馬來西亞球罐設計計算綜述

張楠 程鵬 張浩 趙翠玲 鐘翔

（1.中國石油北京項目管理公司天津設計院，天津300457）

(2，中國石油塔里木油田分公司， 庫爾勒841010）

隨著我國國際化的步伐加快，越來越多的企業(yè)進入馬來西亞油氣市場。例如中國石油天然氣管道局2016年進入馬來市場，現(xiàn)已承接幾個重大項目，其中RAPID項目是其承攬馬來國家石油公司的一個重大工程。球罐是重要的儲存容器。我國有專門的球罐設計標準GB12337＜＜鋼制球形儲罐》[1]用來指導儲罐的設計與制造工作。GB12337從球殼、支柱、拉桿、耳板、墊板等幾乎球罐的每個部分考慮，分析了其受力，并給出了相應的計算公式或經(jīng)驗取值。但馬來西亞同許多國家一樣并沒有專門的球罐標準。而且部分馬來業(yè)主并不承認我國標準的有效性。所以采用馬來標準本土化設計方法就顯得尤為重要。

PTS標準是馬來石油公司編制的標準，涵蓋了油氣處理的各個方面。它參考了美國標準與歐盟標準，形成了獨特的標準體系。對于壓力容器來說，主要遵循馬油標準PTS31.22.20.31＜＜壓力容器技術(shù)要求》[2]，本技術(shù)要求是基于ASME VIII上（PTS31.22.20.31部分章節(jié)直接指向ASME VIII條款），提出了馬油的特有要求。

本文以馬來RAPID項目為例，介紹以PTS標準設計的6000m3丙烯球罐的設計計算過程。

1 馬來球罐設計總述

球罐需要分析的部分包括：殼體、接管、耳板、支柱與拉桿等[1]。需要注意的是，與我國常規(guī)設計不同，馬來球罐拉桿并不設置調(diào)節(jié)螺母（國內(nèi)常規(guī)做法：拉桿設置調(diào)節(jié)螺母），而是拉桿相互焊接或通過鋼板連接（見圖1-1）。殼體與接管由于結(jié)構(gòu)簡單，RAPID項目中馬方要求采用ASME VIII DIV2中相關(guān)公式進行校核。而支柱由于其與球殼連接處結(jié)構(gòu)復雜，并承受自重、壓力、地震、風載等組合載荷，且無相應公式計算，故馬方要求采用有限元校核。

圖1-1 馬來球罐拉桿連接結(jié)構(gòu)

球殼與接管計算因為ASME VIII DIV2[3]中有相關(guān)公式，本文將不再贅述。本文將重點對支柱與拉桿的有限元設計方法要求進行描述。

本工程丙烯球罐考慮到海運對鋼板長度的限制，球殼采用五帶結(jié)構(gòu)，支柱與球殼連接處是球罐設計中需要考慮的重點部分。對于支柱與球殼連接，目前GB12337中列出了三種推薦結(jié)構(gòu)：直連型、U型托板與長圓型。本次球罐設計中，為減少應力，支柱與球殼連接采用了U型托板改進型：徑向托板結(jié)構(gòu)。

2 設計基礎(chǔ)條件及載荷

2.1 設計基礎(chǔ)條件

丙烯球罐具體設計基礎(chǔ)參數(shù)見表2-1.

表2-1 設計基礎(chǔ)條件

2.2 載荷工況

按PTS 31.22.20.31 中4.4&4.5節(jié)要求，球罐設計中需要考慮八種組合載荷工況。如下：

● Case 1=L1+L6

● Case 2=L1+L2+L4+L6

● Case 3=L1+L2+L31+L4+L6

● Case 4=L1+L2+L4+L7

● Case 5=L1+L2+L31+L4+L7

● Case 6=L1+L2+1.43xL32+L5+0.25xL6

● Case 7=L1+L2+1.43xL31+L5+0.25xL6

● Case 8=L1+L2+L33+L6

符號意義：

L1 :設備質(zhì)量；

L2 :最大操作液位下介質(zhì)質(zhì)量；

L31:設計壓力；

L32: 最大許用壓力；

L 33:放空工況下壓力載荷。一般取0.2 bar(0.02MPa)；

L4: 操作溫度由限制熱膨脹引起的載荷；L5: 水壓試驗下設備充水質(zhì)量；

L6 :按ASCE7計算；

L7：地震載荷，本工程SDS=0.29g。

1）風載荷計算

風載荷根據(jù)ASCE7風載公式

Fw=qzG CfAf

qz=0.613kzkztkdv2

陣風影響因子G ,本工程 取0.85

載荷系數(shù)Cf,本工程取1.00

其余參數(shù)符號定義見ASCE7。

2) 載荷工況選擇

考慮到荷載組合中最嚴重的情況，對8種組合工況進行了分析。工況3、工況5和工況6被視為最嚴重工況，應分別進行校核。下表列出了3種工況組合下的基本載荷參數(shù)。

表2-2 工況載荷表

考慮到篇幅的限制，本文將只對工況5的校核進行詳細描述，其余工況分析與工況5類似。

3 工況5校核計算

3.1 分析模型

球殼板與上支柱材質(zhì)選用 SA-537 Cl.1，下支柱和拉桿采用SA36。材料性能見表3-1。因為要分析地震與風載，故在分析模型中采用SHELL 181單元建立了完整的有限元模型，包括殼瓣、上柱、下柱和交叉拉桿。

表3-1 材料性能表

圖3-1 支柱結(jié)構(gòu)

圖3-2 球罐受力模型

3.2 分析云圖

圖3-3 球殼應力云圖

分析模型建立后應對模型施載，每個施載模型（包括自重、壓力、地震、風載、熱載等）均按施加步驟列于計算書中。本球罐受力總模型結(jié)構(gòu)不連續(xù)處網(wǎng)格密度為20mm,單支柱模型網(wǎng)格密度為5mm。分析受力云圖應包括球殼、上支柱、下支柱與拉桿。為減少篇幅，本文受力結(jié)果云圖只羅列了各部分PL+Pb+Q的云圖（Unit: MPa）。從得到應力數(shù)值后，采用ASME VIII DIV2中的方法對應力評估，本次工況的評估結(jié)果見表3-2

表3-2 應力評估結(jié)

圖3-4 上支柱應力云圖

圖3-5 下支柱應力云圖

圖3-6 拉桿應力云圖

3.3 結(jié)果分析

4 結(jié)論

本文以馬來RAPID項目中球罐為例，論述了馬來球罐的計算與注意要點。馬來球罐計算主要基于ASME VIII DIV2, 接管補強采用DIV2中公式法。而支柱與拉桿的計算，采用有限元方法分析。與國內(nèi)球罐標準不同的是，馬來球罐載荷工況分為8個，設計時應對8個工況中最嚴重的幾個工況進行分別校核。