1萬(wàn)m3低溫液氨雙壁儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

張毓科

（天津渤海化工集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，天津 300450）

經(jīng)驗(yàn)交流

1萬(wàn)m3低溫液氨雙壁儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)

張毓科

（天津渤海化工集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，天津 300450）

對(duì)1萬(wàn)m3大型低溫液氨雙壁儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、接管結(jié)構(gòu)、保冷結(jié)構(gòu)及安全泄放裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，為低溫液化氣體的大型低壓雙壁罐的設(shè)計(jì)提供參考，為相關(guān)設(shè)計(jì)和建造的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范提供補(bǔ)充。

低溫液氨雙壁儲(chǔ)罐；結(jié)構(gòu)形式；保冷；接管結(jié)構(gòu)；安全泄放裝置

實(shí)聯(lián)化工100萬(wàn)t／a聯(lián)堿工程配套的40萬(wàn)t／a合成裝置采用卡薩利技術(shù)，為滿足使用要求，系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)有效容積為1萬(wàn)m3低溫液氨雙壁儲(chǔ)罐，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 1萬(wàn)m3低溫液氨雙壁儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

70年代后期，大型雙壁金屬低溫儲(chǔ)罐由于具有常壓儲(chǔ)存、制造成本低、便于大型化、相對(duì)占地面積小、操作簡(jiǎn)單及運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，被廣泛用來(lái)儲(chǔ)存液氨、液化石油氣、乙烯等低溫液體。本罐結(jié)構(gòu)由內(nèi)罐、外罐、中間保冷材料、安全泄放裝置及測(cè)量分析儀表等部分組成，內(nèi)罐與外罐各自獨(dú)立，內(nèi)罐與外罐之間設(shè)有保冷結(jié)構(gòu)并充有低壓氮?dú)獗Ｗo(hù)。

設(shè)計(jì)和建造的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范：按照SY／T 0608－2006《大型焊接低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造》、API標(biāo)準(zhǔn)2008年2月第十一版《大型焊接低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造》及SH／T 3537－2009《立式圓筒形低溫儲(chǔ)罐施工技術(shù)規(guī)程》，進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造。上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫儲(chǔ)罐的選材、主要元件的強(qiáng)度計(jì)算做了規(guī)定，對(duì)結(jié)構(gòu)、建造等僅給出了最基本的規(guī)定，對(duì)設(shè)計(jì)、建造這類低溫儲(chǔ)罐所需的其它要求，如保冷、接管結(jié)構(gòu)等問(wèn)題并沒(méi)有做出規(guī)定，這也是設(shè)計(jì)、建造低溫雙壁罐所必須要解決的問(wèn)題。

1 保冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型低溫儲(chǔ)罐保冷分罐底保冷、內(nèi)罐體保冷、罐頂保冷。處理不好造成冷量散失大，使得冰機(jī)負(fù)荷增加，必將直接影響運(yùn)行中能耗，這也是大型低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)、建造應(yīng)該解決的問(wèn)題。

1.1 罐底保冷

內(nèi)罐底保冷結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。包括兩部分：一是罐底邊緣板下的保冷支撐圈梁，這部分要求有較高的抗壓強(qiáng)度及較低的導(dǎo)熱系數(shù)。目前大多采用珍珠巖混凝土制成圈梁或木塊組合成圈梁。另一部分是罐底中幅板下的保冷層，要求有一定的強(qiáng)度并滿足保冷需要。

圖1 保冷結(jié)構(gòu)圖

考慮到本罐所處環(huán)境，外部圈梁用珍珠巖混凝土制作，珍珠巖混凝土的強(qiáng)度與其導(dǎo)熱系數(shù)有密切的關(guān)系，強(qiáng)度越高則導(dǎo)熱系數(shù)也越高，另外其強(qiáng)度還與混凝土含水量有關(guān)，根據(jù)API620要求，圈梁采用GB1344標(biāo)準(zhǔn)號(hào)525的水泥與導(dǎo)熱系數(shù)≤0.1kJ／h ·m2℃、密度為80～120kg／m3、含水量≤0.5%（不含任何有機(jī)物）的珍珠巖制成，參考配比按m（水泥）∶m（珍珠巖）≈1∶6，設(shè)計(jì)要求施工單位應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定具體配方比例，要求性能保證：抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa、空氣干燥后導(dǎo)熱系數(shù)≤0.5kJ／h· m2℃。

