大型儲罐底部可拆式伴熱裝置的設(shè)計

劉 宇

（南通賽孚機械設(shè)備有限公司，南通江蘇 226500）

儲罐是工業(yè)中廣泛使用的儲存設(shè)備，用以儲存各種氣體、液體和固體物料。對于盛裝一些結(jié)晶溫度較低的物料，工藝上需要物料保持液態(tài)流動，因此罐底與罐壁需要安裝伴熱管來對罐體加熱和保溫。由于常用的儲罐是直接安裝在基礎(chǔ)上的平底立式圓筒形儲罐，這時就需要采用型鋼支撐的罐底來安裝加熱裝置，為便于更換，需要將罐底加熱裝置設(shè)計成可拆結(jié)構(gòu)。另外，對于直接安裝在基礎(chǔ)上的平底立式圓筒形儲罐，罐底在發(fā)生泄漏（如焊縫開裂）時，由于泄漏點不易被發(fā)現(xiàn)造成后續(xù)堵漏返修困難。當罐底采用型鋼支撐結(jié)構(gòu)后，可以對型鋼之間的罐底進行觀察和檢測，能夠容易發(fā)現(xiàn)儲罐底部的泄漏情況。

本文通過以往工程設(shè)計實例介紹了采用型鋼支撐的儲罐的罐底可拆式加熱裝置的設(shè)計方法，儲罐的設(shè)計（包括罐壁、罐頂、地腳螺栓的設(shè)計計算）按照GB 50341或API 650，本文不做介紹。

1 儲罐參數(shù)

儲罐直徑為11m，壁板總高度為10m，罐儲材質(zhì)為16MnDR，內(nèi)裝介質(zhì)為濃硫酸，儲罐最大重量1 730t。儲罐結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 罐體結(jié)構(gòu)簡圖

2 文中符號說明

tg為包括腐蝕裕量在內(nèi)的型鋼支撐的罐底板厚度，mm；

b為相鄰型鋼之間的最大中心間距，mm；

p為儲罐重量、操作時介質(zhì)重量和操作內(nèi)壓，三者作用在罐底的均勻壓力，以及水壓試驗時的水的重量與儲罐重量之和作用在罐底的均布壓力，兩者取大值（包括罐底板的重量），MPa；

Fy為罐底板材料的最小屈服強度值，MPa；

CA為罐底板的腐蝕裕量，由設(shè)計委托方確定，mm；

Es為底板材料的彈性模量，MPa；

N為計算單元所受的豎向力，N=pb×1 000，N；

An一計算單元內(nèi)腹板的受壓凈截面積（去掉開孔處面積Am），An=tw×1 000-Am，mm2；

f為型鋼材料的抗拉強度的設(shè)計值，這里取材料的許用應(yīng)力（偏于保守），MPa；

Wx為翼緣的凈截面模量，Wx=1/6lt2，l為1 000mm，t為翼緣板厚，mm；

q為翼緣上計算單元所受的豎向力，即q=N/1 000，N/mm；

b0為翼緣的總寬度，b0=w2/2 mm；

h0為腹板的凈高度，見圖5；

tw為腹板的厚度；

fy為腹板材料的屈服強度，MPa；

d為兩型鋼梁之間的罐底板的撓度，mm。

3 罐底可拆式加熱裝置設(shè)計

如圖2所示，罐底安放到支撐型鋼上，支撐型鋼之間用角鋼（∠40×40×4）連接成整體，角鋼上安放伴熱管（規(guī)格Φ32×3），為使伴熱管能從一側(cè)抽出，將伴熱管按圖3布置在支撐型鋼之間。根據(jù)實際情況，可以將伴熱管整體分為幾部分，以便于伴熱管的抽出和安裝。伴熱管的加熱面積、規(guī)格、總長由工藝專業(yè)提供。根據(jù)伴熱管的加熱面積換算出總長、管間距、型鋼間距，型鋼間距同時還需要滿足“5.罐底支撐型鋼的設(shè)計”的要求，如圖4所示。

