邱國洪，錢紅華

低溫液體立式儲罐的設(shè)計(jì)計(jì)算

邱國洪，錢紅華

（張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

針對采用內(nèi)外裙座的組合支撐形式的低溫液體立式儲罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對此類產(chǎn)品的內(nèi)容器、外殼以及內(nèi)、外裙座在滿載及地震工況條件下的設(shè)計(jì)載荷等方面展開詳細(xì)深入研究，探索較為可靠、合理的計(jì)算方法，保證設(shè)備整體的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

內(nèi)裙座；外裙座；內(nèi)容器; 外殼

儲存液氧、液氮、液氬介質(zhì)的立式儲罐采用的是雙層殼體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)其夾層和外部的支撐結(jié)構(gòu)時，應(yīng)綜合考慮內(nèi)容器、外殼和內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，選擇合適的夾層支撐和外部支撐形式。行業(yè)內(nèi)對這類產(chǎn)品采用的支撐形式一般有以下兩種：一種是夾層內(nèi)部采用側(cè)壁鋼管和橫拉帶組合的支撐形式，外部采用支承式支座的支撐形式；另一種是夾層內(nèi)部采用橫拉帶和豎吊帶組合的支撐形式，而外部則采用裙座的支撐形式。近幾年隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，存儲規(guī)模越來越趨于大型化，公司每年均會承接到容積達(dá)到200 m3以上的低溫液體立式儲罐訂單30余臺，用戶對于設(shè)備的抗震和抗風(fēng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求也比較高，顯然，常規(guī)的內(nèi)外支撐結(jié)構(gòu)形式已不能滿足這些大型儲罐的承載要求。因此，選取了承載能力較高的裙座作為這些設(shè)備的夾層支撐和外部支撐元件。由于低溫液體立式儲罐的結(jié)構(gòu)與單層殼體容器存在較大差異，設(shè)計(jì)人員對于容器殼體和裙座的受力分析和計(jì)算方法不能很好地把握。本文基于張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司某項(xiàng)目200 m3立式儲罐，提出較為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

1 儲罐結(jié)構(gòu)形式介紹

200 m3立式儲罐結(jié)構(gòu)為立式雙層金屬殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)容器、外殼之間填充了膨脹珍珠巖，內(nèi)容器主體由圓形的內(nèi)筒體和兩端的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭組成，外殼主體由圓形的外筒體和兩端的THA碟形封頭組成。內(nèi)容器通過內(nèi)裙座支撐在外殼的外底封頭內(nèi)壁上，內(nèi)容器的內(nèi)底封頭與內(nèi)裙座的連接采用對接焊接形式，內(nèi)裙座殼體的內(nèi)徑與相連的內(nèi)底封頭內(nèi)徑相等，內(nèi)裙座殼與內(nèi)底封頭之間為連續(xù)焊，且為全焊透結(jié)構(gòu)。外裙座支承在外底封頭外壁上，且外裙座殼體的中徑與內(nèi)裙座殼體的中徑對齊。外裙座殼底部設(shè)置有墊板、環(huán)形蓋板、筋板、基礎(chǔ)環(huán)板。儲罐整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 儲罐結(jié)構(gòu)示意圖

2 儲罐壁厚計(jì)算

用戶提供的儲罐設(shè)計(jì)條件如表1所示。

設(shè)計(jì)時，根據(jù)內(nèi)容器的幾何容積及夾層管線的規(guī)格確定了比較合理的長徑比和夾層空間，將內(nèi)容器和外殼的尺寸分別設(shè)計(jì)為DN 3 300 mm×22 205 mm、DN 3 900 mm×24 905 mm。為了降低產(chǎn)品成本，對內(nèi)筒體采用了分段設(shè)計(jì)的方法，按照ASME第Ⅷ卷第1冊的規(guī)定，得到內(nèi)容器每一元件的設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)厚度和殼體壁厚，各元件的厚度數(shù)據(jù)見表2。

表1 儲罐設(shè)計(jì)條件

表2 殼體壁厚

3 水壓試驗(yàn)時內(nèi)筒體的應(yīng)力校核

基于ASME第Ⅷ卷第1冊UG-99的規(guī)定，按內(nèi)壓設(shè)計(jì)的內(nèi)容器在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時，任一點(diǎn)的壓力至少應(yīng)等于最大許用工作壓力的1.3倍[1]。因此，內(nèi)容器與外殼組裝前，立置時內(nèi)容器的水壓試驗(yàn)壓力至少應(yīng)為0.58 MPa。對于立式儲罐采用臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)時，水壓試驗(yàn)壓力還需計(jì)入立置試驗(yàn)時的液柱靜壓力0.24 MPa[2]，因而臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力至少應(yīng)為0.82 MPa。

同時，根據(jù)用戶要求，立置水壓試驗(yàn)條件下內(nèi)容器底部的壓力載荷不得低于其在內(nèi)容器氣相空間壓力達(dá)到爆破片裝置的設(shè)計(jì)爆破壓力時承受的壓力，按公式（1）計(jì)算得到該壓力為0.87 MPa。為了不降低各受壓元件的任一點(diǎn)在試驗(yàn)條件下的應(yīng)力水平，臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力也應(yīng)不低于0.87 MPa。

