2000m3液化石油氣球罐的設計研究

王 碩，田 甲，張 健

（1.中國石化管道儲運公司華東管道設計研究院，江蘇 徐州 221008；2.石家莊安瑞科氣體機械有限公司，河北 石家莊 051430）

隨著石油和煉油化工工業的迅速發展，液化石油氣作為一種化工基本原料和新型燃料，使用范圍越來越廣，相應的液化石油氣貯罐的建設逐步加快。球形貯罐由于具有容積大、占地面積小、鋼材用量少、受力狀況比較好、基礎簡單以及運行管理方便等優點，得到了廣泛的應用，其中最常用的是2 000 m3液化石油氣球形貯罐。

1 設計、檢驗應遵循的主要標準

2 000 m3液化石油氣球罐設計參數見表1。

表1 2 000 m3液化石油氣球罐的設計參數

液化石油氣易燃易爆、相態易變，且毒性程度較大，因此，盛裝液化石油氣的球罐是具有爆炸危險性的特種承壓設備。為了球罐的安全運行，必須從各方面嚴格把關，其主要遵循的標準規范如下。

（1）TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》

（2）GB 150.1～150.4-2011《壓力容器》

（3）GB 12337-1998《鋼制球形儲罐》

（4）GB 50094-2010《球形儲罐施工規范》

（5）GB 713-2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》（含第1號修改單）

2 材料選用

球罐用鋼的選材原則是在滿足強度要求的前提下，還應具有優良的低溫韌性及焊接性能、足夠的塑性和長期可靠的使用性能。本次設計的液化石油氣球罐采用Q345R（正火）鋼板進行設計，其材質符合GB713-2008的要求。首先，Q345R鋼板的沖擊韌性指標有大幅的提高，而且價格便宜、焊接工藝簡單容易，焊縫質量易于保證；其次，國內液化石油氣一般未做嚴格的脫硫處理，H2S應力腐蝕較嚴重，一般認為Q345R對H2S應力腐蝕裂紋不敏感，其中的錳元素有較好的脫氧能力，還可與硫形成MnS，消除了硫的有害作用。

2009年12月1日實施的TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》（以下簡稱新容規）降低了材料的安全系數，其設計計算的許用應力值也得到了相應的提高[1]。對于壓力容器設計來說，在其他條件不變的情況下，增加許用應力值就意味著減小容器壁厚，降低容器噸重，從而節約材料，減少設備投資[2]。

表2列出了根據新的安全系數計算的Q345R鋼板許用應力值和GB150-1998表4-1中所列許用應力值。

表2 Q345R許用應力值

3 球罐結構設計

3.1 球殼結構選取

液化石油氣球罐的結構并不復雜，但需現場組裝焊接，制造安裝有一定困難，主要原因是其殼體為空間曲面，壓制成型、安裝組對及現場焊接難度較大。由于球罐的操作介質易燃、易爆、毒性較大，且裝載量又大，一旦發生事故，后果不堪設想。結構設計不合理是球形貯罐發生事故的主要原因之一。

球殼的結構型式主要有足球瓣式、桔瓣式和混合式3種。目前，國內投用的球罐中，絕大多數為桔瓣式或混合式排版組成的球殼。以下以三帶十支柱混合式和五帶十支柱桔瓣式為例比較球罐桔瓣式和混合式的優缺點。采用桔瓣形赤道、足球瓣形上下極帶組成三帶十支柱混合式球殼結構，分割極板最大球心角為 67.5°、少分帶、大分角、大瓣塊的設計，提高了板材利用率；桔瓣形的赤道帶結構，正切式支柱又避開了球殼主焊縫，使球殼應力分布均勻，較大的上下極板使球罐的接管、人孔等易于錯開焊縫，整個布局顯得更加大度、美觀。焊縫總長度為458 m/臺，而五帶十支柱桔瓣式球罐焊縫長度約為575 m/臺，減少了近1/5的焊接工作量，也從根本上減少了焊縫或母材產生微裂紋的根源。

由于球罐的破裂事故絕大多數發生在焊接接頭處，縮短球殼的焊縫長度是提高球罐質量和安全可靠的關鍵措施之一。混合式結構的球殼板互換性好，材料利用率高，焊縫長度縮短，焊接工作量和焊材消耗也大大降低，因此，2 000 m3液化石油氣球罐采用三帶十支柱混合式球殼結構。

3.2 支柱與球殼的連接型式

在支柱與球殼相連接的球殼局部區域中，受力及變形相當復雜，應力數值高、變化梯度大，是整個球罐的高應力區。支柱與球殼相焊焊縫的最低點（a點）是重點應力校核部位。GB12337-1998《鋼制球形儲罐》中規定支柱與球殼連接采用赤道正切結構。

