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1、大型立式圆筒形储罐设计中几个问题的探讨萍3朱石建明(天津市化工设计院) (天津大学)摘要针对大型立式圆筒形储罐的特点, 结合其发展状况, 论述了在设计及计算中罐壁厚度的确定, 风载荷、 地震载荷对罐体设计的影响, 并对储罐罐顶、 罐底的 结构设计及相关标准的使用作了介绍。关键词大型立式储罐罐顶罐底罐壁厚度罐壁应力求, 而在工程总容积相同的情况下, 几台大型储罐则比多数量的小储罐占地面积要小。 例如:0前言大型立式圆筒形储罐是石油和化工等企业 用来储存液体原料及产品的主要设备。 由于目 前原油、 化工产品的进出口量日益增多, 越来 越多地需要使用大型储罐, 石油和化工储罐的 大型化是一种发展趋势
2、, 其优点是1, 2 :(1) 从钢材的用量上看, 当储罐结构相同 时, 储罐的容积越大, 单位容积的钢材耗量就 越小 (如图 1 所示)。(2) 从占地面积上看, 由于目前相关的设 计规范对于储罐之间的距离都有比较严格的要3 朱图 1 油罐单位体积所需金属净重萍, 女, 1963 年生, 高级工程师。 天津市, 300193。炼油技术, 1995, 25 ( 2) : 28 32刘吉普. 垂直管内液固并流向上传热特性的研究及应 用. 化工机械, 1998 ( 4) : 219 221刘中良. 管内颗粒在竖直向上管内流场中的流动规律.石油大学学报, 1998, 22 ( 4) : 79 83傅
3、旭东, 王光谦, 董曾南. 低浓度固液两相流理论分析 与管流数值计算. 中国科学, 2001, 31 ( 6) : 556 565W ang Guangq ian, N i J in ren. K ine t ic th eo ry fo r p a r t ic le co ncen t ra t io n d ist r ibu t io n in tw o - p h a se f low. J E ng参考文献R ich a rdo n J F , M e ik le R A. Sed im en ta t io n and f lu id iza t io n. P a r t II
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5、n o f bed s o f sp e r ica l p a r t ic le s. J F lu id M ech , 1987, 177: 467 483潘国昌, 郭庆丰, 杨柏极. 填料塔进料气体分布器研究.5167283M ech , 1990,116: 2738 27489姚玉英等. 化工原理. 天津: 天津科学技术出版社, 1997.( 收稿日期: 2006201214)4化工装备技术第 27 卷 第 4 期 2006 年176 台10 万m 3 罐罐组占地面积约712 万m 2 , 若采用 4 台15 万m 3 罐罐组占地面积只需513 万m 2 ,可减少占地面积 28%
6、左右 。(3) 当总容量相同时, 大直径罐组与小直 径罐组相比, 其储罐配套的配件及管网、仪表、消防等设施也相应简单, 工艺操作较为方便, 与 之相配套的各种储运管理也方便易行。(4) 对于有一定容积要求的工程, 从理论上讲, 合理的大直径罐组与小直径罐组相比, 其 总投资要有所降低 (如图 2 所示)。(2) 按温度分类由于大型立式储罐结构的特殊性, 如密封 材料的耐温性、 罐底罐壁及扶梯平台的温差影 响、 罐底板的热膨胀等, 使其对所储存的介质 有温度范围的要求。 目前国内常见的有低温罐( - 20)、常 温 罐 ( 90) 和 高 温 罐 ( 90250)。(3) 按罐顶形式分 根据储罐
7、内储存介质的性质及储存介质蒸发损耗的要求不同, 大型立式储罐主要可分为固定顶及浮顶储罐, 对于浮顶储罐又有外浮顶、 内浮顶、 单浮盘、 双浮盘等形式。112 储罐大型化给设计、制造、使用带来的问题 储罐的容积增大, 其危险性也增大, 无论 是储存油品还是储存化工原料, 容积大了, 一旦出了事故, 所造成的危害也相应增大。 储罐 的容积增大, 其罐底占地面积大, 对储罐的基 础沉陷要求就要提高。(1) 储罐基础的沉陷状况直接影响到储罐 的安全, 如果基础沉陷过大, 就有可能造成罐底板变形, 若罐底板变形所造成的应力过大, 储 罐底板焊缝就可能会出现裂缝。(2) 储罐基础沉降出现严重不均匀时会造
8、成储罐罐壁倾斜, 这种倾斜达到一定程度时, 会 对前面所提到的浮顶罐的操作造成影响, 即由于罐壁的垂直度的原因, 可能使在储罐内上下 运行的浮盘出现卡盘现象。(3) 储罐基础周边沉降不均匀, 危害最大。 由于罐壁底圈板与罐底板的连接处属高应力 区, 如果基础周边沉降的不均匀量过大, 会造成罐壁与底板的角焊缝及罐底边缘应力增大, 可能会出现罐壁底圈板与罐底板间的焊缝撕 裂。以上这些都会给设计、 制造、 使用大型立 式储罐带来困难, 在设计中应引起足够的重视。图 2 油罐单位体积投资1工程计算中出现的几个问题111大型立式储罐的分类 目前国内常用并有较成熟设计、 制造和使用经验的大型立式储罐主要有
