API620低壓儲罐設計

秦赟（上海眾一石化工程有限公司， 上海 200540）

API620低壓儲罐設計

秦赟（上海眾一石化工程有限公司， 上海 200540）

以API620《大型焊接低壓儲罐設計和建造》為依據(jù)，以5000m3輕石腦油低壓儲罐為例，對低壓儲罐不同于常壓儲罐在罐壁、承壓環(huán)、錨固等方面的設計做簡要介紹。

API620；低壓儲罐；罐壁；承壓環(huán)；錨固；設計

在許多情況下，為了減少低沸點儲液在儲存時的蒸發(fā)損耗，或因緊急排空等的需要，常需提高儲罐的儲存壓力。因此，需要承壓較高的儲罐結構形式。這種情況下，國內(nèi)標準GB50341《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》（設計內(nèi)壓不大于18kpa）就不在適用，而美國石油學會規(guī)定的API620標準《大型焊接低壓儲罐設計和建造》適用于設計壓力不高于0.105 MPa的鋼制焊接儲罐的設計和制造?，F(xiàn)以筆者承接的工程項目中5000m3輕石腦油低壓拱頂儲罐為例，對低壓儲罐不同于常壓儲罐在罐壁、承壓環(huán)、錨固等方面按照API620標準規(guī)范設計的要點進行簡要介紹。

1 設計說明

5000m3輕石腦油的低壓拱頂儲罐主要設計條件如表1：

表1 5000m3輕石腦油的低壓儲罐設計條件表

2 罐壁設計

2.1 分析

API620中罐壁的設計方法是自由體分析法，自由體分析是確定作用在罐體上力的大小和方向的一種設計步驟。在選定的分析平面處，罐體及罐內(nèi)介質(zhì)處于靜力平衡，假定有一個水平面在所考慮的高度橫切罐體，將剩余部分作為一個自由體進行分析，由自由體靜力平衡條件求出罐壁經(jīng)向和周向單位力的大小和方向。并根據(jù)罐體材料的許用應力、焊縫系數(shù)確定計算壁厚，再考慮厚度附加量最后圓整為罐壁的名義厚度。罐壁的設計過程如圖1。

圖1 低壓儲罐罐壁設計過程圖

2.2 計算經(jīng)向和周向單位力

根據(jù)API620，由自由體靜力平衡條件，可得殼體的經(jīng)向和周向單位力的計算公式，

式中：T1為在給定的水平面處，殼體上緯向單位弧長的經(jīng)向單位力，N/mm，正值則表示受拉；T2為在給定的水平面處，殼體上經(jīng)向單位弧長的緯向單位力，N/mm，正值則表示受拉；RC為儲罐內(nèi)半徑， RC=10500mm

P為某在特定的載荷工況下，作用在給定平面上的總壓力，單位為MPa。

P=PL+Pg

式中：PL為在給定水平面處的介質(zhì)液體的靜壓頭，單位為MPa；Pg為儲罐液面上方的氣相壓力，MPa；W為儲罐被給定平面剖分后，作為自由體部分的及其所包含物料的總重力，N。F為所有內(nèi)外部鋼結構或支承等作用在自由體的力的垂直分力的總和，當其產(chǎn)生的效果和自由體水平面上的壓力P方向相同時，F(xiàn)與P的符號相同；否則，F(xiàn)與P的符號相反；NAt為所考慮平面上儲罐內(nèi)部的橫截面積，mm2。

2.3 罐壁厚度計算

按API620，罐壁厚度為：t=T/（［σ］tφ）+C（1）

T=Max（T1，T2），對本罐而言，T2＞T1

式中：［σ］t為設計溫度下，罐壁材料純拉伸許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取0.85；C為厚度附加量，mm；壁板分為8層，以底層壁板為例：當進行充液的時候

充水試驗時

取兩者中較大值并圓整后得t=24mm。各圈壁板厚度計算結果見表2。

式中：ρ為儲液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

表2 各圈壁板厚度計算結果mm

3 罐頂--殼體連接節(jié)點及承壓環(huán)的設計

由于儲罐內(nèi)壓的作用，頂部的經(jīng)向薄膜應力的水平分量將向內(nèi)推，此推力在接頭處產(chǎn)生環(huán)向壓縮應力，并由該處的承壓結構來承擔，此承壓結構簡稱為承壓環(huán)。承壓環(huán)應包括罐頂與罐壁連接處的部分罐壁與罐頂。在任何情況下，連接處的罐壁和頂板厚度不應小于標準所規(guī)定的厚度，承壓環(huán)的承壓區(qū)域面積必須要大于承壓區(qū)域所需面積。

