于曉紅，于宏偉

1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京100028

2.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028

海洋平臺矩形常壓容器的幾何容積尺寸分析設(shè)計

于曉紅1，于宏偉2

1.中國石油集團海洋工程有限公司，北京100028

2.中國石油技術(shù)開發(fā)公司，北京100028

在空間有限的海洋石油平臺上，矩形常壓容器應(yīng)用廣泛。但由于尺寸規(guī)格不規(guī)范（尤其是關(guān)于充裝量），造成浪費。以一個矩形常壓容器的設(shè)計為例，按照四邊簡支以及三邊簡支、一邊自由的條件對承受液體靜壓的矩形板進(jìn)行力學(xué)計算，充分考慮加強筋對容器強度的加強作用，結(jié)合工程實際進(jìn)行修正優(yōu)化，從而得到工程實用的矩形常壓容器的系列尺寸設(shè)計，減輕了設(shè)計人員多年來的勞動強度，提高了設(shè)計效率。

海洋平臺；矩形常壓容器；設(shè)計計算；制造要求

在石油化工工業(yè)中，通常使用圓筒形、球形等各種形狀和尺寸的容器儲存介質(zhì)。在空間有限的海洋石油平臺上，矩形常壓容器更為適宜，能很好地利用空間，并且易于加工制造，常用于柴油、淡水等液體介質(zhì)的貯存、緩沖或工藝處理。渤海某平臺上的淡水罐、開排罐、柴油罐、緩沖罐等容量不同，但均采用了矩形常壓容器。矩形截面的常壓容器屬于平板結(jié)構(gòu)，除受拉應(yīng)力作用外，還存在較大的彎曲應(yīng)力，只適用于流體靜壓較低的工況。

傳統(tǒng)的壓力容器設(shè)計中，為保證容器的安全性，在設(shè)計中盡量增大壁厚，以增加承壓能力。本文按照四邊簡支以及三邊簡支、一邊自由的條件承受液體靜壓的矩形板為力學(xué)模型計算，合理采用加強筋對壓力容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果與ANSYS軟件分析相符，并符合NB/T47003的要求。同時結(jié)合工程實際進(jìn)行修正計算，進(jìn)行矩形常壓容器的設(shè)計。對于常用的矩形常壓容器，其容積范圍一般為1～280 m3，為避免重復(fù)計算，筆者總結(jié)整理出1～280 m3之間矩形常壓容器系列計算方法，極大地減輕了設(shè)計人員的勞動強度，提高設(shè)計效率。為節(jié)省篇幅，本文僅以一個120 m3的矩形常壓容器設(shè)計為例，說明其工程計算方法。

1 矩形常壓容器的容積和尺寸計算

1.1 矩形常壓容器的設(shè)計條件

1.1.1 矩形容器的適用范圍

非加固矩形容器的容積≤1 m3；加固矩形容器的容積≤280 m3，從經(jīng)濟上考慮，使用加強筋是合理的。矩形容器可放于平面基礎(chǔ)上，也可使用型鋼支承，當(dāng)用型鋼支承時，應(yīng)進(jìn)行分析驗算，來確定支承的間距和底板厚度。

1.1.2 充裝容積型式

充裝容積型式按充裝系數(shù)超出標(biāo)定容積后的容積和充裝系數(shù)未超出標(biāo)定容積后的容積兩種情況分別進(jìn)行考慮。

1.1.3 設(shè)計工況

根據(jù)矩形容器所使用的條件，給出的設(shè)計工況包括：設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、工作壓力、工作溫度、試驗壓力、充裝介質(zhì)、介質(zhì)密度和腐蝕余量等。

1.2 充裝容積和尺寸計算

矩形常壓容器的設(shè)計計算根據(jù)以往的使用經(jīng)驗和目前的實際應(yīng)用情況，考慮按照0.75、0.8、0.85、0.9、0.95和1.0六種充裝系數(shù)情況，對矩形常壓容器進(jìn)行設(shè)計。

