3 000 m3液化石油氣球罐設(shè)計(jì)

長嶺煉化岳陽工程設(shè)計(jì)有限公司 李勇軍 劉軍培

3 000 m3液化石油氣球罐設(shè)計(jì)

長嶺煉化岳陽工程設(shè)計(jì)有限公司 李勇軍 劉軍培

球形儲(chǔ)罐（簡稱球罐）作為一種儲(chǔ)存各種壓縮氣體、液化石油氣的壓力容器，具有單位容積消耗鋼材少、占地面積小、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、石油化工、鋼鐵、輕工、等行業(yè)。本文，筆者以3 000 m3液化石油氣球罐為例，針對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以期對(duì)同行有所看考。該汽油罐相關(guān)參數(shù)如下：公稱容積3 000 m3，球殼內(nèi)直徑180 00 mm，基本風(fēng)壓值490 N/m2，設(shè)計(jì)溫度–19 ～ 50 ℃，設(shè)計(jì)壓力1.77 MPa，地震設(shè)防烈度7度。

一、球罐常見設(shè)計(jì)方法

目前，球罐的設(shè)計(jì)方法有規(guī)則設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析設(shè)計(jì)2種。

1.規(guī)則設(shè)計(jì)。規(guī)則設(shè)計(jì)是根據(jù)GB12337–1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》進(jìn)行設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法以彈性失效（第一強(qiáng)度理論）為設(shè)計(jì)依據(jù)準(zhǔn)則，通常只考慮靜載荷及地震、風(fēng)載荷的影響，而對(duì)于球罐所承受的交變載荷則不予考慮，不涉及球罐的疲勞破壞，球殼上任何一處的最大應(yīng)力值超過材料的最大許用應(yīng)力就認(rèn)為球罐失效。

2.應(yīng)力分析設(shè)計(jì)。應(yīng)力分析設(shè)計(jì)是根據(jù)JB4732–95《鋼制壓力容器–分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法是以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，以第三強(qiáng)度理論為依據(jù)，不僅考慮了球罐的靜載荷和地震、風(fēng)載荷等影響因素，還充分考慮了球罐承受交變載荷。分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球罐的選材、制造、安裝及檢驗(yàn)都比GB12337–1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》更加嚴(yán)格。

二、3 000 m3液化石油氣球罐設(shè)計(jì)方法選擇

與規(guī)則設(shè)計(jì)相比，采用分析設(shè)計(jì)的球罐，更具有經(jīng)濟(jì)性和安全性。分析設(shè)計(jì)對(duì)球罐的球殼、球殼開孔處、支柱、拉桿等關(guān)鍵部位進(jìn)行了詳細(xì)的應(yīng)力分析計(jì)算，對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類后分別加以控制，因此，采用分析設(shè)計(jì)比規(guī)則設(shè)計(jì)更科學(xué)。

根據(jù)TSG R0004–2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，規(guī)則設(shè)計(jì)碳素鋼和低合金鋼抗拉強(qiáng)度的安全系數(shù)為2.7，分析設(shè)計(jì)碳素鋼和低合金鋼抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為2.4，因此同一臺(tái)球罐采用分析設(shè)計(jì)比規(guī)則設(shè)計(jì)的鋼材消耗量減少8%～12%。采用應(yīng)力分析方法設(shè)計(jì)的球罐，雖然對(duì)球罐的安裝、檢測(cè)提出了更高的要求，增加了制造、檢測(cè)費(fèi)用，但一臺(tái)3 000 m3液化氣球罐按照分析設(shè)計(jì)可節(jié)約大約27 t的鋼材消耗，5臺(tái)球罐可節(jié)約135 t鋼材消耗，經(jīng)濟(jì)性很高。

液化氣球罐存儲(chǔ)的介質(zhì)為液化石油氣，罐內(nèi)介質(zhì)反復(fù)裝卸，罐內(nèi)存儲(chǔ)壓力呈周期性變化，球罐會(huì)存在疲勞失效；而規(guī)則設(shè)計(jì)只是把球殼上的應(yīng)力簡單地控制在一個(gè)安全界限內(nèi)，分析設(shè)計(jì)則是將應(yīng)力進(jìn)行分類，將峰值應(yīng)力控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)，故能有效地防止球罐的疲勞失效。根據(jù)該球罐的設(shè)計(jì)條件，其循環(huán)應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)均不符合免除疲勞分析條件，因此，只有采用應(yīng)力分析設(shè)計(jì)才能保證球罐安全、長周期運(yùn)行。

