氫氣柜鐘罩頂的設計及防腐蝕

張世旗

（山西省化工設計院）

0 前言

氣柜是一種用于貯存各種工業氣體的鋼制容器，同時也是一種用于平衡氣體需用量不均勻性的設備[1]。濕式低壓氣柜是最簡單、最常見的一種氣柜。氣柜由鐘罩頂、水槽、活動塔節、導軌、內立柱、外導架、配重、梯子、平臺、欄桿等部件構成。它的工作原理很簡單，鐘罩和柜壁之間的縫隙靠水密封，鐘罩靠柜內介質的壓力變化上下運動，濕式氣柜內的介質壓力由鐘罩上的平衡塊數量來調節。在實際使用中，氣柜鐘罩頂容易出現不同程度的坍塌、開裂，致使頂部配重塊傾斜、滑落，砸向鐘罩頂，使其變形加劇。鐘罩頂外部受到化工廠腐蝕介質的腐蝕、內部受到氣柜內介質的腐蝕，且腐蝕都很嚴重，因此通常其使用壽命很短，這是氣柜的一個薄弱部位[2]。

本文對某工程中200 m3氫氣柜的鐘罩頂進行了設計和載荷校核，從安全角度討論了鐘罩頂計算需要考慮的各種因素，確定了鐘罩頂的結構形式。對氣柜的防腐蝕問題進行了探討，確定了氫氣柜的防腐蝕材料。

1 基本設計參數

某工程中200 m3氫氣氣柜基本設計參數如表1所示。

表1 氫氣氣柜基本設計參數

鐘罩頂頂板罩頂拱高f=467 mm，頂板厚δ=4 mm。罩頂板連接時，先將若干塊小塊板對接成大塊板，然后再對大塊板進行連接，且可采用搭接。為防止搭接縫內積存凝結液，應將處于低位置的板搭在高位置的板之上[3]。罩頂邊環由罩頂包邊角鋼、鐘罩頂邊板、鐘罩壁上帶板的一部分以及其他環形加強構件組成。

2 球形拱架設計

拱架各構件節點間距為L。當頂板厚度δ=3 mm時，L≤210 cm； 當 δ=4 mm時，L≤270 cm。拱架與頂板之間不得焊接。拱架各構件的連接采用連接板，組裝時先采用定位螺栓整體定位，然后再進行焊接[4]。

2.1 拱架載荷

根據拱架結構作出計算簡圖如圖1所示。通常，拱架載荷按下式確定：

本文取自重為200 N/m2，雪壓為150 N/m2，施工載荷為 278 N/m2，因此取 q=200+278=478 N/m2。 計算節點的負荷面積：

圖1 拱架結構計算簡圖

式中ni——主徑向梁與次徑向梁根數之和。

節點載荷為：

2.2 徑向梁計算

（1）徑向梁軸力

（2）徑向梁段上軸力引起的偏心彎矩

（3）徑向梁局部彎矩

徑向梁段和環向梁段所圍成的面積上的外部載荷，當徑向梁段與環向梁段長度相近時，其一半載荷被認為由徑向梁段承擔，此載荷引起徑向梁產生局部彎矩[4]。

梁在彎矩作用平面處的長細比：

穩定條件：

式中 φ1——偏心受壓構件在彎矩作用面處的穩定系數，取φ1=0.474。

2.3 環向梁計算

2.3.1 環向梁段軸力

2.3.2 環向梁段彎矩

計算環向梁段彎矩的載荷面積按所在節點的載荷面積一半計算。

計算載荷：

計算彎矩：

2.3.3 環向梁段強度和穩定性

（1） 強度校核

（2）彎矩作用面內穩定性校核

計算偏心率：

構件彎矩作用平面內的長細比：

穩定條件：

其中取φp=0.566。

載荷面積：

局部載荷：

局部彎矩：

2.3.4 徑向梁段計算彎矩

2.3.5 徑向梁段強度和穩定性校核

（1） 強度校核

由于徑向梁全長為同一截面型鋼，因此只計算所受彎矩最大的一段。

式中A——梁截面積；

Wx——梁彎矩作用平面內截面模數。

（2）穩定性校核

彎矩作用平面內的穩定性校核按下式計算。先計算偏心率：

按下式計算梁彎矩作用平面內的長細比：

式中ix——彎矩作用平面內梁截面的回轉半徑，ix=52 mm。

穩定條件：

式中 φp——實腹式偏心受壓構件在彎矩作用平面內的穩定系數，取φp=0.566。

2.4 中心環計算

2.4.1 中心環的穩定性校核

環單位長度的分布載荷：

環單位長度的臨界分布載荷：

式中J——中心環截面Y-Y軸的慣性矩，J=38.0×104mm4；

E——彈性模量，E=2.06×105MPa。

穩定條件：

2.4.2 中心環強度校核

環截面上的壓應力應滿足：

2.5 拱架的整體穩定計算

拱架假設為按徑向梁和環向梁構成的正交各向異性的淺球殼。

（1）梁的薄膜厚度

徑向梁有效薄膜厚度：

環向梁折算薄膜厚度：

式中Aφ、Aθ——分別為徑向梁和環向梁截面積，Aφ=Aθ=1811.8 mm2；

b、d——分別為徑向梁和環向梁的高度，b=1840 mm，d=1500 mm。

（2）折算為殼體在單位寬度上的延伸剛度

徑向延伸剛度：

環向延伸剛度：

（3）折算為殼體在單位寬度上的彎曲剛度

徑向彎曲剛度：

環向彎曲剛度：

式中Iφ、Iθ——分別為徑向梁、環向梁截面慣性矩， Iφ=Iθ=188×104mm4。

（4）折算有效薄膜厚度δ和折算彈性模數E′

簡化為各向同性殼體后，折算有效薄膜厚度δ和折算彈性模數E′為：

（5）按承受均布外壓計算罩頂拱架的許用應力[pcr]=0.1E′(δ/R)2

3 氫氣柜的防腐蝕

本次氫氣柜的防腐蝕設計如表2所示。

表2 氣柜各部位的防腐蝕方案

在石油化工生產中，由于雜質的存在，氣柜一定要進行防腐蝕處理，保持嚴密不漏，并作定期檢查。氣柜防腐蝕要考慮下列部位：首先考慮的部位是氣柜內壁，內壁防腐蝕處理主要是選擇耐酸性氣體的涂料和樹脂；第二個部位是鐘罩外壁、水箱內部及底部與水接觸處，要選擇耐酸性水的涂料和樹脂；第三個部位是鐘罩外頂部和水箱外與工業氣體接觸的部位，要選擇耐工業大氣腐蝕和耐紫外線照射的涂料。防腐蝕選材、防腐蝕結構設計、施工都要慎重[2]。

[1] 楊毅，張翼.煤氣柜涂料涂裝防護層的改進 [J].腐蝕與防護， 2002， 23(6)： 283-284.

[2] 秦國治，王德武，鄧宏勃.化工氣柜的防腐蝕技術[J].化工設備與防腐蝕，1998 （4）：48-50.

[3] HG/T 21549—1995.鋼制低壓濕式氣柜系列 [S].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1995：11-14.

[4] HG 20517—1992.鋼制低壓濕式氣柜 [S].北京：化工部工程建設標準編輯中心，1992：22-34.