考慮到經(jīng)濟性、合理性且適用于海上平臺，對于矩形常壓容器高度H的確定，通過分析對比以往的經(jīng)驗和海上平臺層高的限制來確定；對于長度L和寬度B，分以下兩種情況來確定：

（1）當(dāng)1 m3≤V≤ 7 m3時，則：

（2）當(dāng)7 m3＜V≤ 280 m3時，則：

表1和表2分別列出了標(biāo)定容積V為120.0 m3、標(biāo)定尺寸L×B×H為7.426 1 m×5.049 8 m×3.2 m的矩形常壓容器在六種充裝系數(shù)下，超出標(biāo)定容積V1和未超出標(biāo)定容積V2的容積和尺寸規(guī)格。

表1 超出標(biāo)定容積（120.0 m3）的容積和尺寸

對于1～280 m3矩形常壓容器，可采用上述方法來確定長、寬、高的尺寸，這樣可使矩形常壓容器的尺寸設(shè)計規(guī)格化、系統(tǒng)化、實用化，從而省時省力。

表2 未超出標(biāo)定容積（120.0 m3）的容積和尺寸

1.3 加強筋的選用及壁厚的確定

由于矩形常壓容器受力的特殊性，一般容積較大的容器都需要采用各種不同橫截面的加強筋以減小壁厚并有效增加剛度的方法，包括頂邊加固、垂直加固、橫向加固、拉桿加固、垂直和橫向組合加固及帶雙向水平聯(lián)桿垂直加固等型式。加固用型鋼主要有扁鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼、槽鋼和工字鋼等。

對于120.0 m3的矩形常壓容器，選取最常用的充裝系數(shù)0.85，對其超出標(biāo)定容積后的容積和尺寸規(guī)格進(jìn)行加筋、壁板、底板支承等的計算，按照NB/T 47003標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際進(jìn)行修正。根據(jù)表1，此容器超出標(biāo)定容積后的容積V1=141.177 m3，相應(yīng)的長L1=8.0 m、寬B1=5.5 m、高H1=3.2 m。為安全考慮，對于高度H＞2 200 mm的矩形容器，通常在設(shè)置垂直加強筋的同時，再加一些橫向加強筋，這樣可以增加剛度，減小壁板厚度，即具有垂直和橫向加固的聯(lián)合體。經(jīng)過計算，頂邊加固和橫向加固的加強筋采用角鋼，垂直加固的加強筋采用槽鋼，底板采用支承型鋼加固；腐蝕余量采用海洋平臺所要求的3 mm，其計算結(jié)果如表3所示。

表3 容積為120.0 m3的矩形常壓容器壁厚及加強筋

通常情況下，矩形常壓容器的加筋可只采用頂邊加固，壁板的橫向筋、豎向筋加固，以及底板被支承的型鋼加固。其中橫向筋、豎向筋的尺寸可相同。加強筋與壁板的組合提高了壁板強度，其影響的尺度范圍約為15倍的壁板厚度，一般取30倍的壁板厚度。壁板加強和壁板不加強時，二者的強度相差約25%，從而降低制造成本。

2 常壓容器的主要制造要求

2.1 材料

常壓容器的焊接結(jié)構(gòu)用鋼應(yīng)是焊接性良好的鋼材，所有的管件是無縫鋼管，所有直接焊接到罐體上的材料選用與罐殼和罐頂性能規(guī)格類似的可焊接材料，所有的外螺栓、螺母和墊片都應(yīng)經(jīng)過鍍鎘處理，并盡量減小或消除其脆度。

2.2 人孔、接管和檢查孔

每個常壓容器都應(yīng)有用于檢修、清掃和維修保養(yǎng)的人孔或手孔，人孔內(nèi)徑最小為20in（1in=25.4mm），手孔內(nèi)徑最小為8 in。所有3 in以上的接管都需補強，接管壁厚的選取應(yīng)符合相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，所有罐上接管、法蘭的螺栓孔都開在法蘭中軸線上，需要操作員注意或者定期維修保養(yǎng)的接管開口應(yīng)設(shè)置在方便維護的地方。所有內(nèi)部可拆卸構(gòu)件都應(yīng)做成能順利通過人孔的規(guī)格。

