張雪銘
浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司杭州310012
淺談十萬立方米浮頂油罐設(shè)計(jì)
張雪銘*
浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司杭州310012
闡述十萬立方米浮頂油罐選材、罐壁設(shè)計(jì)、浮頂設(shè)計(jì)、抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)、加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和浮頂排水系統(tǒng)設(shè)計(jì),并對油罐調(diào)研、設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探討,為今后十萬立方米浮頂油罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
浮頂油罐材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
大型化是石油儲罐發(fā)展的必然趨勢,隨著大型油罐的建設(shè),油罐設(shè)計(jì)技術(shù)已得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。材料是決定儲罐大型化發(fā)展的關(guān)鍵因素,十萬立方米浮頂油罐罐體材料采用國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板12MnNiVR或08MnNiVR,避免了底圈罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題。通過對十萬立方米浮頂油罐的設(shè)計(jì)研究,提出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案,并對油罐調(diào)研、設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行探討。
通過對大型油罐建造工程的比較,采用大容量油罐具有節(jié)省鋼材、減小占地面積、便于操作管理、減少油罐附件和節(jié)省罐區(qū)投資等優(yōu)點(diǎn)[1]。根據(jù)國家發(fā)展戰(zhàn)略儲備庫的需求,油罐的大型化已成為發(fā)展趨勢。國內(nèi)已成功掌握了十萬立方米大型浮頂油罐設(shè)計(jì)建造技術(shù)(包括生產(chǎn)國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材、油罐設(shè)計(jì)、施工及成熟的使用經(jīng)驗(yàn))。
早期十萬立方米油罐用材料主要采用日本壓力容器用鋼SPV490Q高強(qiáng)度調(diào)制鋼板[2]。目前,國產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼已成功用于十萬立方米儲罐建造中,廣泛采用的國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼有武漢鋼鐵(集團(tuán))公司、舞陽鋼鐵公司等單位研制的12MnNiVR和寶鋼集團(tuán)研制的08MnNiVR,其屈服強(qiáng)度已達(dá)到490MPa。該材料不但強(qiáng)度高、韌性好、碳當(dāng)量低、焊接性能好,而且能夠適用于大線能量焊接。對于強(qiáng)度級別更高的材料,在國內(nèi)外油罐建造上很少使用,主要原因?yàn)?①材料的可焊接性降低;②材料的屈強(qiáng)比增大,不能有效地利用材料性能;③焊接材料的匹配問題很難解決;④加劇底圈罐壁與罐底邊緣板連接處(即大角焊縫)的變形不協(xié)調(diào)問題,降低油罐的安全性。因此,目前國內(nèi)10萬立方米大型油罐中由強(qiáng)度決定的罐壁部分均采用高強(qiáng)度鋼板12MnNiVR或08MnNiVR,由剛度決定的罐壁部分采用Q235B鋼板,其過渡部分采用Q345R鋼板,不但解決了底圈罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題,而且解決了從高強(qiáng)度鋼板到Q235B的焊接過渡問題。
3.1 罐壁設(shè)計(jì)
為提高材料利用率、平緩罐壁應(yīng)力分布和提高油罐安全性,目前十萬立方米浮頂油罐罐壁設(shè)計(jì)中采用最廣泛的是美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API650中的變設(shè)計(jì)點(diǎn)法,計(jì)算液位高度為儲液高度。隨著油罐的大型化,底部幾圈罐壁間以及底圈罐壁與環(huán)形邊緣板聯(lián)接處應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜,因此還應(yīng)通過應(yīng)力分析方法對油罐內(nèi)外表面、邊緣板與底圈罐壁內(nèi)外角環(huán)焊縫等處進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析設(shè)計(jì)以保證油罐的安全性[4]。12MnNiVR和08MnNiVR在設(shè)計(jì)條件下壁板的許用應(yīng)力為244MPa,水壓試驗(yàn)下壁板的許用應(yīng)力為261MPa。
