10000m3甲醇內浮頂儲罐設計

孫義(江蘇寶聯(lián)氣體有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

內浮頂儲罐主要由固定頂罐體、內浮盤及各專業(yè)管口等組成。相對固定頂最大的優(yōu)點就是改善介質蒸發(fā)，減少損耗，減少空氣污染與著火爆炸的危險，絕熱保溫，保證儲液質量。甲醇別名木醇、木精，分子式為CH4O，是無色透明、有毒、易燃易爆、易揮發(fā)的液體。相對密度(水=1)0.7914，沸點64.7℃,爆炸極限6.0%～36.5%(體積分數(shù))?；谝陨峡紤]，選用內浮頂儲罐儲存甲醇是一個比較合理的方案。

1 儲罐設計方案及內容

1.1 設計參數(shù)

10000m3甲醇儲罐設計參數(shù)如表1所示。

表1 10000m3甲醇儲罐設計參數(shù)

1.2 罐底設計

罐底板由16塊弓形邊緣板和若干塊中幅板搭接而成。中幅板取10mm，邊緣板取4mm，搭接排列。底板焊縫處底部需設置4mm厚的墊板，寬100mm。整個罐底設計成15‰的錐度形式。

1.3 罐壁設計

罐壁選取8圈壁板，自下而上7圈選板材2.2米寬，最上層一圈選擇1.1米寬。根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014標準采用定點法，選取下式：

式中：tt為試水條件下的罐壁板計算厚度(mm)；H為計算液位高度(m)。第一圈取底板端部至罐壁通氣孔位置。(H1=16.5-0.65=15.85m)其余每圈減去2.2m。[σ]t為試水條件下鋼板許用應力(MPa)，經計算取230MPa。φ為焊接接頭系數(shù)，底圈取0.85，其余取0.9。

將數(shù)據(jù)帶入上式得：

第一圈：tt1=11.629mm，故名義厚度取t1=16mm。

第二圈：tt2=9.481mm，故名義厚度取t2=14mm。

第三圈：tt3=7.919mm，故名義厚度取t3=12mm。

第四圈：tt4=6.356mm，故名義厚度取t4=10mm。

第五圈：tt5=4.795mm，故名義厚度取t5=8mm。

由以上數(shù)據(jù)得出，壁板厚度逐層減少?？紤]規(guī)范要求、壁板腐蝕及各種因素，其余圈數(shù)板厚均選取8mm。

2 罐頂設計

2.1 罐頂結構與厚度核算

本設備選用自支承式帶肋球殼拱頂結構。頂板由瓜皮板和中心頂板組成。瓜皮板分別為16塊、32塊及64塊。連接中心頂板的為32塊的瓜皮板，二者厚度均取8mm；二次連接的瓜皮板為64塊；最后與罐壁連接的為16塊，厚度均為10mm。肋板均選100mm寬，8mm厚。則估算出罐頂總質量約60000kg，折算成單位面積載荷為60000×9.8÷(π/4×302)=863.3Pa。

考慮罐頂附加載荷取值，且不小于1200Pa，故取PL=2063.3Pa。

2.2 帶肋球殼許用外載荷計算

許用外載荷。

式中：[P]為帶肋球殼的許用外載荷(kPa)；E為設計溫度下剛才的彈性模量(MPa)；取192000MPa。RS為球殼的曲率半徑(m)，取30m。th為罐頂板有效厚度(mm)，取6.8mm。tm為帶肋球殼的折算厚度(mm)。

此值按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014附錄H相關計算得22.5mm。

將數(shù)據(jù)帶入式中，得[P]=17.81kPa。

2.3 拱頂穩(wěn)定性核算

儲罐帶有罐壁通氣孔，則儲罐內部無內壓，故只校核外載荷作用下的穩(wěn)定性。帶肋球殼的穩(wěn)定性驗算應滿足下式要求：綜合以上，式1-3是成立的，故穩(wěn)定性滿足要求。

3 包邊角鋼截面積核算

罐壁頂部設置包邊角鋼，以承受從罐頂傳來的橫向力。計算與包邊角鋼相連的罐頂和罐壁各16倍板厚的截面應滿足下式：

式中：p為儲罐單位面積載荷，為2063.3Pa；D為儲罐直徑，30m；σ為包邊角鋼的許用應力，取2.30×108Pa；φ為焊接接頭系數(shù)，取0.9；θ為罐頂與罐壁連接處罐頂?shù)乃綂A角(°)，取30°。

將數(shù)據(jù)帶入上式，得Fmin=1.95×10-4m2=195mm2。取包邊角鋼∠125×12，則截面積A=2891mm2。顯然A＞Fmin，故包邊角鋼截面積滿足強度要求。

