1萬m3低溫液氨雙壁儲罐設計

張毓科

（天津渤?；ぜ瘓F規劃設計院，天津 300450）

經驗交流

1萬m3低溫液氨雙壁儲罐設計

張毓科

（天津渤?；ぜ瘓F規劃設計院，天津 300450）

對1萬m3大型低溫液氨雙壁儲罐的設計和建造標準及規范、接管結構、保冷結構及安全泄放裝置的設計進行了介紹，為低溫液化氣體的大型低壓雙壁罐的設計提供參考，為相關設計和建造的標準及規范提供補充。

低溫液氨雙壁儲罐；結構形式；保冷；接管結構；安全泄放裝置

實聯化工100萬t／a聯堿工程配套的40萬t／a合成裝置采用卡薩利技術，為滿足使用要求，系統設置了2個有效容積為1萬m3低溫液氨雙壁儲罐，主要設計參數見表1。

表1 1萬m3低溫液氨雙壁儲罐設計參數

70年代后期，大型雙壁金屬低溫儲罐由于具有常壓儲存、制造成本低、便于大型化、相對占地面積小、操作簡單及運行費用低等特點，被廣泛用來儲存液氨、液化石油氣、乙烯等低溫液體。本罐結構由內罐、外罐、中間保冷材料、安全泄放裝置及測量分析儀表等部分組成，內罐與外罐各自獨立，內罐與外罐之間設有保冷結構并充有低壓氮氣保護。

設計和建造的標準及規范：按照SY／T 0608－2006《大型焊接低壓儲罐設計與建造》、API標準2008年2月第十一版《大型焊接低壓儲罐設計與建造》及SH／T 3537－2009《立式圓筒形低溫儲罐施工技術規程》，進行設計和建造。上述標準對低溫儲罐的選材、主要元件的強度計算做了規定，對結構、建造等僅給出了最基本的規定，對設計、建造這類低溫儲罐所需的其它要求，如保冷、接管結構等問題并沒有做出規定，這也是設計、建造低溫雙壁罐所必須要解決的問題。

1 保冷結構設計

大型低溫儲罐保冷分罐底保冷、內罐體保冷、罐頂保冷。處理不好造成冷量散失大，使得冰機負荷增加，必將直接影響運行中能耗，這也是大型低溫儲罐設計、建造應該解決的問題。

1.1 罐底保冷

內罐底保冷結構見圖1。包括兩部分：一是罐底邊緣板下的保冷支撐圈梁，這部分要求有較高的抗壓強度及較低的導熱系數。目前大多采用珍珠巖混凝土制成圈梁或木塊組合成圈梁。另一部分是罐底中幅板下的保冷層，要求有一定的強度并滿足保冷需要。

圖1 保冷結構圖

考慮到本罐所處環境，外部圈梁用珍珠巖混凝土制作，珍珠巖混凝土的強度與其導熱系數有密切的關系，強度越高則導熱系數也越高，另外其強度還與混凝土含水量有關，根據API620要求，圈梁采用GB1344標準號525的水泥與導熱系數≤0.1kJ／h ·m2℃、密度為80～120kg／m3、含水量≤0.5%（不含任何有機物）的珍珠巖制成，參考配比按m（水泥）∶m（珍珠巖）≈1∶6，設計要求施工單位應根據實驗數據確定具體配方比例，要求性能保證：抗壓強度≥0.8MPa、空氣干燥后導熱系數≤0.5kJ／h· m2℃。

內罐底中幅下保冷結構主要受液體靜壓力及罐內氣體壓力的影響，選用ZE800高性能閉孔泡沫玻璃磚（符合ASTM標準），抗壓強度≥0.8MPa、導熱系數≤0.56kJ／h·m2℃、吸水率≤0.5%（體積），底層鋪以δ＝3mm的SBS彈性瀝青氈，隔氣隔潮，使泡沫玻璃磚承載均勻。

1.2 罐壁保冷

根據本罐的使用工況，使用溫度不是深冷且操作過程中溫度變化不大，內罐側壁先包覆δ＝75 mm的玻璃棉（帶鋁箔），再充填珠光砂，工況下通以低壓氮氣保護，防止空氣的進入。

1.3 罐頂保冷

內罐頂為平吊頂結構，包覆兩層δ＝150mm的玻璃棉（帶鋁箔），并附加一些其它措施即可滿足保冷需要。

2 內、外罐接管結構

內、外罐壁接管結構主要考慮內罐與外罐的不均勻沉降，內罐與外罐溫差變化而造成接管在垂直方向及水平方向的位移，本罐采用圖2結構，可以有效的解決罐壁及接管的局部應力增大問題，波形膨脹節采用通用型結構，并考慮垂直方向及水平方向的補償量。

