淺談大型低溫液體臥式貯罐的設(shè)計

朱國忠 施喜昌 王雪菲 顧春虎 薛林 尤亞鋒 楊陽

摘要：本文是通過多年的設(shè)計經(jīng)驗，對先前設(shè)計的產(chǎn)品在經(jīng)驗上進(jìn)行歸納和總結(jié)，旨在解決對大型低溫液體臥式貯罐設(shè)計迷茫的同仁提供幫助，探索合理的、可靠的設(shè)計及計算方法，保證設(shè)備的安全可靠及經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：大型低溫液體臥式貯罐 內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu) 強(qiáng)化設(shè)計 鞍座設(shè)計

Abstract： This article is based on many years of design experience to summarize and conclude the past product design experience， in order to solve the doubts of large cryogenic horizontal liquid tank from colleagues. This discussion provides reasonable mapping、reliable design、and calculation methods to ensure the safety and economic of the equipment.

Key words： large cryogenic liquid horizontal storage tank、internal and external support structure、 reinforcement design、saddle design.

導(dǎo)言：隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，目前市場上需求的大型低溫液體貯罐逐漸增多，但是大型低溫液體貯罐的設(shè)計、工藝、制造經(jīng)驗缺乏。在設(shè)計方面，缺乏大規(guī)格管線柔性設(shè)計、鞍座設(shè)計、支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗;在制作方面，缺乏大型貯罐的強(qiáng)化試驗、套裝、填砂等制作經(jīng)驗，本文基于我司350立方臥式貯罐為例，講述大型臥式低溫液體貯罐設(shè)計及計算方法、難點及創(chuàng)新點。

1.350m?LNG液罐概況

350m?LNG液罐是由一個碳鋼真空外殼和一個置于其中的壓力容器組成，內(nèi)容器由圓形筒體與兩個標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭組成，外殼主體由圓形筒體和兩個THA蝶形封頭組成，內(nèi)容器與外殼之間夾層內(nèi)充填了膨脹珍珠巖，之間依靠八個玻璃鋼支撐進(jìn)行定位及固定，外殼外玻璃鋼支撐位置處安裝兩個固定式鞍座用于貯罐的運輸、安放固定，此罐主要用于裝載LNG液化天然氣，是我司目前開發(fā)最大的應(yīng)變強(qiáng)化貯罐，此罐基本參數(shù)如下：

2 貯罐的主體設(shè)計

此罐的設(shè)計、制造及驗收按照ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范 Ⅷ卷 第一冊、附錄44并同時符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

設(shè)計時，內(nèi)容器及外殼直徑選擇了比較合理的長徑比，為了降低產(chǎn)品成本，對內(nèi)容器采用了應(yīng)變強(qiáng)化的技術(shù)，根據(jù)ASEM規(guī)范附錄44選用SA-240 304選用的許用應(yīng)力，根據(jù)ASME規(guī)范 UG27、 UG32公式進(jìn)行計算內(nèi)容器的壁厚，應(yīng)變強(qiáng)化技術(shù)使內(nèi)容器的壁厚減少很多，使貯罐整體成本下降，外殼按照ASEM規(guī)范常規(guī)設(shè)計計算。

3 貯罐的強(qiáng)化設(shè)計

按照ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范 Ⅷ卷 第一冊、附錄44要求，強(qiáng)化試驗壓力為1.5倍的設(shè)計壓力，強(qiáng)化壓力值為1.32MPa。此罐的關(guān)鍵設(shè)計就在與于強(qiáng)化試驗，試驗時有如下困難：強(qiáng)化試驗時需要將內(nèi)容器充滿水，不包括容器的重量光試驗介質(zhì)水的重量就需要350噸，在試驗前首先需要考慮試驗場地是否可以承受這么大的載重量，后通過理論計算在壓力試驗場地鋪設(shè)60mm碳鋼板材，保證壓力試驗時不會存在地基塌陷風(fēng)險。強(qiáng)化試驗時，試驗鞍座的放置位置是否合理，內(nèi)筒體由于與壁厚薄，支撐位置局部用力問題，利用應(yīng)力分析軟件，對350立方貯罐應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗?zāi)M建模，進(jìn)行應(yīng)力分析計算，理論計算應(yīng)變強(qiáng)化試驗，再根據(jù)實際情況合理布置鞍座，包括鞍座的設(shè)置間距、材質(zhì)及數(shù)量要求，保證了試驗的正常進(jìn)行。校核各受壓元件在水壓試驗條件下的應(yīng)力水平時，各受壓元件的厚度應(yīng)取最小成型厚度，在計算時，所取壓力應(yīng)考慮計入液注靜壓力，計算的薄膜應(yīng)力不得超過材料的屈服強(qiáng)度的90%。如下現(xiàn)場強(qiáng)化圖片1與應(yīng)力分析圖片2

