輕油球罐的安全設(shè)計(jì)評定

羅紅梅 高慶春 令成君 白光野

(1. 北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司；2. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司)

輕油球罐的安全設(shè)計(jì)評定

羅紅梅*1高慶春1令成君1白光野2

(1. 北京迪威爾石油天然氣技術(shù)開發(fā)有限公司；2. 中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司華北分公司)

以某采油廠天然氣處理站改擴(kuò)建工程輕油球罐的設(shè)計(jì)為例，從減少焊縫長度、方便鋼板的供貨尺寸、滿足球殼板的整體剛度及保障球罐安全運(yùn)營等角度出發(fā)，采用了一種有別于其他文獻(xiàn)中所規(guī)定的新的球殼型式，確定了球殼的分帶數(shù)和各帶球殼的分瓣數(shù)。針對這種新結(jié)構(gòu)型式下球殼板的具體幾何關(guān)系，總結(jié)、提煉出各球殼板幾何尺寸的計(jì)算公式；進(jìn)一步結(jié)合具體參數(shù)，計(jì)算得出各幾何尺寸的數(shù)值。將計(jì)算結(jié)果與其他文獻(xiàn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了新的球殼結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)越性。

球形儲(chǔ)罐 安全可靠 球殼板 分帶

與臥式容器相比，球形儲(chǔ)罐(以下簡稱球罐)具有良好的耐壓性能，因具有使用方便、占地少、耗鋼量少，再加上基礎(chǔ)簡單、受風(fēng)面小、外觀漂亮及可美化工程環(huán)境等因素，在許多工業(yè)領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

筆者結(jié)合某油田采油廠天然氣處理站改擴(kuò)建工程輕油球罐的具體設(shè)計(jì)過程，論述了球罐設(shè)計(jì)過程中的幾個(gè)主要問題和注意事項(xiàng)，著重分析論述了球罐結(jié)構(gòu)型式即球殼分帶數(shù)和各帶分瓣數(shù)的確定方法，分析推導(dǎo)出該型式球罐的球殼板幾何尺寸。并從工廠制造、供貨和運(yùn)輸方面驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)型式的可行性。

1 基本設(shè)計(jì)概述

1.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)

某油田采油廠天然氣處理站改擴(kuò)建工程兩座輕油球罐，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：公稱容積200m3；設(shè)計(jì)壓力0.6MPa；設(shè)計(jì)溫度70℃；地震設(shè)防烈度8度；基本風(fēng)壓600Pa；基本雪壓500Pa；場地土類型III類；充裝系數(shù)0.9；球罐無保溫，為Ⅱ類容器[1]。球罐盛裝介質(zhì)為輕油，按輕微腐蝕考慮，均勻腐蝕速率不超過0.13mm/a，設(shè)計(jì)壽命按15年考慮，故該球罐的腐蝕裕量定為2.0mm。

1.2強(qiáng)度計(jì)算與選材

1.2.1強(qiáng)度計(jì)算

球罐與其他壓力容器相同，有兩種設(shè)計(jì)方法，一種是規(guī)則設(shè)計(jì)，另一種是分析設(shè)計(jì)。規(guī)則設(shè)計(jì)以彈性失效為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；分析設(shè)計(jì)以塑性失效和疲勞失效為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該球罐儲(chǔ)存介質(zhì)為輕油，儲(chǔ)存壓力變化小，各部件的內(nèi)應(yīng)力改變也小，不存在循環(huán)載荷，因此采用規(guī)則設(shè)計(jì)方法。球罐的主體尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)執(zhí)行GB 12337標(biāo)準(zhǔn)，以保證球罐的安全使用[2]。

設(shè)pc為計(jì)算壓力，即設(shè)計(jì)壓力與液柱靜壓力之和。其中，液柱靜壓力是球罐設(shè)計(jì)壓力中的重要部分，不可忽略，計(jì)算液柱靜壓力所需液位高度可根據(jù)球罐的充裝系數(shù)通過求解三元一次方程得出。當(dāng)pc≤0.6[σ]tφ時(shí)，設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算厚度按文獻(xiàn)[2，3]中的公式計(jì)算。其中，球罐的對接焊接接頭為雙面焊全焊透對接接頭，并應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測，取焊接接頭系數(shù)φ=1[2，3]。