赤道正切結構是由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置，與球殼相切或近似結構而成的焊接結構。支柱支撐著球罐的重量，為承受風載和地震力，保證球罐穩定性，在支柱之間設置拉桿相連接。這種結構受力均勻、彈性好，能承受熱膨脹的變形，組焊方便、施工簡單、容易調整，現場操作和檢修也方便。

球殼支柱是用以支撐球殼及其附件和物料載荷的部件。GB12337-1998《鋼制球形儲罐》中，支柱與球殼以赤道正切連接，可采用直接連接、加托板、U形支柱和翻邊4種結構[3]。直接連接結構適用于特大型球罐；U形支柱結構既避免了支柱與球殼連接部下端由于夾角小而造成的焊接困難，又保證了支柱與球殼的焊接質量的可靠性，U形支柱由鋼板彎制而成，特別適用于低溫球罐對支柱材料的要求；支柱翻邊結構解除了連接部位下端施焊的困難，確保了焊接質量，對該部位的應力狀態也有所改善，但由于翻邊工藝問題，尚未被廣泛應用。

在2 000 m3液化石油氣球罐設計中，上支柱采用赤道正切式的加托板結構，見圖1。將支柱分為上下2段，均采用Q345R鋼板卷制。支柱與球殼連接部位下端由于夾角小、間隙狹窄，難以施焊，托板結構可以彌補難以施焊而削弱的部分，改善支撐和焊接條件，消除了焊接死角。制造工藝簡單，被多數制造廠采用。

3.3 接管補強結構

球罐的接管部分是強度的薄弱環節，許多事故都是從接管的焊接處發生的。為了提高其安全性，接管補強一般采用厚壁管補強結構和鍛制凸緣的結構型式。

對于人孔和直徑不小于DN100的接管采用鍛制凸緣進行補強，此結構避免了補強處壁厚的突變，可大大降低應力集中部位的峰值應力，與球殼的連接為對接焊接接頭，便于進行射線或超聲檢測，從而使焊接質量得到保證。對于直徑小于DN100的接管，采用插入式厚壁管整體補強，其結構簡單、節省材料，但因開孔較小，角焊縫底部清根困難，又難以進行射線、超聲波等方法的內部檢測，容易產生未焊透等缺陷[4]。

由于插入式接管焊縫是近年來球罐質量中出現問題最多的部位之一，在設計時，為了降低厚壁管邊緣處的應力集中系數，通常適當增加接管壁厚，加大過渡圓弧半徑，并要求在坡口開制、焊接工藝和清根方面從工藝上完全焊透。

4 制造要求

球罐是由制造廠將球殼板壓制成形，安裝單位現場組裝焊接的壓力容器。球罐的組焊質量對其運行的可靠性和安全性影響很大。球罐在運行中產生的開裂或裂紋擴展，往往發生在幾何尺寸超標、錯邊、角變形及強制裝配的部位或工夾具焊跡處。施工工藝不合適，焊接材料選擇不當，施焊工藝規范控制不嚴，以及施焊順序和運輸方法不合適，均會對焊接接頭造成缺陷，進而導致球罐在運行中破裂[5]。

在建造過程中，對液化石油氣球罐進行質量控制是確保其安全運行的可靠保證。因此，設計人員必須在熟知球罐所適用的標準規范的基礎上，根據球罐的設計參數，重點提出保證球罐制造質量的要求，如鋼板檢測、焊縫要求、焊接試板要求、球罐熱處理時的要求等。這些要求不應低于TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術監察規程》、GB 12337-1998《鋼制球形儲罐》以及GB 50094-2010《球形儲罐施工規范》等的相關規定。

5 結束語

為保證液化石油氣球罐的安全運行，需要從設計、制造、檢驗等各個環節嚴格把關。設計文件是所有環節中的核心，其完整性與準確性是保證球罐安全的必要條件。本文對2 000 m3液化石油氣球罐的球殼板選材、球殼型式、支柱與球殼的連接結構、接管補強結構等方面進行了詳細的設計。

［1］TSG R0004－2009，《固定式壓力容器安全技術監察規程》.

［2］山 濤，張兆生，何秀英等.用新容規設計液化氣球罐的探討.石油與化工設備，2010，13（10）：23－31.

［3］GB12337－1998，《鋼制球形儲罐》.

［4］邱志堅，王艷，支淑民等.2 000 m3丙烯球罐設計研究.石油工程建設，2009，35（4）：21－24.

［5］葉文邦，張建榮，曹文輝.壓力容器設計指導手冊.昆明：云南科技出版社，2006.