3.1 承壓環(huán)的承壓區(qū)域面積

本儲罐選用承壓環(huán)結構如圖2所示，構成抗壓環(huán)有效面積的板寬按下式計算：

罐壁有效部分最大寬度Wc：

Wc=0.6（Rctc）1/2對本罐，經(jīng)計算Wc=404.10mm

式中：Rc為罐壁與罐頂連接處的水平半徑，對本罐為10500mm；tc為頂部罐壁板的有效厚度，對本罐為43.2mm。

故罐壁有效截面積As=17457.08mm2

罐頂有效部分最大寬度Wh：

Wh=0.6（R2th）1/2對本罐，經(jīng)計算Wh=515.86mm

罐頂板外伸部分有效寬度如圖3，Lh=500mm

式中：R2為罐頂與罐壁連接處沿罐頂法線至罐的中心軸的距離，對本罐為16800mm；th為罐頂板的有效厚度，對本罐為44mm。

故罐頂有效截面積Ah=47234.29mm2。

罐頂與罐壁連接處實際有效截面積A=64691.37mm2

3.2 承壓區(qū)域所需面積計算（按壓力試驗工況計算）

罐頂與罐壁連接處罐頂經(jīng)向單元力T1：

T1=R2（P+ω）/2=913.30N/mm

罐頂緯向單元力T2：T2=R2（P-ω）/2=949.52N/mm

式中：ω為單位面積頂板與加強筋的重力ω=-0.00095MPa罐壁緯向單位元力T2S：T2S=pRc=1335.32N/mm，作用在通過承壓環(huán)區(qū)域垂直橫截面上的總環(huán)向力Q：Q=T2Wh+T2sWc-T1Rcsinα=-6496933.88N。

當Q為負值時，表示承壓環(huán)受壓力作用，這時有效承壓環(huán)區(qū)域的水平投影方向的徑向?qū)挾?，應不小于罐頂與罐壁連接處罐壁水平半徑的0.015倍。承壓區(qū)域所需面積Ac應取下式計算值中的較大值：Ac=Q/103.4或Q/ ［σ］tφ

式中：［σ］t為設計溫度下，承壓環(huán)材料純拉伸許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，取0.85。

承壓環(huán)垂直截面上，所需的金屬截面積（不包括腐蝕裕量）為Ac=62833.02mm2

Ac＜A，滿足罐頂與罐壁連接處所需有效截面積要求。

如果不能滿足Ac＜A，應考慮在承壓圈有效范圍內(nèi)采取如下增強措施：①在有效承壓圈范圍內(nèi)增加頂板和壁板的厚度；②在罐頂與罐壁相交處增設角鋼、扁鋼或水平設置環(huán)向加強圈；③同時采取上述兩種措施。

圖2 承壓環(huán)結構示意圖

4 錨固的設計

對立式圓筒形鋼制焊接低壓儲罐，由罐內(nèi)壓和風載荷或地震載荷組合作用產(chǎn)生的升力不得超過罐壁和罐頂（不包括腐蝕裕量）以及由其支撐的構件的重力之和。否則，應設置錨固或采取其他的平衡升力的措施。實際上，判斷是否設置錨固，由設計內(nèi)壓產(chǎn)生的升舉力、風彎矩地震彎矩產(chǎn)生的傾覆力、儲液對罐頂?shù)撵o壓產(chǎn)生的升舉力三個因素決定。

4.1 錨固計算及校核

在設計錨固時，舉升力應取1.25倍設計內(nèi)壓再加上作用在罐壁和罐頂垂直平面內(nèi)的風載荷；如果存在有地震載荷，升舉力應取設計內(nèi)壓加上地震載荷。風載荷、地震載荷不應同時考慮。錨栓應符合表3要求：

表3 錨栓及其許用應力

①內(nèi)壓產(chǎn)生的升力F=πD2pg/4=22859798N，罐頂、罐壁及其所支撐構件總重G=232473N。因F＞G，故應設置錨栓。采用72個的M72錨栓（錨栓的腐蝕裕量為6mm），材料為16Mn。每個錨栓截面積f=2781mm2，故每個錨栓的應力（F-G）/（nf）=113MPa小于錨栓材料的許用應力 Sts=170MPa，錨栓校核合格。

② 設計壓力與風載荷產(chǎn)生的凈提升力為29218553.71N，設計壓力與地震載荷產(chǎn)生的凈提升力為31714511.35N，取兩者中的大值，應是設計壓力加地震載荷作為舉升力源，計算得，每個錨栓的應力為119 MPa ＜ 1.33 Sts =226 MPa，錨栓校核合格。

③儲罐試驗壓力產(chǎn)生的凈提升力為36020333N，計算得，每個錨栓的應力為142MPa ＜ 1.33 Sts =226 MPa，錨栓校核合格。

4.2 錨栓座結構

由于本儲罐罐徑罐高較大，升力較大因而作用于罐壁底部錨栓座的力矩較大。采用結構如圖3.

5 結語

低壓儲罐設計與常壓儲罐相比，關鍵在于罐壁、罐頂承壓環(huán)和錨栓的設計。設計低壓儲罐罐壁厚度時，可通過罐體自由體分析計算罐壁經(jīng)向、周向單位內(nèi)力，進而通過公式計算確定罐壁厚度。承壓環(huán)的設計主要是通過計算總環(huán)向力，確定所需的承壓區(qū)域面積，選擇推薦的承壓環(huán)結構，然后計算所選結構的承壓區(qū)域面積，使其大于所需的面積。設計錨栓結構時，應根據(jù)外界載荷確定升舉力，判斷是否大于罐頂、罐壁及其所支撐的構件的總重，確定是否設置錨栓裝置。

［1］SY/T0608-2006，大型焊接低壓儲罐的設計與建造.［2］API Std620-2002，大型焊接低壓儲罐設計與建造［S］.［3］徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲罐［M］.北京：化學工業(yè)出版社， 2005.

圖3 錨栓結構圖

秦赟（1973- ），女，工程師，從事化工設備設計工作。