9、以下几种2 。(1) 按压力分类常 压 罐, 其 设 计 压 力 在 - 0149k P a 至6 k P a 范 围 内 。现 行 的 设 计 规 范 有 : JB T4735 - 1997钢制焊接常压容器 立 式 圆 筒形储罐 ( 其设计压力在- 500P a 至 2000P a )、SH 3046- 92石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范及 GB 50341- 2003立式圆筒形钢 制焊接油罐设计规范3 5 。低压罐, 其设计压力为上述设计压力上限至 105k P a 范围内。针对这种大型立式储罐, 我 国还没有与之相适应的设计、 制造规范, 国内的设计制造行业当遇此种储罐时, 多数
10、采用美国石油学会的A P I620大型焊接低压储罐设计 与建造标准7 。2罐壁的计算大型立式储罐的罐壁设计与一般储罐相比18大型立式圆筒形储罐设计中几个问题的探讨需有更高的要求, 主要应该考虑:(1) 罐内储存介质的液柱静压力对罐壁不 同高度造成的影响。(2) 大型立式储罐多建于室外空旷场地上,罐壁的抗风能力是罐壁计算的一个主要方面。(3) 地震是不可抗拒的自然灾害, 但由于 大型立式储罐所储存介质的特殊性, 在设计制 造大型立式储罐时必须尽可能多地考虑地震的 影响因素。容器 立式圆筒形储罐部分时, 计算压力的确定不是很明确。 设计者在计算壁厚时对计 算 压力的概念应非常清楚。 标 准 中 的
11、 定 义 是 “设计压力与容器各部位或元件所承受的液柱静压力之和”, 在计算壁厚时, 压力值是取每一 计算圈板底部所承受的液柱静压力加上储罐上部氮封的压力值,其壁厚计算公式为: p cD i =(1)t2 式中 圆筒计算厚度, mm ;p c 计算压力, M P a;D i 圆筒内直径, mm ;因此一般大型立式储罐的设计中,算时以下参数至关重要:(1) 储罐直径与高度的比值; (2) 物料的密度;壁厚计t 设计温度下圆筒材料的许用应力,M P a;(3) 储罐所在地区的风压、地震烈度、场地土级别等。211罐壁厚度的确定 焊接接头系数。(2) 使用SH 3046-92石油化工立式圆筒形钢制焊接
12、储罐设计规范中的壁厚计算公式,即:罐壁厚度的确定通常采用三种方法:定点法 (一英尺法)、 变点法及应力分析法。 定点法适用于5 万m 3 (直径60m 以下)。超过5 万m 3 (直 径 60m 以上) 的大型立式储罐就需要采用变点法, 笔者在参加编写球罐和大型储罐一书时,参照A P I650钢制焊接石油储罐标准附录 Kt = 010049 (H -013)D + C + C(2)11 2 t (H - 013)Dt2 = 419(3)+ C 1 式中t1 储存介质时的设计厚度, mm ;t2 储存水时的设计厚度, mm ; 储液密度, k g m 3;D 储罐内直径, mm ; t 设计温度
13、下罐壁钢板的许用应 力, M P a; 常温下罐 壁 钢 板 的 许 用 应 力,M P a; 焊接接头系数, 取 = 019; C 1 钢板的厚度负偏差, mm ; C 2 腐蚀裕量, mm 。的例题,对直径 85m 的储罐进行了计算,储罐罐壁各圈板厚度需进行多次试算, 计算工作量较大, 计算方法比较麻烦。 目前我国现行的标 准没有列入, 若需要使用可采用美国石油学会的 A P I650钢制焊接石油储罐标准附录 K 进 行计算6 。 应力分析法则多应用于结构比较复杂、 要求比较高的大型立式储罐的设计。 我国 现行的标准则采用定点法。我 国 现 行 的 标 准 主 要 有 下 述 三 个:JB
14、 T 4735- 1997钢制焊接常压容器 立式圆筒形储罐,SH 3046-92石油化工立式圆筒形罐壁设计厚度取 t1、 t2 中的较大值。从设计计算的过程看, SH 3046- 92石油 化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范的计算考虑比较全面, 各圈壁板罐壁的计算步骤清 晰, 对于设计经验不太丰富的设计者, 较容易按步骤进行计算。钢制焊接储罐设计规范,GB 50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范。虽然三个标准在计算罐壁厚度时所遵循的 理论依据相同, 但从设计使用角度看仍有差别:(1) 使用JB T 4735- 1997钢制焊接常压化工装备技术第 27 卷 第 4 期 2006 年19(3) GB 50341-200
