大型球罐設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李彩霞，付慶端

（眾一阿美科福斯特惠勒工程有限公司廣西分公司，廣西北海 536000）

近年來我國石油生產(chǎn)規(guī)模逐步提高，生產(chǎn)以及儲運(yùn)過程中對原材料以及成品油和相關(guān)產(chǎn)品的儲運(yùn)規(guī)模需求逐步加大，傳統(tǒng)儲存罐受其占地規(guī)模較大、制造成本高以及儲存效率較低限制，不能滿足現(xiàn)有生產(chǎn)需求，而儲存效率更高以及占地面積更小的大型球罐優(yōu)勢得以體現(xiàn)。本文針對油田常用大型球罐設(shè)備的結(jié)構(gòu)展開研究，分析其設(shè)計(jì)中存在的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，并進(jìn)行了出總結(jié)。

1 球殼的特點(diǎn)

現(xiàn)階段油田生產(chǎn)儲運(yùn)過程中使用的大型球罐球殼結(jié)構(gòu)種類較多，但應(yīng)用最為廣泛的主要分為足球瓣式、桔瓣式和混合瓣式三種。不同類型的球殼具有不同的特性，應(yīng)用于不同的使用環(huán)境以及介質(zhì)儲存工作中。其中，足球瓣式球殼結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于體積和額定容量較小的球罐設(shè)備中，在我國油田中此類結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少。桔瓣結(jié)構(gòu)是利用經(jīng)線將球體分割，在相鄰的兩條經(jīng)線進(jìn)一步分割為球殼板。該結(jié)構(gòu)有效解決了足球瓣球殼結(jié)構(gòu)球罐在制造中焊接混亂，焊接工藝要求高的弊端，桔瓣結(jié)構(gòu)焊縫規(guī)則，組裝難度低，也適用于大型球罐的制造。但其弊端也十分明顯，大量不規(guī)則的拼裝結(jié)構(gòu)決定了其制造尺寸難以統(tǒng)一，在后期的維護(hù)維修工作中，配件更換難度較高，鋼板利用率也較低，因此此類結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用較少。混合瓣式結(jié)構(gòu)是我國油田中現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的大型球罐結(jié)構(gòu)之一，混合瓣式結(jié)構(gòu)是結(jié)合足球瓣結(jié)構(gòu)和桔瓣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并對其主要弊端進(jìn)行了優(yōu)化，上下級板采用足球瓣式，而赤道和溫帶選擇桔瓣結(jié)構(gòu)，在滿足維護(hù)維修以及強(qiáng)度需求前提下，最大限度地簡化了球體的焊接結(jié)構(gòu)。目前我國在混合瓣式球罐的制造中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，綜合技術(shù)水平十分成熟。

2 球罐支座形式和其特點(diǎn)

球罐支座是球罐的承載結(jié)構(gòu)也是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，用于支撐球罐本體重量以及儲存介質(zhì)的重量，現(xiàn)階段使用較多的結(jié)構(gòu)有支柱型結(jié)構(gòu)、裙座式結(jié)構(gòu)、半埋式結(jié)構(gòu)和v 型支撐結(jié)構(gòu)四種，不同的結(jié)構(gòu)有不同的承載范圍以及適用球罐類型。其中，支柱型結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，該結(jié)構(gòu)采用赤道位置正切支柱型的承載結(jié)構(gòu)，根據(jù)球罐大小以及承載需求由多根承載柱分布于球罐的赤道周圍，其中心線與球殼內(nèi)壁相切，同時(shí)為了提高支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及應(yīng)對臺風(fēng)、地震等自然災(zāi)害的需求，承載柱中間由拉桿進(jìn)行二次連接和加固，該結(jié)構(gòu)受力均勻，熱脹冷縮的承受空間較大，同時(shí)調(diào)節(jié)工作十分便捷，但受其整體結(jié)構(gòu)重心較高決定，其穩(wěn)定性相比其他結(jié)構(gòu)較差。該結(jié)構(gòu)根據(jù)支柱與球體連接處是否存在墊板結(jié)構(gòu)細(xì)分為帶板連接和無板連接兩種，其中墊板結(jié)構(gòu)可以分散支柱位置的應(yīng)力，但其進(jìn)一步增加了支撐高度，穩(wěn)定性也有所降低，因此無墊板結(jié)構(gòu)的柱形支撐座應(yīng)用最為廣泛。大型球罐支柱型支座結(jié)構(gòu)以及實(shí)物如圖1、圖2所示。

圖1 大型球罐支柱型支座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 大型球罐支柱型支座實(shí)例圖

3 大型球罐設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)總結(jié)

