與球殼連接采用赤道正切結(jié)構(gòu)。

赤道正切結(jié)構(gòu)是由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，與球殼相切或近似結(jié)構(gòu)而成的焊接結(jié)構(gòu)。支柱支撐著球罐的重量，為承受風(fēng)載和地震力，保證球罐穩(wěn)定性，在支柱之間設(shè)置拉桿相連接。這種結(jié)構(gòu)受力均勻、彈性好，能承受熱膨脹的變形，組焊方便、施工簡(jiǎn)單、容易調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)操作和檢修也方便。

球殼支柱是用以支撐球殼及其附件和物料載荷的部件。GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》中，支柱與球殼以赤道正切連接，可采用直接連接、加托板、U形支柱和翻邊4種結(jié)構(gòu)[3]。直接連接結(jié)構(gòu)適用于特大型球罐；U形支柱結(jié)構(gòu)既避免了支柱與球殼連接部下端由于夾角小而造成的焊接困難，又保證了支柱與球殼的焊接質(zhì)量的可靠性，U形支柱由鋼板彎制而成，特別適用于低溫球罐對(duì)支柱材料的要求；支柱翻邊結(jié)構(gòu)解除了連接部位下端施焊的困難，確保了焊接質(zhì)量，對(duì)該部位的應(yīng)力狀態(tài)也有所改善，但由于翻邊工藝問(wèn)題，尚未被廣泛應(yīng)用。

在2 000 m3液化石油氣球罐設(shè)計(jì)中，上支柱采用赤道正切式的加托板結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。將支柱分為上下2段，均采用Q345R鋼板卷制。支柱與球殼連接部位下端由于夾角小、間隙狹窄，難以施焊，托板結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)難以施焊而削弱的部分，改善支撐和焊接條件，消除了焊接死角。制造工藝簡(jiǎn)單，被多數(shù)制造廠采用。

3.3 接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

球罐的接管部分是強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，許多事故都是從接管的焊接處發(fā)生的。為了提高其安全性，接管補(bǔ)強(qiáng)一般采用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)和鍛制凸緣的結(jié)構(gòu)型式。

對(duì)于人孔和直徑不小于DN100的接管采用鍛制凸緣進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，此結(jié)構(gòu)避免了補(bǔ)強(qiáng)處壁厚的突變，可大大降低應(yīng)力集中部位的峰值應(yīng)力，與球殼的連接為對(duì)接焊接接頭，便于進(jìn)行射線或超聲檢測(cè)，從而使焊接質(zhì)量得到保證。對(duì)于直徑小于DN100的接管，采用插入式厚壁管整體補(bǔ)強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省材料，但因開(kāi)孔較小，角焊縫底部清根困難，又難以進(jìn)行射線、超聲波等方法的內(nèi)部檢測(cè)，容易產(chǎn)生未焊透等缺陷[4]。

由于插入式接管焊縫是近年來(lái)球罐質(zhì)量中出現(xiàn)問(wèn)題最多的部位之一，在設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低厚壁管邊緣處的應(yīng)力集中系數(shù)，通常適當(dāng)增加接管壁厚，加大過(guò)渡圓弧半徑，并要求在坡口開(kāi)制、焊接工藝和清根方面從工藝上完全焊透。

4 制造要求

球罐是由制造廠將球殼板壓制成形，安裝單位現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接的壓力容器。球罐的組焊質(zhì)量對(duì)其運(yùn)行的可靠性和安全性影響很大。球罐在運(yùn)行中產(chǎn)生的開(kāi)裂或裂紋擴(kuò)展，往往發(fā)生在幾何尺寸超標(biāo)、錯(cuò)邊、角變形及強(qiáng)制裝配的部位或工夾具焊跡處。施工工藝不合適，焊接材料選擇不當(dāng)，施焊工藝規(guī)范控制不嚴(yán)，以及施焊順序和運(yùn)輸方法不合適，均會(huì)對(duì)焊接接頭造成缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致球罐在運(yùn)行中破裂[5]。

在建造過(guò)程中，對(duì)液化石油氣球罐進(jìn)行質(zhì)量控制是確保其安全運(yùn)行的可靠保證。因此，設(shè)計(jì)人員必須在熟知球罐所適用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，根據(jù)球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)，重點(diǎn)提出保證球罐制造質(zhì)量的要求，如鋼板檢測(cè)、焊縫要求、焊接試板要求、球罐熱處理時(shí)的要求等。這些要求不應(yīng)低于TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》以及GB 50094-2010《球形儲(chǔ)罐施工規(guī)范》等的相關(guān)規(guī)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

為保證液化石油氣球罐的安全運(yùn)行，需要從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)。設(shè)計(jì)文件是所有環(huán)節(jié)中的核心，其完整性與準(zhǔn)確性是保證球罐安全的必要條件。本文對(duì)2 000 m3液化石油氣球罐的球殼板選材、球殼型式、支柱與球殼的連接結(jié)構(gòu)、接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

［1］TSG R0004－2009，《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》.

［2］山 濤，張兆生，何秀英等.用新容規(guī)設(shè)計(jì)液化氣球罐的探討.石油與化工設(shè)備，2010，13（10）：23－31.

［3］GB12337－1998，《鋼制球形儲(chǔ)罐》.

［4］邱志堅(jiān)，王艷，支淑民等.2 000 m3丙烯球罐設(shè)計(jì)研究.石油工程建設(shè)，2009，35（4）：21－24.

［5］葉文邦，張建榮，曹文輝.壓力容器設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè).昆明：云南科技出版社，2006.