1.2.2主要材料的選擇

關(guān)于球罐的鋼材選用，GB 12337中作了相關(guān)規(guī)定，考慮鋼材的強(qiáng)度、價(jià)格、供貨情況及焊接性能等因素，Q345R、16MnDR和07MnCrMoVR逐漸成為球罐制造的主要用鋼。針對該工程的設(shè)計(jì)條件，綜合考慮球罐剛度、穩(wěn)定性等各種因素，采用Q345R鋼板的厚度為12mm，能滿足GB 12337中規(guī)定的不必進(jìn)行焊后整體熱處理的要求。從使用經(jīng)驗(yàn)來看，Q345R鋼是國內(nèi)較成熟的壓力容器用鋼，其焊接性能、韌性及耐雜質(zhì)應(yīng)力腐蝕等方面均具有較強(qiáng)的特性；而且較易滿足加工、生產(chǎn)及運(yùn)行等工藝要求，價(jià)格便宜。故最后選用了Q345R鋼板作為殼體的主要材料。

1.2.3支柱結(jié)構(gòu)的選用

支柱采用U型板結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：沒有尖角焊縫，極大地改善了支柱與球殼連接最低點(diǎn)的受力狀況，焊縫長度可在較大范圍內(nèi)加長，以改善焊縫的受力狀態(tài)，便于上支柱的加工和焊接[4]。支柱用赤道正切式，支柱中心圓直徑等于球殼內(nèi)直徑，6根支柱為φ219mm×8mm無縫鋼管。支柱分上下兩段制造，上段長度不小于總長度的1/3，選用與球殼板相同的材料。為防止受到火焰烘烤時(shí)支柱內(nèi)部氣體壓力升高，在每根支柱下部設(shè)置一個(gè)易熔塞，易熔塞由75℃易熔合金制造，當(dāng)溫度高于75℃時(shí)，易熔塞融化，對支柱起到泄壓保護(hù)的作用。拉桿與支柱連接形式為相鄰連接，拉桿采用可調(diào)式結(jié)構(gòu)。

另外，該輕油球罐的其余內(nèi)容執(zhí)行GB 150、GB 12337、JB 4732和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定；制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收執(zhí)行GB 50094中的有關(guān)規(guī)定；并接受《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的監(jiān)督，論文對此不再贅述。以下著重對該球罐球殼板結(jié)構(gòu)型式的確定進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 球殼結(jié)構(gòu)型式的確定

球罐的球體通常由各種球殼板組成，球罐的設(shè)計(jì)中除了必要的強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算、支柱和開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算外，球殼板的形狀和大小的確定也是重要部分。對于球罐的結(jié)構(gòu)型式來說，單位容積的平均焊縫長度越短，焊縫總長度也越短，結(jié)構(gòu)就越先進(jìn)。焊縫的減少不僅能減少焊接、無損檢測等工作量，縮短工期，而且還能提高球罐的安全性和可靠性。在確定球罐結(jié)構(gòu)型式時(shí)，不僅要考慮焊縫的長度、鋼板的供貨尺寸，而且還要滿足球殼板的整體剛度，因球殼板的長寬比過大時(shí)，就會(huì)使剛性降低，難以保證質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)上應(yīng)對球殼板的長寬比加以限制。同時(shí)還應(yīng)簡化材料的規(guī)格。因此，球殼板總的塊數(shù)要少、結(jié)構(gòu)尺寸要相近、寬度要大致相等、互換性好，以減少焊接、無損檢測等工序的工作量，加快施工進(jìn)度，節(jié)省資金。

2.1球殼分帶數(shù)和各帶分瓣數(shù)的確定

文獻(xiàn)[5]中規(guī)定200m3球罐采用四帶桔瓣式球殼，其基本參數(shù)如下：

公稱容積 200m3

球殼內(nèi)直徑Di7 100mm

幾何容積 187m3

支柱底板底面至球殼中心的距離 5 200mm

球殼分帶數(shù) 4

支柱根數(shù) 6

各(帶)球心角 上極60°、上溫帶55°、赤道帶65°、下極60°

各帶分瓣數(shù) 上極3、上溫帶12、赤道帶12、下極3

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的計(jì)算公式，可以計(jì)算出這種結(jié)構(gòu)型式的球罐的焊縫總長約為148m。

根據(jù)以上球罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，筆者提出了一種新的200m3球罐的結(jié)構(gòu)型式，該球罐的球殼分帶和各帶球殼分瓣情況如圖1所示。其基本參數(shù)相比文獻(xiàn)[5]中規(guī)定的球罐有以下不同(公稱容積、球殼內(nèi)直徑、幾何容積、支柱底板底面至球殼中心的距離均相同)：