3.1 選材

傳統(tǒng)儲油罐大量使用Q345R 低合金鋼板，但其許用應(yīng)力較低，不能滿足大型儲油罐設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求，同時(shí)抗硫化氫腐蝕能力較弱的弊端也決定了其在油田生產(chǎn)過程中應(yīng)用的局限性。因此，大型儲油罐的儲存介質(zhì)中若含微量或無硫化氫推薦采用 07MnMoVR 鋼材，07MnMoVR 是高強(qiáng)鋼，能夠有效降低球殼板的厚度，設(shè)備整體成本造價(jià)比較低；采用07MnMoVR 材料時(shí)，應(yīng)根據(jù) GB12337—2014的要求來增加對該板的各項(xiàng)檢測和試驗(yàn)技術(shù)要求，相應(yīng)地，上支柱與支柱蓋選用07MnMoVR 鋼板，接管和法蘭選用08MnNiMoVD 鍛件，焊接材料選用良好的低溫韌性和抗裂性能的超低氫堿性焊條J607RH。但對于含有硫化氫介質(zhì)的大型油罐，建議選用低合金鋼Q370R，Q370R的強(qiáng)度比Q345R高，耐硫化氫腐蝕性能又比07MnMoVR好，而且Q370R具有良好的焊接性能，因此是在此工況下的一種比較理想的材料；對于Q370R殼體的球罐，上支柱與支柱蓋采用 Q370R，接管和法蘭采用強(qiáng)度與之相匹配的20MnMo 鍛件，焊接材料推薦采用J557RH。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)基于球罐的實(shí)際用途以及預(yù)期儲存容量進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足上述要求的前提下最大限度減少焊縫長度從而實(shí)現(xiàn)球罐設(shè)備的使用安全性以及使用穩(wěn)定性。其中分帶數(shù)和分帶角度是設(shè)計(jì)要點(diǎn)，首先根據(jù)球罐的性能需求以及確定鋼板材料長度以及柔韌性需求，球心角應(yīng)選擇最大的赤道帶，同時(shí)球殼板的寬度應(yīng)設(shè)定統(tǒng)一嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，確保球殼板尺寸合規(guī)一致，提高材料的利用率。根據(jù)以往我國油田大型球罐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般5000m3以上的球罐應(yīng)最細(xì)選擇4帶10柱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以確保其使用安全性，10000m3以上的球罐應(yīng)選擇4帶14柱的結(jié)構(gòu)，15000m3的特大型球罐應(yīng)選擇5帶16柱的設(shè)計(jì)方案。

3.2.2 支柱及支柱上零部件的設(shè)計(jì)

其一，在支柱軸向穩(wěn)定性的核對考量工作中，應(yīng)基于球罐的實(shí)際使用環(huán)境判斷最終的受力參數(shù)，充分考慮球體的軸向作用力也要考慮彎矩作用。其二，為了提高球罐設(shè)備的強(qiáng)度和使用穩(wěn)定性，同時(shí)提高球罐的預(yù)期使用壽命，在支柱厚度的設(shè)計(jì)中應(yīng)在滿足強(qiáng)度和安全性需求的前提下，最大限度降低支柱厚度；其三，支柱帽厚度不用過高，一般取支柱壁厚的一半為最佳厚度。其四，支柱重心與翼板中心距離設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮其整體的承重結(jié)構(gòu)外，也應(yīng)對其防火層的厚度進(jìn)行充分考量后制定。

3.2.3 人孔、接管及附件的設(shè)置

在球罐制造過程中，受制造工藝以及后期維護(hù)維修工作需求考慮，一般會在上下級板位置各設(shè)置一個(gè)人孔，以便工作人員進(jìn)入球罐內(nèi)部，同時(shí)球罐上下部性需要安裝安全閥門以及淋噴裝置應(yīng)對火災(zāi)的發(fā)生。淋噴裝置的型號選擇以及安裝位置選擇應(yīng)充分考慮球罐形狀，確保淋噴范圍和淋噴量滿足防火救火以及冷卻需求。同時(shí)為了便于工藝操作以及控制，接管的位置盡量集中在上下極板位置。

4 結(jié)束語

大型球罐的設(shè)計(jì)中，首先要充分考量球罐的性能標(biāo)準(zhǔn)和安全級別，其次應(yīng)考慮建設(shè)成本，很多設(shè)計(jì)單位采用應(yīng)力分析軟件來分析支柱對球殼的局部應(yīng)力，而確定最終壁厚，因此，在進(jìn)行大型球罐設(shè)計(jì)時(shí)，材料選擇、結(jié)構(gòu)選擇、球殼壁厚和支柱零部件尺寸的確定都是極其關(guān)鍵的。