2.3 焊接

矩形常壓容器壁板的焊接應(yīng)采用全熔透焊接，焊縫的布置應(yīng)便于對常壓容器的主焊縫內(nèi)部和外部進(jìn)行檢查。罐體角焊縫應(yīng)焊透并且從兩邊開始焊接，或者在拐角上面的平板處采用雙面全透焊；接管和接箍應(yīng)采用全焊透焊接到罐體上。所有吊耳、托架、結(jié)構(gòu)型鋼等的焊接，其任意兩個焊縫邊的距離應(yīng)取以下兩值中的較大值：100 mm或3倍較厚焊接部分的厚度。當(dāng)金屬溫度不大于5℃時，不能進(jìn)行焊接作業(yè)，需對其進(jìn)行預(yù)熱處理；所有的角焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊。

2.4 無損檢測

所有常壓容器和附件的焊接及所有焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的外觀檢驗；對焊焊縫應(yīng)進(jìn)行局部射線探傷檢驗，當(dāng)要求局部進(jìn)行射線探傷時，所有的焊縫交匯處和修復(fù)區(qū)域都應(yīng)進(jìn)行射線探傷檢查，并至少拍一張射線照片；容器壁角接處焊縫和對焊焊縫、接管和補強圈、加強筋、附件和內(nèi)部零件的密封焊接應(yīng)進(jìn)行100%的磁粉探傷檢測。

2.5 水壓試驗

在水壓試驗之前需清理常壓容器內(nèi)部和外部的焊渣、氧化皮、污垢等，用清水進(jìn)行水壓試驗，試驗完成后，將容器內(nèi)的清水排干并且徹底干燥。在注入清水的過程中，常壓容器應(yīng)進(jìn)行放空，防止加壓前產(chǎn)生氣泡；在模擬正常操作工況下，對常壓容器進(jìn)行水壓試驗，并保證足夠的試驗時間，至少為1 h。在水壓測試之前，鞍座和管嘴補強圈的檢查孔應(yīng)進(jìn)行100 kPa的氣密性試驗，試驗介質(zhì)的溫度應(yīng)≥5℃。

3 工程實例

某渤海海洋平臺上的淡水罐，儲存介質(zhì)淡水，操作溫度5～35℃，操作壓力常壓，設(shè)計溫度50℃，設(shè)計壓力-0.5～2.7 kPa，有效容積120 m3。充裝系數(shù)0.85，根據(jù)表1得到，超出標(biāo)定容積后的容積V1=141.177 m3，長L1=8.0 m、寬B1=5.5 m、高H1=3.2 m。根據(jù)1.3節(jié)選擇加強筋和壁厚，表4為淡水罐的各部件材料選用情況。圖1為淡水罐的三維模型示意。

表4 海洋平臺淡水罐的各部件材料選用

圖1 淡水罐三維模型示意

該淡水罐制造后進(jìn)行水壓試驗，并進(jìn)行100%磁粉檢測及局部射線檢測，各項檢測結(jié)果均符合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

矩形常壓容器在海洋平臺應(yīng)用較多，本文以一個120 m3容積的海洋平臺淡水罐計算設(shè)計為例，介紹了淡水罐尺寸的確定和加強筋的合理優(yōu)化選用，設(shè)計的產(chǎn)品經(jīng)水壓試驗和檢測，證明設(shè)計是合理、安全、可靠的。

此方法可推廣至1～280 m3矩形常壓容器的計算、整理和歸納，形成了系列化、規(guī)格化的工程實用的矩形常壓容器的系列尺寸設(shè)計方法，具有方便、實用的優(yōu)點，減輕了設(shè)計人員的勞動強度，提高了設(shè)計效率，可為海上平臺矩形常壓容器的設(shè)計提供技術(shù)支持。

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加快推進(jìn)我國南海天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程國土資源部、廣東省、中國石油簽署合作協(xié)議