三、球殼板材料的選擇

GB713–2009《鍋爐和壓力容器用鋼板》中指出，制造球形儲(chǔ)罐的材料可以從Q345R，07MnCrMoVR，Q370R等材料中選取。對(duì)于該球形儲(chǔ)罐來說，與Q345R、07MnCrMoVR相比，Q370R具有強(qiáng)度高、沖擊韌性好、焊接性能良好、耐H2S應(yīng)力強(qiáng)、耐腐蝕能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合用于制造球形液化石油氣儲(chǔ)罐。

四、球殼分帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 000 m3液化氣球罐常見的分帶結(jié)構(gòu)型式有2種，一種是4帶12支柱62片球殼板，每臺(tái)球罐殼體的對(duì)接焊縫總長度約582 m；另一種是4帶10支柱54片球殼板，每臺(tái)球罐殼體的對(duì)接焊縫總長度約525 m。對(duì)于球罐的分帶結(jié)構(gòu)型式而言，單位容積的焊縫長度越短，焊縫的總長度越短；焊縫總長度的減少，意味著焊接工作量的減少，可以有效縮短設(shè)備的安裝工期、降低焊縫檢測(cè)的費(fèi)用。此外，球罐的制造還需考慮鋼板的供貨尺寸、制造廠球殼板加工能力、安裝單位的吊裝能力等因素。球殼板應(yīng)以分塊數(shù)量少、球殼板尺寸接近、互換性好、加工制造方便為原則。通過對(duì)鋼板供應(yīng)商及球罐制造商的調(diào)查了解，該球罐優(yōu)先采用3帶10支柱34片球殼板的方案，此方案球殼板最寬尺寸3 298 mm、最長尺寸11 781 mm，長寬比約3∶1，剛度合適，不易變形，球殼焊縫總長度約457 m；與前兩種方案比較，采用該方案設(shè)計(jì)的球罐，球殼上的對(duì)接焊縫總長度大幅減少，焊縫長度減少幅度達(dá)到13%。并且球殼板的寬度大、數(shù)量少、組裝方便、焊縫的焊接及檢測(cè)工作量少、材料的利用率高，但是該方案對(duì)安裝單位的制造、吊裝能力的要求較高。此外，該方案的球殼分帶的焊縫避開了球殼與支柱連接處上方約400 mm的應(yīng)力集中區(qū)域。

五、球罐球殼的應(yīng)力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)條件和球罐的結(jié)構(gòu)特征，建立力學(xué)模型，采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，對(duì)球殼、接管開孔處、球殼開孔處及立柱與球殼相連接處的應(yīng)力進(jìn)行分類，將峰值應(yīng)力限制在3倍的材料許用應(yīng)力強(qiáng)度之內(nèi)；本文，筆者僅對(duì)球殼、立柱進(jìn)行應(yīng)力分析。

六、球殼力學(xué)模型與分析結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和載荷特性，在有限元模型中，取1/2球殼進(jìn)行應(yīng)力分析。球殼的力學(xué)模型如圖1所示。

1.位移邊界條件。在X＝0的截面上，ΔX＝0；支腿下端，ΔX＝ΔY＝ΔZ＝0。

2.有限單元選擇。結(jié)構(gòu)采用ANSYS 5.5.3軟件中的8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元（SOLID 45）。

3.載荷組合工況。

（1）操作狀態(tài)下。總載荷＝球殼內(nèi)壓（P＝1.77 MPa）＋自重＋水平地震 ＋0.25×風(fēng)載荷。操作狀態(tài)下的有限元分析結(jié)果見圖2。

（2）水壓試驗(yàn)狀態(tài)下。水壓試驗(yàn)壓力＋水的液柱靜壓力＋自重水壓試驗(yàn)狀態(tài)下的有限元分析結(jié)果如圖3所示。

4.評(píng)定結(jié)果。操作狀態(tài)下和水壓試驗(yàn)裝調(diào)下A–A截面的陪你規(guī)定結(jié)構(gòu)分別見表1、表2。

表1 操作狀態(tài)下A-A截面

表2 水壓試驗(yàn)狀態(tài)下A-A截面

七、結(jié)論

5臺(tái)3 000 m3液化石油氣球罐采用應(yīng)力分析設(shè)計(jì)、球殼材料采用Q370R，結(jié)構(gòu)形式采用3帶10支柱34片球殼板，能夠滿足本球罐安全、長周期使用要求，達(dá)到了提高球罐的安全性、節(jié)省材料消耗、減少投資的目的。