張楠 程鵬 張浩 趙翠玲 鐘翔

（1.中國(guó)石油北京項(xiàng)目管理公司天津設(shè)計(jì)院，天津300457）

(2，中國(guó)石油塔里木油田分公司， 庫(kù)爾勒841010）

隨著我國(guó)國(guó)際化的步伐加快，越來(lái)越多的企業(yè)進(jìn)入馬來(lái)西亞油氣市場(chǎng)。例如中國(guó)石油天然氣管道局2016年進(jìn)入馬來(lái)市場(chǎng)，現(xiàn)已承接幾個(gè)重大項(xiàng)目，其中RAPID項(xiàng)目是其承攬馬來(lái)國(guó)家石油公司的一個(gè)重大工程。球罐是重要的儲(chǔ)存容器。我國(guó)有專(zhuān)門(mén)的球罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB12337＜＜鋼制球形儲(chǔ)罐》[1]用來(lái)指導(dǎo)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)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(gè)部分考慮，分析了其受力，并給出了相應(yīng)的計(jì)算公式或經(jīng)驗(yàn)取值。但馬來(lái)西亞同許多國(guó)家一樣并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的球罐標(biāo)準(zhǔn)。而且部分馬來(lái)業(yè)主并不承認(rèn)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的有效性。所以采用馬來(lái)標(biāo)準(zhǔn)本土化設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要。

PTS標(biāo)準(zhǔn)是馬來(lái)石油公司編制的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了油氣處理的各個(gè)方面。它參考了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與歐盟標(biāo)準(zhǔn)，形成了獨(dú)特的標(biāo)準(zhǔn)體系。對(duì)于壓力容器來(lái)說(shuō)，主要遵循馬油標(biāo)準(zhǔn)PTS31.22.20.31＜＜?jí)毫θ萜骷夹g(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(lái)RAPID項(xiàng)目為例，介紹以PTS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的6000m3丙烯球罐的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。

1 馬來(lái)球罐設(shè)計(jì)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(guó)常規(guī)設(shè)計(jì)不同，馬來(lái)球罐拉桿并不設(shè)置調(diào)節(jié)螺母（國(guó)內(nèi)常規(guī)做法：拉桿設(shè)置調(diào)節(jié)螺母），而是拉桿相互焊接或通過(guò)鋼板連接（見(jiàn)圖1-1）。殼體與接管由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，RAPID項(xiàng)目中馬方要求采用ASME VIII DIV2中相關(guān)公式進(jìn)行校核。而支柱由于其與球殼連接處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并承受自重、壓力、地震、風(fēng)載等組合載荷，且無(wú)相應(yīng)公式計(jì)算，故馬方要求采用有限元校核。

圖1-1 馬來(lái)球罐拉桿連接結(jié)構(gòu)

球殼與接管計(jì)算因?yàn)锳SME VIII DIV2[3]中有相關(guān)公式，本文將不再贅述。本文將重點(diǎn)對(duì)支柱與拉桿的有限元設(shè)計(jì)方法要求進(jìn)行描述。

本工程丙烯球罐考慮到海運(yùn)對(duì)鋼板長(zhǎng)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(shè)計(jì)中需要考慮的重點(diǎn)部分。對(duì)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(zhǎng)圓型。本次球罐設(shè)計(jì)中，為減少應(yīng)力，支柱與球殼連接采用了U型托板改進(jìn)型：徑向托板結(jié)構(gòu)。

2 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件及載荷

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件

丙烯球罐具體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)見(jiàn)表2-1.

表2-1 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)意義：

L1 :設(shè)備質(zhì)量；

L2 :最大操作液位下介質(zhì)質(zhì)量；

L31:設(shè)計(jì)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(yàn)下設(shè)備充水質(zhì)量；

L6 :按ASCE7計(jì)算；

L7：地震載荷，本工程SDS=0.29g。

1）風(fēng)載荷計(jì)算

風(fēng)載荷根據(jù)ASCE7風(fēng)載公式

Fw=qzG CfAf

qz=0.613kzkztkdv2

陣風(fēng)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(hào)定義見(jiàn)ASCE7。

2) 載荷工況選擇

考慮到荷載組合中最嚴(yán)重的情況，對(duì)8種組合工況進(jìn)行了分析。工況3、工況5和工況6被視為最嚴(yán)重工況，應(yīng)分別進(jìn)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(duì)工況5的校核進(jìn)行詳細(xì)描述，其余工況分析與工況5類(lèi)似。

3 工況5校核計(jì)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(jiàn)表3-1。因?yàn)橐治龅卣鹋c風(fēng)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(yīng)力云圖

分析模型建立后應(yīng)對(duì)模型施載，每個(gè)施載模型（包括自重、壓力、地震、風(fēng)載、熱載等）均按施加步驟列于計(jì)算書(shū)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(yīng)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(yīng)力數(shù)值后，采用ASME VIII DIV2中的方法對(duì)應(yīng)力評(píng)估，本次工況的評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表3-2

表3-2 應(yīng)力評(píng)估結(jié)

圖3-4 上支柱應(yīng)力云圖

圖3-5 下支柱應(yīng)力云圖

圖3-6 拉桿應(yīng)力云圖

3.3 結(jié)果分析

4 結(jié)論

本文以馬來(lái)RAPID項(xiàng)目中球罐為例，論述了馬來(lái)球罐的計(jì)算與注意要點(diǎn)。馬來(lái)球罐計(jì)算主要基于ASME VIII DIV2, 接管補(bǔ)強(qiáng)采用DIV2中公式法。而支柱與拉桿的計(jì)算，采用有限元方法分析。與國(guó)內(nèi)球罐標(biāo)準(zhǔn)不同的是，馬來(lái)球罐載荷工況分為8個(gè)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)8個(gè)工況中最嚴(yán)重的幾個(gè)工況進(jìn)行分別校核。