淺談十萬立方米浮頂油罐設(shè)計

張雪銘

浙江省天正設(shè)計工程有限公司杭州310012

淺談十萬立方米浮頂油罐設(shè)計

張雪銘*

浙江省天正設(shè)計工程有限公司杭州310012

闡述十萬立方米浮頂油罐選材、罐壁設(shè)計、浮頂設(shè)計、抗風圈設(shè)計、加強圈設(shè)計、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計和浮頂排水系統(tǒng)設(shè)計，并對油罐調(diào)研、設(shè)計、制造和安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行探討，為今后十萬立方米浮頂油罐的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

浮頂油罐材料設(shè)計結(jié)構(gòu)

大型化是石油儲罐發(fā)展的必然趨勢，隨著大型油罐的建設(shè)，油罐設(shè)計技術(shù)已得到了突飛猛進的發(fā)展。材料是決定儲罐大型化發(fā)展的關(guān)鍵因素，十萬立方米浮頂油罐罐體材料采用國產(chǎn)高強度鋼板12MnNiVR或08MnNiVR，避免了底圈罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題。通過對十萬立方米浮頂油罐的設(shè)計研究，提出了詳細的設(shè)計方案，并對油罐調(diào)研、設(shè)計、制造和安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行探討。

1 油罐概況

通過對大型油罐建造工程的比較，采用大容量油罐具有節(jié)省鋼材、減小占地面積、便于操作管理、減少油罐附件和節(jié)省罐區(qū)投資等優(yōu)點［1］。根據(jù)國家發(fā)展戰(zhàn)略儲備庫的需求，油罐的大型化已成為發(fā)展趨勢。國內(nèi)已成功掌握了十萬立方米大型浮頂油罐設(shè)計建造技術(shù)(包括生產(chǎn)國產(chǎn)高強度鋼材、油罐設(shè)計、施工及成熟的使用經(jīng)驗)。

2 油罐材料

早期十萬立方米油罐用材料主要采用日本壓力容器用鋼SPV490Q高強度調(diào)制鋼板［2］。目前，國產(chǎn)的高強度鋼已成功用于十萬立方米儲罐建造中，廣泛采用的國產(chǎn)高強度鋼有武漢鋼鐵(集團)公司、舞陽鋼鐵公司等單位研制的12MnNiVR和寶鋼集團研制的08MnNiVR，其屈服強度已達到490MPa。該材料不但強度高、韌性好、碳當量低、焊接性能好，而且能夠適用于大線能量焊接。對于強度級別更高的材料，在國內(nèi)外油罐建造上很少使用，主要原因為:①材料的可焊接性降低;②材料的屈強比增大，不能有效地利用材料性能;③焊接材料的匹配問題很難解決;④加劇底圈罐壁與罐底邊緣板連接處(即大角焊縫)的變形不協(xié)調(diào)問題，降低油罐的安全性。因此，目前國內(nèi)10萬立方米大型油罐中由強度決定的罐壁部分均采用高強度鋼板12MnNiVR或08MnNiVR，由剛度決定的罐壁部分采用Q235B鋼板，其過渡部分采用Q345R鋼板，不但解決了底圈罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題，而且解決了從高強度鋼板到Q235B的焊接過渡問題。

3 油罐設(shè)計

3.1 罐壁設(shè)計

為提高材料利用率、平緩罐壁應(yīng)力分布和提高油罐安全性，目前十萬立方米浮頂油罐罐壁設(shè)計中采用最廣泛的是美國石油學(xué)會標準API650中的變設(shè)計點法，計算液位高度為儲液高度。隨著油罐的大型化，底部幾圈罐壁間以及底圈罐壁與環(huán)形邊緣板聯(lián)接處應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜，因此還應(yīng)通過應(yīng)力分析方法對油罐內(nèi)外表面、邊緣板與底圈罐壁內(nèi)外角環(huán)焊縫等處進行詳細的應(yīng)力分析設(shè)計以保證油罐的安全性［4］。12MnNiVR和08MnNiVR在設(shè)計條件下壁板的許用應(yīng)力為244MPa，水壓試驗下壁板的許用應(yīng)力為261MPa。