3.2 浮頂設(shè)計(jì)
浮頂?shù)男褪街饕譃閱伪P式和雙盤式兩種。單盤式浮頂優(yōu)點(diǎn):鋼材耗量少,造價低,抗不均勻外載的能力強(qiáng),易于發(fā)現(xiàn)浮頂漏油事故;缺點(diǎn):單盤板易產(chǎn)生不均勻變形,盤板整體平整度很難控制,局部變形后易集水產(chǎn)生腐蝕和浮頂偏沉事故,隔熱效果差。雙盤式浮頂優(yōu)點(diǎn):頂板與底板之間的空氣層起到較好的隔熱作用,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,頂板變形小,有利于排水;缺點(diǎn):鋼材耗量多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價高,抗不均勻外載的能力弱。因此,浮頂型式的選擇應(yīng)綜合考慮建罐地區(qū)的地理位置、腐蝕狀況、操作工況、業(yè)主要求等多方面因素。
十萬立方米單盤油罐浮頂結(jié)構(gòu)主要是由單盤和環(huán)形浮艙兩部分組成。為防止在風(fēng)載荷作用下單盤的疲勞破壞,控制單盤板的變形,在單盤板下表面設(shè)置了徑向和環(huán)向加強(qiáng)筋;為增加浮頂?shù)目钩列?,控制單盤板的變形,在單盤中央設(shè)置了中央浮艙;單盤上還設(shè)置了呼吸閥和緊急排水裝置等安全附件。
浮頂設(shè)計(jì)準(zhǔn)則按GB 50341-2003中第8章的規(guī)定:①當(dāng)單盤式浮頂?shù)娜我鈨蓚€船艙及單盤同時泄漏、雙盤式浮頂?shù)娜魏蝺纱撏瑫r泄漏時,浮頂不沉沒;②當(dāng)排水管失效,浮頂上積存250mm降水量時,浮頂不沉沒;③在正常操作條件下,單盤與儲液之間不應(yīng)存有油氣空間,同時單盤應(yīng)有利于排水;④在滿足以上各條件下,浮頂應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的完整性,不發(fā)生強(qiáng)度或穩(wěn)定性破壞。
3.3 抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)
API650標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)儲罐直徑大于60m且征得買方和制造商同意的情況下,可以按60m直徑計(jì)算抗風(fēng)圈截面模數(shù)。目前十萬立方米浮頂油罐抗風(fēng)圈設(shè)計(jì)中,抗風(fēng)圈所需的最小截面模數(shù)按直徑60m計(jì)算。當(dāng)計(jì)算所需的抗風(fēng)圈最小截面模數(shù)較大,只設(shè)一道抗風(fēng)圈顯得有些困難或不經(jīng)濟(jì)時,抗風(fēng)圈可以分為兩道及兩道以上安裝,但相鄰兩道抗風(fēng)圈之間的高度間距必須在有效距離范圍之內(nèi)。每道抗風(fēng)圈的實(shí)際最小截面模數(shù)應(yīng)大于計(jì)算所需的最小截面模數(shù)與抗風(fēng)圈道數(shù)的比值,且相鄰兩道抗風(fēng)圈之間的高度間距不宜大于2m,每道抗風(fēng)圈的最大寬度不宜超過1.2m。
3.4 加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)
按照GB 50341-2003標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)置了第二道或第三道抗風(fēng)圈以后,進(jìn)行加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)時,應(yīng)以第二道或第三道抗風(fēng)圈為基準(zhǔn),逐步向下核算罐壁高度,以確定加強(qiáng)圈的數(shù)量、規(guī)格及位置。
3.5 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
浮頂與罐壁之間的環(huán)形空間主要依靠邊緣密封裝置來保證油罐的嚴(yán)密性。廣泛使用的密封裝置由一次密封和二次密封組成。一次密封常用的形式主要有機(jī)械密封、管式密封、彈性材料密封。目前,十萬立方米浮頂油罐一次密封多采用彈性材料密封,該密封結(jié)構(gòu)利用泡沫材料的彈性力對罐壁產(chǎn)生均勻的密封力,環(huán)形間隙適應(yīng)性好;二次密封具有擋雨板和密封雙重功能。實(shí)際上原油浮頂儲罐在長期生產(chǎn)運(yùn)行中,罐壁、浮頂變形和一次密封的局部磨損以及建罐地區(qū)較高的平均風(fēng)速等諸多因素,都會加劇油氣損耗,所以應(yīng)該選擇合適的一次密封和二次密封組合。