圖2 罐底可拆式加熱裝置結(jié)構(gòu)圖

圖3 伴熱管布置圖

圖4 罐底焊縫布置圖

4 罐底板的設(shè)計計算

1）罐底板厚度的計算設(shè)計標準，可以參照API 650附錄I的 I.7（Tanks supported by Gri11age）來進行設(shè)計。公式如下：

罐底型鋼的間距b值的確定：b=400～500 mm，通常由業(yè)主給出，b的取值需要合理，當b值過小時，會造成因為型鋼與罐底之間的焊接空間不足而導(dǎo)致儲罐運行時對罐底泄漏檢查困難；當b值過大時，會導(dǎo)致罐底板經(jīng)過計算后厚度過厚，因而造成材料的浪費。

一般情況下，業(yè)主會提前給出罐底板厚度，設(shè)計人員按照此厚度，根據(jù)公式（1）反算出型鋼間的最大間距，型鋼間距實際取值需要小于此值。同時，罐底板的厚度還要滿足GB 50341—2014中最小厚度的要求。

本設(shè)備b取500mm。

2）儲罐底部撓度的校核：在儲罐罐底厚度確定以后，開始校核儲罐底部的撓度值。

具體做法為：按照API 650附錄I中公式（I.7.3.3-1）計算相鄰兩型鋼梁之間的罐底板的計算撓度值和允許值，滿足計算撓度值≤允許值。當計算撓度值超過允許值時，可以通過增加罐底厚度、減小型鋼之間的間距來降低計算撓度值，從而滿足型鋼支撐結(jié)構(gòu)與儲罐底部撓度的要求。

需要滿足：

因此滿足相鄰兩型鋼梁之間的罐底板的撓度要求。

查GB 50341—2014中表5.1.1和表5.1.2得tg=14mm符合罐底最小厚度的要求。

5 罐底支撐型鋼的設(shè)計計算方法

罐底型鋼的設(shè)計計算需要運用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的有關(guān)知識，具體設(shè)計方法如下。

5.1 型鋼規(guī)格的選擇

根據(jù)對支撐高度的要求，優(yōu)先選用標準的工字鋼或H鋼，一般情況下，型鋼上翼緣厚度不小于儲罐底板的名義厚度，支撐的高度h往往由業(yè)主指定。型鋼的上翼緣寬度≤下翼緣寬度。

當儲罐底板為斜底結(jié)構(gòu)、儲罐基礎(chǔ)為平的時，必須采用焊接結(jié)構(gòu)的H型鋼，此時H型鋼的腹板與翼緣之間的焊縫要采用開坡口全焊透結(jié)構(gòu)。

本文3算例選用20a工字鋼，材質(zhì)為Q355B，規(guī)格，如圖5所示。

圖5 型鋼截面圖

5.2 罐底支撐型鋼的強度校核

計算單元的確定：罐底取型鋼長度方向1m，兩側(cè)各取間距的一半作為計算單元。

設(shè)計執(zhí)行標準：按照GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》的相關(guān)工時進行計算。

查GB/T 706—2016《熱軋型鋼》得：

5.2.1 型鋼腹板強度的校核計算

按照GB 50017中6.1節(jié)的公式（6.1.1）對罐底支撐型鋼腹板強度進行強度校核計算，具體方法為：

當公式（2）不滿足時，可以通過應(yīng)適當增加腹板厚度或者減小罐底型鋼的間距來滿足公式（2）的要求為止。

本設(shè)備中：

5.2.2 型鋼翼緣的強度的校核計算

型鋼的上下翼緣按單向受彎狀態(tài)進行計算：

如果公式（3）不滿足，可以通過調(diào)整翼緣的寬度和厚度，直到滿足公式（3）的要求為止。

本設(shè)備中：

Mx=（N/2）*b0=2 448 421N·mm

Wx=1/6*l*t2=20 167m3（l為1 000mm，t為翼緣板厚，mm）。

通常情況下，型鋼上下翼緣取相同的厚度和寬度，所以只需計算上下翼緣中一個即可。

Mx/Wx=124.4MPa≤f=305MPa，校核通過。5.2.3 罐底支撐型鋼的穩(wěn)定性校核計算

當型鋼采用的是非標準規(guī)定尺寸，此時需要按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》校核計算型鋼腹板和翼緣的穩(wěn)定性，具體做法為：