圖1 球罐的球殼分帶和各帶球殼分瓣情況

球殼分帶數(shù) 3

支柱根數(shù) 6

各(帶)球心角 上極90°、赤道帶90°、下極90°

各帶分瓣數(shù) 上極3、赤道帶12、下極3

2.2球殼板幾何尺寸計(jì)算

赤道板、極中板和極邊板的示意圖如圖2～4所示。關(guān)于球殼板幾何尺寸的計(jì)算，許多文獻(xiàn)中都有大量的介紹[5，6]，但這些文獻(xiàn)中的計(jì)算公式比較繁瑣、復(fù)雜，具有較強(qiáng)的概括性和普遍性，沒有針對圖1所示這種新結(jié)構(gòu)型式的球殼板尺寸計(jì)算公式。通過對相關(guān)文獻(xiàn)中球殼板幾何尺寸公式的學(xué)習(xí)和消化吸收，并結(jié)合此次設(shè)計(jì)的具體幾何關(guān)系總結(jié)提煉出了適用于該結(jié)構(gòu)型式的200m3球罐球殼板尺寸計(jì)算公式。

圖2 赤道板

圖3 極中板

圖4 極邊板

設(shè)Ri為球殼的內(nèi)半徑，N為赤道帶分瓣數(shù)，那么Ri=Di/2=3550mm，α=360°/N=30°。各帶球殼板的幾何尺寸可按公式計(jì)算。

綜上，本球罐采用三帶六支柱桔瓣式排板方式。赤道帶分為12瓣，瓣片寬度方向球心夾角為30°；兩極帶球心夾角為90°，極中板球心角為36°，極邊板的球心角為27°。焊縫總長度約為120m，相比文獻(xiàn)[5]中推薦的四帶結(jié)構(gòu)球罐，焊縫總長減少了約29m(約20%)。

2.3鋼板供貨運(yùn)輸情況分析

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，赤道板所需鋼板尺寸為1858.78mm×5576.33mm，鋼板數(shù)量為12塊；極中板所需鋼板尺寸為2230.53mm×5576.33mm，鋼板數(shù)量為兩塊；極邊板所需鋼板尺寸為1672.9mm×4748.06mm，鋼板數(shù)量為4塊；球殼板的總數(shù)為18塊。該結(jié)構(gòu)型式的球罐僅需3種規(guī)格的鋼板，最大鋼板尺寸為極中板所需鋼板尺寸，鋼板訂貨時(shí)選擇2.4m×6.0m尺寸的鋼板即能滿足要求。在工廠制造、供貨和運(yùn)輸方面具有較強(qiáng)的可操作性。

綜上，這種分帶方式的優(yōu)點(diǎn)是：球殼板的寬度大、塊數(shù)少；球殼板的長寬比最大值約為3.0(赤道板的長寬比)，剛度適宜；組裝、焊接和檢查的工作量少；球殼板規(guī)格較少(3種)，具有較強(qiáng)的互換性，材料利用率高；同時(shí)也能較好地滿足鋼板加工、供貨與運(yùn)輸要求。

3 結(jié)束語

球罐強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論的正確選擇、強(qiáng)度公式的正確運(yùn)用、材料的合理選用可以確保球罐的安全運(yùn)行；球殼板結(jié)構(gòu)型式的合理設(shè)計(jì)可以提高球罐用鋼材的利用率，減少焊縫和加工安裝以及焊縫檢測的工作量，降低建罐成本，并提高球罐的安全性和可靠性。

[1] TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：新華出版社，2010.

[2] GB 12337-2014，鋼制球形儲(chǔ)罐[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[3] GB 150.1～150.4-2011，壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[4] 李芳升，呂成，梁建新，等.5000m3天然氣球形儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)[J].燃料與化工，2002，33(4)：193～195.

[5] 徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲(chǔ)罐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：22～36.

SafetyDesignAssessmentofLightOilSphericalTank

LUO Hong-mei1, GAO Qing-chun1, LING Cheng-jun1, BAI Guang-ye2

(1.DWELLCompanyLimited,Beijing100083,China; 2.NorthChinaCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Renqiu062552,China)

Through having the design of light oil spherical tank in a gas processing station taken as an example, and starting with reducing the weld length, facilitating steel supply and ensuring overall stiffness of the shell plates as well as protecting the safe operation of spherical tank, a special spherical shell was adopted and its zonings and plate numbers of each zone were determined. Considering the geometrical relationship of this new shell’s plates, their calculation formula was extracted and their dimensional values were calculated and compared with the corresponding data listed in other documents to verify the superiority of this new type of shell structure. The results provide the experience for designing spherical tanks of the same kind.

spherical tank, safety and reliability, shell plate, zoning

*羅紅梅，女，1981年11月生，工程師。北京市，100083。

TQ053.2

A

0254-6094(2016)06-0736-04

2016-02-14，

2016-10-08)