3.6 浮頂排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
目前常用的浮頂排水系統(tǒng)有剛性回轉(zhuǎn)接頭排水系統(tǒng)、剛性管+柔性接頭排水系統(tǒng)(樞軸式)和全柔性排水系統(tǒng)(柔性軟管)三種形式。這三種形式的排水系統(tǒng)都得到了廣泛應(yīng)用,基本上都能滿足浮頂排水的要求。根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn),2000年后的十萬立方米浮頂油罐的浮頂排水系統(tǒng)多采用全柔性排水系統(tǒng)。柔性軟管具有以下優(yōu)點(diǎn):不受浮盤側(cè)向作用力影響、連接接頭少、滲漏點(diǎn)少、安裝和更換方便。
柔性軟管排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮以下三點(diǎn):①兩根軟管分別為左旋和右旋,不會發(fā)生相互干擾;②軟管應(yīng)進(jìn)行合理的配重設(shè)計(jì),保證軟管懸垂,確保軟管不會受到液流的作用而飄蕩。③應(yīng)在距離軟管較近的位置安裝支柱保護(hù)架,以保證浮盤升降過程中軟管不會與浮盤支柱發(fā)生碰撞而被支柱扎破。
(1)前些年設(shè)計(jì)的十萬立方米原油儲罐浮盤一次密封形式大多采用進(jìn)口的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)。但從發(fā)生的幾起雷擊著火事故來看,機(jī)械密封由于結(jié)構(gòu)和制造材料等原因,發(fā)生雷擊的幾率高,故采用機(jī)械密封嚴(yán)重影響了儲罐的安全性能。目前新設(shè)計(jì)的十萬立方米油罐,機(jī)械密封形式已很少采用。
(2)為了降低一、二次密封環(huán)形空腔內(nèi)的油氣濃度,可設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)以增加氮?dú)庀♂尮δ?,使一、二次密封環(huán)形空腔內(nèi)的油氣濃度達(dá)不到爆炸下限。
(3)全柔性排水系統(tǒng)(柔性軟管)應(yīng)選用有實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)廠家的產(chǎn)品。業(yè)主若考慮價格等因素而選擇缺少實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)廠家,柔性軟管可能在試驗(yàn)過程中空間運(yùn)動軌跡不確定,導(dǎo)致軟管褶皺,造成時間和費(fèi)用的浪費(fèi)。因此,建議選擇有長期成功實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)廠家的產(chǎn)品。
(4)浮頂支柱布置應(yīng)均勻,浮頂支柱之間的距離不宜超過6m,設(shè)計(jì)時根據(jù)柔性軟管廠家的安裝要求調(diào)整軟管附近的支柱位置。
(5)要求安裝、施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求,對高強(qiáng)度鋼材的力學(xué)性能、化學(xué)性能進(jìn)行材料復(fù)驗(yàn)。
材料是決定儲罐大型化發(fā)展的關(guān)鍵因素。十萬立方米浮頂油罐罐體材料采用國產(chǎn)高強(qiáng)度鋼板12MnNiVR或08MnNiVR,避免了底圈罐壁過厚帶來的整體熱處理問題和焊接問題。
就十萬立方米浮頂油罐調(diào)研、設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行的深入探討及提出的合理建議,為今后設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
1徐英,楊一凡,朱萍等.球形和大型儲罐[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.
2傅偉慶,武銅柱,許莉.大型浮頂油罐技術(shù)發(fā)展[J].化工設(shè)備與管道,2013,50(4):1-5.
3API 650,鋼制焊接油罐[S].
4GB 50737-2011,石油儲備庫設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
5GB 50341-2003,立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
2014-04-01)
*張雪銘:高級工程師。1984年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系。長期從事化工工程設(shè)計(jì)和工程管理工作。聯(lián)系電話:(0571)88362896,E-mail:zxm@zpcdi.com。