內(nèi)罐底中幅下保冷結(jié)構(gòu)主要受液體靜壓力及罐內(nèi)氣體壓力的影響，選用ZE800高性能閉孔泡沫玻璃磚（符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)），抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.56kJ／h·m2℃、吸水率≤0.5%（體積），底層鋪以δ＝3mm的SBS彈性瀝青氈，隔氣隔潮，使泡沫玻璃磚承載均勻。

1.2 罐壁保冷

根據(jù)本罐的使用工況，使用溫度不是深冷且操作過(guò)程中溫度變化不大，內(nèi)罐側(cè)壁先包覆δ＝75 mm的玻璃棉（帶鋁箔），再充填珠光砂，工況下通以低壓氮?dú)獗Ｗo(hù)，防止空氣的進(jìn)入。

1.3 罐頂保冷

內(nèi)罐頂為平吊頂結(jié)構(gòu)，包覆兩層δ＝150mm的玻璃棉（帶鋁箔），并附加一些其它措施即可滿足保冷需要。

2 內(nèi)、外罐接管結(jié)構(gòu)

內(nèi)、外罐壁接管結(jié)構(gòu)主要考慮內(nèi)罐與外罐的不均勻沉降，內(nèi)罐與外罐溫差變化而造成接管在垂直方向及水平方向的位移，本罐采用圖2結(jié)構(gòu)，可以有效的解決罐壁及接管的局部應(yīng)力增大問(wèn)題，波形膨脹節(jié)采用通用型結(jié)構(gòu)，并考慮垂直方向及水平方向的補(bǔ)償量。

圖2 罐壁接管結(jié)構(gòu)圖

3 安全泄放裝置的選用

3.1 設(shè)置安全泄放裝置的必要性

由于種種原因，儲(chǔ)罐在使用時(shí)存在超壓的可能。為了確保儲(chǔ)罐安全可靠地運(yùn)行，設(shè)計(jì)上應(yīng)采取防范措施，避免發(fā)生超壓，且一旦發(fā)生超壓能自動(dòng)、迅速泄壓，因此儲(chǔ)罐必須設(shè)置安全泄放裝置。本儲(chǔ)罐安全泄放裝置選擇主要考慮如下因素：操作及保冷損壞等原因引起罐內(nèi)溫度升高導(dǎo)致壓力升高；由于本罐的儲(chǔ)存容量為1萬(wàn)m3，容量及熱容量都很大，進(jìn)出料造成的壓力波動(dòng)可以忽略不計(jì)；容量及熱容量都很大，發(fā)生超壓時(shí)速度比較平穩(wěn)；儲(chǔ)罐采用弱頂結(jié)構(gòu)。

因此內(nèi)罐采用2個(gè)DN200的先導(dǎo)式安全閥，外罐采用2個(gè)緊急放空閥。

3.2 先導(dǎo)式安全閥工作原理及特點(diǎn)

1）工作原理

大型低溫液體儲(chǔ)罐宜采用先導(dǎo)式低壓安全閥，它由導(dǎo)閥控制主閥，導(dǎo)閥采用的薄膜面積較大，在很低的工作壓力下仍然具有足夠的作用力，從而控制主閥動(dòng)作。

2）結(jié)構(gòu)特性

①安全閥回座壓力大。安全閥的關(guān)閉程度主要受閥的關(guān)閉力影響，先導(dǎo)式安全閥前壓力越高，閥門關(guān)閉越嚴(yán)密。而普通彈簧式安全閥恰恰相反，閥前壓力越接近設(shè)定壓力，閥門關(guān)閉壓力越小，越容易泄露。

②密封性能好。先導(dǎo)式安全閥大多采用軟密封，密封性能良好。而普通彈簧式安全閥大多采用的是硬密封，受材料硬度、機(jī)械加工精度、安裝誤差等影響較大，密封性能相對(duì)較差。