圖2 罐壁接管結構圖

3 安全泄放裝置的選用

3.1 設置安全泄放裝置的必要性

由于種種原因，儲罐在使用時存在超壓的可能。為了確保儲罐安全可靠地運行，設計上應采取防范措施，避免發生超壓，且一旦發生超壓能自動、迅速泄壓，因此儲罐必須設置安全泄放裝置。本儲罐安全泄放裝置選擇主要考慮如下因素：操作及保冷損壞等原因引起罐內溫度升高導致壓力升高；由于本罐的儲存容量為1萬m3，容量及熱容量都很大，進出料造成的壓力波動可以忽略不計；容量及熱容量都很大，發生超壓時速度比較平穩；儲罐采用弱頂結構。

因此內罐采用2個DN200的先導式安全閥，外罐采用2個緊急放空閥。

3.2 先導式安全閥工作原理及特點

1）工作原理

大型低溫液體儲罐宜采用先導式低壓安全閥，它由導閥控制主閥，導閥采用的薄膜面積較大，在很低的工作壓力下仍然具有足夠的作用力，從而控制主閥動作。

2）結構特性

①安全閥回座壓力大。安全閥的關閉程度主要受閥的關閉力影響，先導式安全閥前壓力越高，閥門關閉越嚴密。而普通彈簧式安全閥恰恰相反，閥前壓力越接近設定壓力，閥門關閉壓力越小，越容易泄露。

②密封性能好。先導式安全閥大多采用軟密封，密封性能良好。而普通彈簧式安全閥大多采用的是硬密封，受材料硬度、機械加工精度、安裝誤差等影響較大，密封性能相對較差。

③啟前泄漏量少。當先導式安全閥在閥前壓力達到設置壓力前，開始泄露較晚并且泄露量較少，而閥前壓力降到設定壓力以下時，又較早關閉，從而減少了泄露及過量排放。

④工作特性不受背壓影響。它可以承受較高的背壓而不影響泄壓系統工作，給泄壓系統的設計提供了較大余地，同時使泄壓系統的運行有較高的可靠性。

⑤入口取壓準確。它的導壓管可以加長，可以直接接在壓力源或管道上取壓。這樣既可以直接檢測被保護系統實際壓力，又不受安全閥入口管道壓降過大的影響而使安全閥工作失常。

⑥先導式安全閥還可以配上各種附件改變它的特性，如防止背壓回流、導閥取壓過濾、手控泄放、遙控泄放等。

鑒于先導式安全閥的上述特點，大型低溫液體儲罐上選用該閥能夠滿足使用需要，也是安全可靠的。

3.3 先導式安全閥泄放量的計算

安全閥安全泄放量主要考慮以下幾個方面的因素：

①儲罐向外輸送液體時，造成儲罐內壓力降低，需要吸入氣體，保證儲罐內不產生負壓。

②向儲罐內輸送液體時，儲罐內壓力升高，需要排出氣體，保持儲罐壓力平衡。

③氣候等因素引起儲罐內介質蒸汽壓升高或降低，造成呼出或吸入氣體，保持儲罐壓力平衡。

以上①、②兩因素與儲存量、流體輸送量、儲存介質性質有關。有完善絕熱材料保溫層的液化氣體壓力容器泄放量的計算公式［1］為：

式（1）是指在火災危險環境工作的安全泄放量。本裝置置于無火災危險的環境，氣泄放量為30% Ws。綜合上述計算，確定先導式安全閥的口徑及數量。

4 外罐的安全措施

在正常工作條件下，外罐內充以低壓氮氣，防止外部空氣的進入，一旦內罐發生泄漏氣化或其它操作原因，會造成外罐壓力升高，為了確保外罐的安全，在外罐頂部設置2個緊急放空閥。

5 結 語

本文對實聯化工100萬t／a聯堿工程配套的40萬t／a合成裝置的大型低溫液氨雙壁罐的設計和建造標準及規范、接管結構、保冷結構及安全泄放裝置的設計進行了介紹，這些問題相應設計標準中沒有提及或沒有具體要求，而這些問題恰好是大型低溫儲罐必須要解決的問題，通過本文的介紹，相信會對大型低溫儲罐設計提供有益的經驗和幫助。

［1］ 國家技術監督局.鋼制壓力容器GB150－1998［S］.北京：中國標準出版社，1998

［2］ 徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲罐［M］.北京：化學工業出版社，2005

［3］ API STANDARD 620ELEVENTH EDITION，FEBRUARY 2008，Design and Construction ofLarge，Welded，Low－pressureStorage Tanks［S］

TQ 053.2

B

1005－8370（2012）01－25－03

2011－12－01

張毓科（1958—），1983年畢業于山東化工學院化工機械專業，高級工程師，注冊機械工程師，持有壓力容器設計審批人員證書，現任天津渤?；ぜ瘓F規劃設計院副院長。