4 臥式貯罐的內(nèi)外支撐設(shè)計

內(nèi)容器與外殼之間在設(shè)計支撐時，既需要考慮能夠承重，還需要考慮支撐的材料要有好的絕熱性能，熱導(dǎo)率必須小才能保證不會將內(nèi)容器內(nèi)的低溫傳到外殼上，支撐承受內(nèi)容器的總的重量包括內(nèi)容器本身的重量、 絕熱材料的重量及貯存介質(zhì)LNG的重量，所以選擇高強(qiáng)度及絕熱性能好的Z3848材質(zhì)的玻璃鋼。此罐分別在底部相對于軸線30度及頂部45度位置均布共八個玻璃鋼支撐，此結(jié)構(gòu)最早引進(jìn)俄羅斯軍用設(shè)備轉(zhuǎn)民用設(shè)備，玻璃鋼支撐在選用時，既要考慮支撐的平行于玻璃鋼支撐的壓縮應(yīng)力，還需要考慮垂直于支撐的剪切應(yīng)力及重力因素引起的彎曲應(yīng)力，再根據(jù)第三強(qiáng)度理論判定是否滿足要求。玻璃鋼支撐使用布向結(jié)構(gòu)的支撐，壓縮，彎曲應(yīng)力按照250MPa判定，剪切應(yīng)力按照25MPa判定，此數(shù)據(jù)來源于Z3848試驗報告，考慮到不可控因素，安全系數(shù)取2，最終判定玻璃鋼支撐是否滿足要求。由于此結(jié)構(gòu)為局部支撐結(jié)構(gòu)，在支撐位置局部應(yīng)力會較大，所以在設(shè)計時考慮使用焊接大的墊板，對局部支撐位置進(jìn)行加強(qiáng)。由于介質(zhì)及本身容器的垂直向下的重力作用，需要考慮圓筒中間橫截面上的軸線彎矩及支撐平面上的軸向彎矩。圓筒中間的橫截面上及支撐平面上，由內(nèi)壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力。最高處及最低處的評判標(biāo)準(zhǔn)：σ1，σ2，σ3，σ4≤φ[σ]，則σ1，σ2，σ3，σ4≤138MPa;圓筒支撐位置最大剪切應(yīng)力<0.6S=82.8 MPa。鞍座設(shè)計時，考慮地震風(fēng)載，由于臥式貯罐通常比較矮，所以一般情況風(fēng)載的影響會比較小，只需要考慮地震就可以滿足安全的要求，但是此項目由于地基比較高，地基有3.5m的高度，所以在考慮風(fēng)載時需要將地基高度考慮進(jìn)去。鞍座設(shè)計除了需要考慮夾層負(fù)壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力，還需要考慮切向剪切應(yīng)力，圓筒鞍座平面的周向應(yīng)力。此罐由于容積大、重量重、直徑大，所以關(guān)鍵部位鞍座處的應(yīng)力特別需要加強(qiáng)，所以鞍座位置除了需要加墊板，還需要考慮使用多根慣性矩大的加強(qiáng)圈，這里推薦使用角鋼或者T型鋼加強(qiáng)圈加強(qiáng)。吊耳組件設(shè)計時，由于此罐外殼的壁厚較薄，一般推薦安裝至鞍座上，如果客戶要求安裝在筒體上，需要安裝大的吊耳墊板。

5. 大型低溫液體臥式貯罐的設(shè)計難點及創(chuàng)新點

由于此罐為我司最大的應(yīng)變強(qiáng)化貯罐，在設(shè)計制造過程中遇到了很多的困難，但是還是有如下創(chuàng)新之處：

5.1 利用了應(yīng)力分析軟件，對350立方貯罐應(yīng)變強(qiáng)化水壓試驗?zāi)M建模，進(jìn)行了應(yīng)力分析計算，通過理論計算，修改了大型低溫液體貯罐應(yīng)變強(qiáng)化通用工藝規(guī)程;

5.2設(shè)計時，在有限的空間設(shè)計DN100的夾層管線，借助CAE軟件對管線進(jìn)行管道柔性計算，使用柔性彎結(jié)構(gòu)，保證管線及管口局部應(yīng)力在合理范圍之內(nèi);

5.3借助PVLITE軟件，對鞍座設(shè)計進(jìn)行分析計算，通過計算對鞍座進(jìn)行設(shè)計，支撐位置內(nèi)容器為了防止強(qiáng)化過度，使用了整圈墊板代替局部墊板，同時在內(nèi)容器、外容器增加T型圈，防止局部應(yīng)力過大;

5.4為了方便套裝，對套裝小車進(jìn)行了改進(jìn)，套裝小車高度比傳統(tǒng)的套裝小車低了約40mm;為縮短保證抽真空時間，保證良好的真空度，在容器兩邊都設(shè)置真空過濾器裝置;

5.5在容器頂部鋪設(shè)真空絕熱棉，珠光砂與絕熱棉復(fù)合絕熱避免貯罐使用時間長后珠光砂沉降及長時間日照引起的絕熱效果變差，保證貯罐的真空絕熱性能。

6.結(jié)束語

350m?LNG液罐在2018年投入使用，設(shè)備運行良好，得到了客戶的肯定。上述大型低溫液體臥式貯罐的設(shè)計方法，供同行參考。

參 考 文 獻(xiàn)

1 《機(jī)械設(shè)計手冊》第六版

2 ?ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范 Ⅷ卷 第一冊 2019、附錄44

3 《臥式容器》 NB/T 47042-2014

4 《臥式容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義與算例 NB/T 47042-2014