3.2 浮頂設(shè)計

浮頂?shù)男褪街饕譃閱伪P式和雙盤式兩種。單盤式浮頂優(yōu)點:鋼材耗量少，造價低，抗不均勻外載的能力強，易于發(fā)現(xiàn)浮頂漏油事故;缺點:單盤板易產(chǎn)生不均勻變形，盤板整體平整度很難控制，局部變形后易集水產(chǎn)生腐蝕和浮頂偏沉事故，隔熱效果差。雙盤式浮頂優(yōu)點:頂板與底板之間的空氣層起到較好的隔熱作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，頂板變形小，有利于排水;缺點:鋼材耗量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，抗不均勻外載的能力弱。因此，浮頂型式的選擇應(yīng)綜合考慮建罐地區(qū)的地理位置、腐蝕狀況、操作工況、業(yè)主要求等多方面因素。

十萬立方米單盤油罐浮頂結(jié)構(gòu)主要是由單盤和環(huán)形浮艙兩部分組成。為防止在風載荷作用下單盤的疲勞破壞，控制單盤板的變形，在單盤板下表面設(shè)置了徑向和環(huán)向加強筋;為增加浮頂?shù)目钩列裕刂茊伪P板的變形，在單盤中央設(shè)置了中央浮艙;單盤上還設(shè)置了呼吸閥和緊急排水裝置等安全附件。

浮頂設(shè)計準則按GB 50341-2003中第8章的規(guī)定:①當單盤式浮頂?shù)娜我鈨蓚€船艙及單盤同時泄漏、雙盤式浮頂?shù)娜魏蝺纱撏瑫r泄漏時，浮頂不沉沒;②當排水管失效，浮頂上積存250mm降水量時，浮頂不沉沒;③在正常操作條件下，單盤與儲液之間不應(yīng)存有油氣空間，同時單盤應(yīng)有利于排水;④在滿足以上各條件下，浮頂應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的完整性，不發(fā)生強度或穩(wěn)定性破壞。

3.3 抗風圈設(shè)計

API650標準規(guī)定當儲罐直徑大于60m且征得買方和制造商同意的情況下，可以按60m直徑計算抗風圈截面模數(shù)。目前十萬立方米浮頂油罐抗風圈設(shè)計中，抗風圈所需的最小截面模數(shù)按直徑60m計算。當計算所需的抗風圈最小截面模數(shù)較大，只設(shè)一道抗風圈顯得有些困難或不經(jīng)濟時，抗風圈可以分為兩道及兩道以上安裝，但相鄰兩道抗風圈之間的高度間距必須在有效距離范圍之內(nèi)。每道抗風圈的實際最小截面模數(shù)應(yīng)大于計算所需的最小截面模數(shù)與抗風圈道數(shù)的比值，且相鄰兩道抗風圈之間的高度間距不宜大于2m，每道抗風圈的最大寬度不宜超過1.2m。

3.4 加強圈設(shè)計

按照GB 50341-2003標準要求進行加強圈設(shè)計。當設(shè)置了第二道或第三道抗風圈以后，進行加強圈設(shè)計時，應(yīng)以第二道或第三道抗風圈為基準，逐步向下核算罐壁高度，以確定加強圈的數(shù)量、規(guī)格及位置。

3.5 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

浮頂與罐壁之間的環(huán)形空間主要依靠邊緣密封裝置來保證油罐的嚴密性。廣泛使用的密封裝置由一次密封和二次密封組成。一次密封常用的形式主要有機械密封、管式密封、彈性材料密封。目前，十萬立方米浮頂油罐一次密封多采用彈性材料密封，該密封結(jié)構(gòu)利用泡沫材料的彈性力對罐壁產(chǎn)生均勻的密封力，環(huán)形間隙適應(yīng)性好;二次密封具有擋雨板和密封雙重功能。實際上原油浮頂儲罐在長期生產(chǎn)運行中，罐壁、浮頂變形和一次密封的局部磨損以及建罐地區(qū)較高的平均風速等諸多因素，都會加劇油氣損耗，所以應(yīng)該選擇合適的一次密封和二次密封組合。