4 中間抗風圈的計算

4.1 筒體外壓設計計算

式中：υz為風壓高度系數(shù)，查《立式圓筒形鋼制焊接油罐

設計規(guī)范》GB 50341—2014表6.4.5-1，得1.60；ω0為基本風壓值，按已知條件取0.65kPa。將數(shù)據(jù)帶入上式，得P0=2.34kPa。

4.2 核算區(qū)間儲罐筒體許用臨界壓力的計算

許用臨界壓力計算公式如下：

式中：HE為核算區(qū)間罐壁筒體的當量高度(m)；tmin為核算區(qū)間最薄圈罐壁板的有效厚度(mm)；ti為第i圈罐壁板的有效厚度(mm)；hi為第i圈罐壁板的實際高度(m)；Hei為第i圈罐壁板的當量高度(m)。

通過以上各計算式計算結果如表2所示。

表2 核算區(qū)間儲罐筒體許用臨界壓力的計算結果表

根據(jù)上面數(shù)據(jù)計算出許用臨界壓力Pcr = 616Pa。

4.3 儲罐抗風圈的設計。

因為P0/3＞Pcr≥P0/4，說明儲罐需要增設抗風圈，數(shù)量3個，位置在罐壁1/4HE、1/2HE及3/4HE處；換算成實際高度分別是9.195m、11.63m及14.065m。如果其高度在罐壁環(huán)焊縫150mm之內，需適當調整高度以避開。

5 儲罐抗震計算

5.1 罐壁底部水平地震剪力計算

其公式如下：

式中：Q0為在水平地震作用下罐壁底部的水平剪力(MN)；CZ為綜合影響系數(shù)，取0.4；α為地震影響系數(shù)，根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014相關圖表，取值0.45；Y1為罐體影響系數(shù)，取值1.1；m1為罐體內儲液總量，按水計算得10491525kg；Fr為動液系數(shù)，根據(jù)儲罐徑高比查表得0.542；g為重力加速度，取值9.81m/s2。

將各數(shù)據(jù)帶入上式，得水平地震剪力Q0=11.0452(MN·m)。

5.2 罐壁底部的地震彎矩應按下式計算：

式中：HW為設計液面高度(m)，取14.85m；將數(shù)據(jù)帶入式中，得地震彎矩M1=73.81(MN)

5.3 儲罐錨固判斷

錨固系數(shù)計算式：

式中：υ為彎矩調整系數(shù)，按《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014表D.4.2-1，取值0.9；FL為儲液提供罐底與罐壁接觸處單位長度上的提離反抗力(MN/m)；FW為罐壁罐頂自重通過罐壁作用下的罐底單位長度上的提離反抗力(MN/m)；N1為罐壁與罐頂總重量(MN)，估算值1.956MN；tb為罐底邊緣板的有效厚度，取值11.2mm；ReL為罐底邊緣板標準屈服強度下限值，取345MPa；HW為設計液面高度(m)，取14.85m；D為儲罐直徑(m)，取30m；ρ為儲液相對密度，取0.792。

將各數(shù)據(jù)帶入上式，得J=0.729。因為J＜0.785，所以不產生舉升力，可無需錨固。

5.4 最大軸向壓應力的計算

地震作用下底圈罐壁產生的最大軸向壓應力計算式如下：

式中：σ1為罐壁底部最大軸向壓應力(MPa)；CV為豎向地震影響系數(shù)，取值1.0；A1為底圈罐壁有效厚度計算的罐壁截面積，計算得0.3963(m2)；CL為翹離影響系數(shù)，取1.4；Z1為底圈罐壁有效厚度計算的斷面系數(shù)，Z1=0.785D2t=9.3258(m3)。

將各數(shù)據(jù)帶入式中，得σ1=12.85MPa。

5.5 罐壁許用臨界力計算及抗震驗算

底圈罐壁的許用臨界力計算式：

式中：E為設計溫度下罐壁材料的彈性模量(MPa)；t為底層罐壁板的有效厚度，取值0.0132m。

將數(shù)據(jù)帶入式中，得[σ1]=18.59MPa。

因為σ1=12.85MPa＜18.59MPa=[σ1]，所以底圈罐壁軸向應力校核滿足要求，該儲罐在地震載荷下安全穩(wěn)定。

6 附件結構

附件主要有罐壁通氣孔、消防泡沫管及水噴淋器等，內浮頂根據(jù)專業(yè)的公司設計。盤梯及平臺均需符合標準規(guī)范的設計。

7 結語

大型內浮頂儲罐的設計首先了解介質特性等。其次選材，確定罐底厚度，與結構專業(yè)商定底板基礎的形式，然后計算壁厚，選擇罐頂形式并驗算其穩(wěn)定性?？紤]抗風及抗震能力，判斷是否錨固等?？傊?，一臺設備的設計需要考慮全面周到，既保證安全，又要做到經濟、美觀。盡一個設計者的最大水平去設計并優(yōu)化它的結構以達到追求完美的外貌與靈魂！