式中：p—立置水壓試驗(yàn)條件下內(nèi)容器底部的壓力載荷，MPa；

—爆破片裝置的設(shè)計(jì)爆破壓力，MPa，=0.456 MPa（用戶PID設(shè)定值）；

△—額定充滿率時液氬的液柱靜壓力，MPa，△=0.31 MPa。

臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)時的液柱靜壓力按公式（2）計(jì)算：

p=×1 000×9.81÷106（2）

p≈0.033 MPa

式中：—內(nèi)容器內(nèi)直徑，=3 300 mm。

校核各受壓元件在水壓試驗(yàn)條件下的應(yīng)力水平時，內(nèi)筒體所取得壁厚應(yīng)扣除鋼板的壁厚偏差0.3 mm及腐蝕裕量，內(nèi)封頭所取的壁厚應(yīng)為封頭最小成型厚度，所取的壓力還應(yīng)計(jì)入液柱靜壓力0.033 MPa，即0.903 MPa。按照UG-27及UG-32內(nèi)壓殼體的壁厚計(jì)算公式，得到表3所列的內(nèi)容器各受壓元件在水壓試驗(yàn)時的最大總體薄膜應(yīng)力值，該薄膜應(yīng)力不得超過材料Rp0.2的90%。

表3 各受壓元件的最大總體薄膜應(yīng)力

針對水壓試驗(yàn)時上段內(nèi)筒體的環(huán)向薄膜應(yīng)力水平超標(biāo)的情況，對材料的屈服強(qiáng)度作了合理的調(diào)整。鑒于PV Elite軟件允許由用戶在材料特性窗口中手動輸入材料的屈服強(qiáng)度和水壓試驗(yàn)時材料的許用應(yīng)力[3]，且內(nèi)容器用鋼板是同時滿足SA-240M 304、GB/T 24511和EN10027-8三個標(biāo)準(zhǔn)的材料，因此在PV Elite軟件中將上段內(nèi)筒體材料的屈服強(qiáng)度提高至GB/T 24511—2017的Rp0.2規(guī)定值220 MPa，水壓試驗(yàn)時的許用應(yīng)力也相應(yīng)地提高至198 MPa，據(jù)此判定上段內(nèi)筒體的壁厚能滿足水壓試驗(yàn)工況。

4 外筒體下端應(yīng)力校核方法

外筒體下端的壓應(yīng)力由真空-0.1 MPa軸向應(yīng)力、該截面以上的操作質(zhì)量和垂直地震力引起的軸向應(yīng)力以及該截面處的地震彎矩引起的軸向應(yīng)力疊加而成。在應(yīng)用PV Elite軟件進(jìn)行外筒體應(yīng)力校核時，首先按習(xí)慣做法，采用與單層容器的地震載荷計(jì)算方法一樣，將內(nèi)容器質(zhì)量及液氬質(zhì)量全部加載進(jìn)參與地震載荷計(jì)算的質(zhì)量中去，這時外筒體下端的組合壓應(yīng)力超過了許用軸向壓應(yīng)力，導(dǎo)致外筒體下端的壓應(yīng)力校核無法通過。

為了解決這一問題，對該儲罐的內(nèi)容器和外殼的設(shè)計(jì)載荷和壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，外筒體下端的地震彎矩引起的軸向應(yīng)力占據(jù)了組合壓應(yīng)力的大部分，對參與外筒體地震載荷計(jì)算的質(zhì)量考慮得過于保守。由于該產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上與單層殼體容器（如塔式容器）存在較大的差異，內(nèi)容器與外殼是兩個獨(dú)立的殼體，因此，不必將內(nèi)容器和液氬的質(zhì)量計(jì)入?yún)⑴c外筒體地震載荷計(jì)算的質(zhì)量中。當(dāng)PV Elite的外殼模型中移除這兩部分質(zhì)量后，外筒體下端截面處地震彎矩引起的軸向應(yīng)力則得到了明顯下降，其壓應(yīng)力被有效控制在許用軸向壓應(yīng)力范圍內(nèi)。

5 外裙座殼等元件的強(qiáng)度計(jì)算

與外筒體不同的是，外裙座殼承載了整臺設(shè)備上所有零部件和液氬的質(zhì)量。對于外底封頭以下的外裙座殼體、基礎(chǔ)環(huán)、蓋板、筋板和地腳螺栓的強(qiáng)度計(jì)算，需在PV Eliet軟件中另外建立模型，并考慮內(nèi)容器和介質(zhì)的質(zhì)量。

6 結(jié)論

殼體應(yīng)力校核和裙座殼、基礎(chǔ)環(huán)、蓋板和地腳螺栓的強(qiáng)度校核是裙座式支撐低溫液體儲罐計(jì)算內(nèi)容的重要組成部分。從事儲罐設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員只有較準(zhǔn)確地對儲罐各個零部件的受力情況作出正確的判斷，才能更好地保障儲罐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

［1］Feldstein J G, Chair, et al. ASME Boiler and Pressure Vessel Code An International Code Ⅷ RULES FOR CONSTRUCTURE OF PRESSURE VESSELS Division 1［S］. ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Pressure Vessels，2019．

［2］壽比南，李世玉，楊國義，等．GB/T 150.1~150.4—2011壓力容器［S］. 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2012.

Design Calculation of Cryogenic Liquid Vertical Storage Tank

,

(Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China)

In view of the structure characteristics of the cryogenic liquid vertical storage tank with the combination of internal and external skirt supports, the design loadsof container, shell and internal and external skirt under the working conditions and earthquake condition were in-depth studied, and more reliable and reasonable calculation method was explored to ensure the overall safety and economy.

Inner skirt; Outer skirt; Inner container ;Shell

2020-08-03

邱國洪（1976-），男，工程師，江蘇省張家港市人，1998年畢業(yè)于西安理工大學(xué)，研究方向：低溫容器及配套設(shè)備研發(fā)。

TQ050.2

A

1004-0935（2020）12-1519-03