2017年8月24日，國土資源部、廣東省人民政府、中國石油集團在北京簽署《推進(jìn)南海神狐海域天然氣水合物勘查開采先導(dǎo)試驗區(qū)建設(shè)戰(zhàn)略合作協(xié)議》。

國土資源部部長、國家土地總督察姜大明指出，要充分認(rèn)識推進(jìn)天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化對于保障國家能源安全、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，支撐海洋強國戰(zhàn)略、促進(jìn)海洋經(jīng)濟發(fā)展，實現(xiàn)勘查開發(fā)領(lǐng)跑、支撐創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要意義。姜大明強調(diào)，要通過加強部、省、企合作的組織領(lǐng)導(dǎo)、加快資源管理政策和產(chǎn)業(yè)政策研究與制定、發(fā)揮各自優(yōu)勢落實各方責(zé)任，依靠科技進(jìn)步，發(fā)揮制度優(yōu)勢，加快研發(fā)進(jìn)程，加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，力爭新資源早日服務(wù)于粵港澳大灣區(qū)建設(shè)和社會經(jīng)濟發(fā)展，為保障國家能源安全做出新的更大貢獻(xiàn)。

廣東省委副書記、省長馬興瑞馬興瑞表示，廣東省將認(rèn)真落實三方協(xié)議，以先導(dǎo)試驗區(qū)建設(shè)為契機，認(rèn)真落實職責(zé)分工，制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新機制，發(fā)展海洋裝備制造業(yè)，建設(shè)強有力的海洋管理隊伍，加快推進(jìn)南海天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化工作。

中國石油集團黨組書記、董事長王宜林在講話中指出，在三方的共同努力下，今年5月在神狐海域?qū)崿F(xiàn)天然氣水合物穩(wěn)定試采，取得持續(xù)時間最長、產(chǎn)氣總量最大、氣流穩(wěn)定、環(huán)境安全等多項重大突破性成果，向天然氣水合物工業(yè)化開發(fā)邁出了關(guān)鍵一步。王宜林強調(diào)，中國石油集團將積極開展試采關(guān)鍵工程技術(shù)科技攻關(guān)，盡快突破甜點識別、分支水平井鉆完井、儲層防砂舉升工藝等技術(shù)難題，全力參與試采工業(yè)化現(xiàn)場試驗，努力提高單井產(chǎn)量、降低試采成本、有效保護環(huán)境，為天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化規(guī)模建產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

此次戰(zhàn)略合作協(xié)議的簽署，標(biāo)志著我國天然氣水合物勘探開發(fā)事業(yè)進(jìn)入一個嶄新階段。

摘自：http://www.cpoe.cnpc/zgsyjthygcyxgs/ttxw/Pages/20170828_C59.aspx

（本刊摘錄）

Analysis and design ofgeometric volume and dimension ofrectangular atmospheric vessels on offshore platforms

YU Xiaohong1，YU Hongwei2
1.CNPC Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100028，China
2.China Petroleum Technology&Development Corp.，Beijing 100028，China

Rectangular atmospheric vessels are widely applied on offshore platforms in order to suit for the platform narrow space，but it may stillcause waste due to the nonstandard dimension and specification（especially for the filling volume）.This paper takes the design of a rectangular atmospheric tank as an example，and conducts mechanical calculation of the rectangular plate under hydrostatic pressure with the respective conditions of the four simple supported edges and the three-simple supported edges plus one simple supported edge.It considers the effect of reinforcing bars on the vessel strength， modifies and optimizes the results combined with the actual engineering condition，then obtains a series of dimension designs of the rectangular atmospheric pressure vessels suitable for practical engineering application.The research results can reduce labor intensity of designers and improve design efficiency.

offshore platform；rectangular atmospheric vessel；design calculation；manufacturing requirement

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.009

于曉紅（1980-），女，遼寧瓦房店人，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），博士，主要從事海洋平臺機械設(shè)備、壓力容器設(shè)計工作。Email：yuxh.cpoe@cnpc.com.cn

2017-07-06；

2017-08-09