腹板穩(wěn)定性驗算按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》 表6.1-3計算：

式中εk為鋼號修正系數(shù)，其值為

h0/tW=166/7=23.7

h0/tW=23.7≤80εk=66，校核通過。

當公式（4）不滿足時的調(diào)整方法為：降低腹板高度、增加腹板厚度、對腹板進行加肋，但由于加肋計算比較復(fù)雜，優(yōu)先采用降低腹板高度、增加腹板厚度的方法來滿足校核計算的要求。

翼緣穩(wěn)定性驗算按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》中式6.3-30進行計算：

b/tf≤（10+0.1λ）εk

b、tf分別為翼緣板自由外伸寬度和厚度，本設(shè)備b=50mm，tf=11mm；

λ為構(gòu)件的較大長細比，當λ＜30 時取30，當λ＞100 時取100，本設(shè)備取100。

b/tf=50/11=4.55 ≤（10+0.1λ）εk=（10+0.1×100）×0.83=16.6，校核通過。

如果不滿足，必須調(diào)整翼緣的寬度和厚度，直到滿足條件為止。

6 罐底焊縫的布置方法

儲罐底板上各帶鋼板之間需采用的對接接頭、全焊透結(jié)構(gòu)，焊縫的方向與型鋼方向垂直。與型鋼搭接處的焊縫下表面需磨平，且與罐壁板連接處的焊縫表面需磨平，如圖6所示。

圖6 搭接處焊縫圖

在進行罐底支撐的設(shè)計時，往往在型鋼之間增加一些扁鋼支撐來增加型鋼自身的穩(wěn)定性以及型鋼結(jié)構(gòu)的剛性，同時這些扁鋼還可以作為儲罐底部保溫或加熱盤管的支撐來使用。

7 對儲罐基礎(chǔ)的要求

采用型鋼支撐的儲罐罐底板，基礎(chǔ)的受力條件不是連續(xù)的（因為罐體重力作用是通過型鋼傳遞到基礎(chǔ)上的），因此業(yè)主需要將型鋼的間距、型鋼數(shù)量和規(guī)格尺寸、儲罐的各種工況下的重量（包括空重和充水重量和操作重量）作為基礎(chǔ)設(shè)計條件提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)進行儲罐基礎(chǔ)設(shè)計。另外，基礎(chǔ)設(shè)計條件中還要注明基礎(chǔ)平面的平面度要求，因罐底支撐用型鋼是按照只受壓不受彎設(shè)計的，同時基礎(chǔ)應(yīng)采用硬基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

8 地震的考慮

本文算例中未考慮垂直地震力的作用，但按照GB/T 50761—2018《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計標準》中，當設(shè)計基本地震加速度為0.20～0.4g，或抗震設(shè)防烈度為8 度、9 度時，對直徑大于4m，且兩支座間距大于20m的臥式設(shè)備，以及高度大于20m 的直立設(shè)備和加熱爐落地煙囪，應(yīng)包含垂直地震力并進行抗震驗算；所以當儲罐滿足以上條件時，罐底計算時應(yīng)計入垂直地震力。

儲罐的垂直地震力的計算方法按GB/T 50761—2018《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計標準》中4.5中的具體步驟進行。

9 結(jié)束語

目前國內(nèi)標準規(guī)范中沒有罐底可拆加熱裝置和罐底支撐的說明和相關(guān)計算，本文在綜合了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計知識和API 650附錄I，以實際工程實例說明了罐底可拆加熱裝置和罐底支撐的設(shè)計、計算方法，目前按此方法設(shè)計的儲罐運行情況良好。