3.6 浮頂排水系統(tǒng)設(shè)計

目前常用的浮頂排水系統(tǒng)有剛性回轉(zhuǎn)接頭排水系統(tǒng)、剛性管+柔性接頭排水系統(tǒng)(樞軸式)和全柔性排水系統(tǒng)(柔性軟管)三種形式。這三種形式的排水系統(tǒng)都得到了廣泛應(yīng)用，基本上都能滿足浮頂排水的要求。根據(jù)多年的使用經(jīng)驗，2000年后的十萬立方米浮頂油罐的浮頂排水系統(tǒng)多采用全柔性排水系統(tǒng)。柔性軟管具有以下優(yōu)點:不受浮盤側(cè)向作用力影響、連接接頭少、滲漏點少、安裝和更換方便。

柔性軟管排水系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮以下三點:①兩根軟管分別為左旋和右旋，不會發(fā)生相互干擾;②軟管應(yīng)進行合理的配重設(shè)計，保證軟管懸垂，確保軟管不會受到液流的作用而飄蕩。③應(yīng)在距離軟管較近的位置安裝支柱保護架，以保證浮盤升降過程中軟管不會與浮盤支柱發(fā)生碰撞而被支柱扎破。

4 問題探討

(1)前些年設(shè)計的十萬立方米原油儲罐浮盤一次密封形式大多采用進口的機械密封結(jié)構(gòu)。但從發(fā)生的幾起雷擊著火事故來看，機械密封由于結(jié)構(gòu)和制造材料等原因，發(fā)生雷擊的幾率高，故采用機械密封嚴重影響了儲罐的安全性能。目前新設(shè)計的十萬立方米油罐，機械密封形式已很少采用。

(2)為了降低一、二次密封環(huán)形空腔內(nèi)的油氣濃度，可設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)以增加氮氣稀釋功能，使一、二次密封環(huán)形空腔內(nèi)的油氣濃度達不到爆炸下限。

(3)全柔性排水系統(tǒng)(柔性軟管)應(yīng)選用有實際使用經(jīng)驗廠家的產(chǎn)品。業(yè)主若考慮價格等因素而選擇缺少實際使用經(jīng)驗的生產(chǎn)廠家，柔性軟管可能在試驗過程中空間運動軌跡不確定，導(dǎo)致軟管褶皺，造成時間和費用的浪費。因此，建議選擇有長期成功實際使用經(jīng)驗廠家的產(chǎn)品。

(4)浮頂支柱布置應(yīng)均勻，浮頂支柱之間的距離不宜超過6m，設(shè)計時根據(jù)柔性軟管廠家的安裝要求調(diào)整軟管附近的支柱位置。

(5)要求安裝、施工單位嚴格按照設(shè)計要求，對高強度鋼材的力學(xué)性能、化學(xué)性能進行材料復(fù)驗。

5 結(jié)語

材料是決定儲罐大型化發(fā)展的關(guān)鍵因素。十萬立方米浮頂油罐罐體材料采用國產(chǎn)高強度鋼板12MnNiVR或08MnNiVR，避免了底圈罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題。

就十萬立方米浮頂油罐調(diào)研、設(shè)計、制造和安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行的深入探討及提出的合理建議，為今后設(shè)計提供指導(dǎo)。

1徐英，楊一凡，朱萍等.球形和大型儲罐［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

2傅偉慶，武銅柱，許莉.大型浮頂油罐技術(shù)發(fā)展［J］.化工設(shè)備與管道，2013，50(4):1-5.

3API 650，鋼制焊接油罐［S］.

4GB 50737-2011，石油儲備庫設(shè)計規(guī)范［S］.

5GB 50341-2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范［S］.

2014-04-01)

*張雪銘:高級工程師。1984年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系。長期從事化工工程設(shè)計和工程管理工作。聯(lián)系電話:(0571)88362896，E-mail:zxm@zpcdi.com。