③啟前泄漏量少。當(dāng)先導(dǎo)式安全閥在閥前壓力達(dá)到設(shè)置壓力前，開(kāi)始泄露較晚并且泄露量較少，而閥前壓力降到設(shè)定壓力以下時(shí)，又較早關(guān)閉，從而減少了泄露及過(guò)量排放。

④工作特性不受背壓影響。它可以承受較高的背壓而不影響泄壓系統(tǒng)工作，給泄壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了較大余地，同時(shí)使泄壓系統(tǒng)的運(yùn)行有較高的可靠性。

⑤入口取壓準(zhǔn)確。它的導(dǎo)壓管可以加長(zhǎng)，可以直接接在壓力源或管道上取壓。這樣既可以直接檢測(cè)被保護(hù)系統(tǒng)實(shí)際壓力，又不受安全閥入口管道壓降過(guò)大的影響而使安全閥工作失常。

⑥先導(dǎo)式安全閥還可以配上各種附件改變它的特性，如防止背壓回流、導(dǎo)閥取壓過(guò)濾、手控泄放、遙控泄放等。

鑒于先導(dǎo)式安全閥的上述特點(diǎn)，大型低溫液體儲(chǔ)罐上選用該閥能夠滿足使用需要，也是安全可靠的。

3.3 先導(dǎo)式安全閥泄放量的計(jì)算

安全閥安全泄放量主要考慮以下幾個(gè)方面的因素：

①儲(chǔ)罐向外輸送液體時(shí)，造成儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降低，需要吸入氣體，保證儲(chǔ)罐內(nèi)不產(chǎn)生負(fù)壓。

②向儲(chǔ)罐內(nèi)輸送液體時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高，需要排出氣體，保持儲(chǔ)罐壓力平衡。

③氣候等因素引起儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)蒸汽壓升高或降低，造成呼出或吸入氣體，保持儲(chǔ)罐壓力平衡。

以上①、②兩因素與儲(chǔ)存量、流體輸送量、儲(chǔ)存介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。有完善絕熱材料保溫層的液化氣體壓力容器泄放量的計(jì)算公式［1］為：

式（1）是指在火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境工作的安全泄放量。本裝置置于無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)的環(huán)境，氣泄放量為30% Ws。綜合上述計(jì)算，確定先導(dǎo)式安全閥的口徑及數(shù)量。

4 外罐的安全措施

在正常工作條件下，外罐內(nèi)充以低壓氮?dú)?，防止外部空氣的進(jìn)入，一旦內(nèi)罐發(fā)生泄漏氣化或其它操作原因，會(huì)造成外罐壓力升高，為了確保外罐的安全，在外罐頂部設(shè)置2個(gè)緊急放空閥。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)實(shí)聯(lián)化工100萬(wàn)t／a聯(lián)堿工程配套的40萬(wàn)t／a合成裝置的大型低溫液氨雙壁罐的設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、接管結(jié)構(gòu)、保冷結(jié)構(gòu)及安全泄放裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，這些問(wèn)題相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有提及或沒(méi)有具體要求，而這些問(wèn)題恰好是大型低溫儲(chǔ)罐必須要解決的問(wèn)題，通過(guò)本文的介紹，相信會(huì)對(duì)大型低溫儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)提供有益的經(jīng)驗(yàn)和幫助。

［1］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.鋼制壓力容器GB150－1998［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998

［2］ 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

［3］ API STANDARD 620ELEVENTH EDITION，F(xiàn)EBRUARY 2008，Design and Construction ofLarge，Welded，Low－pressureStorage Tanks［S］

TQ 053.2

B

1005－8370（2012）01－25－03

2011－12－01

張毓科（1958—），1983年畢業(yè)于山東化工學(xué)院化工機(jī)械專業(yè)，高級(jí)工程師，注冊(cè)機(jī)械工程師，持有壓力容器設(shè)計(jì)審批人員證書(shū)，現(xiàn)任天津渤?；ぜ瘓F(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)院副院長(zhǎng)。