10000m3甲醇內浮頂儲罐設計

孫義(江蘇寶聯氣體有限公司，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

內浮頂儲罐主要由固定頂罐體、內浮盤及各專業管口等組成。相對固定頂最大的優點就是改善介質蒸發，減少損耗，減少空氣污染與著火爆炸的危險，絕熱保溫，保證儲液質量。甲醇別名木醇、木精，分子式為CH4O，是無色透明、有毒、易燃易爆、易揮發的液體。相對密度(水=1)0.7914，沸點64.7℃,爆炸極限6.0%～36.5%(體積分數)。基于以上考慮，選用內浮頂儲罐儲存甲醇是一個比較合理的方案。

1 儲罐設計方案及內容

1.1 設計參數

10000m3甲醇儲罐設計參數如表1所示。

表1 10000m3甲醇儲罐設計參數

1.2 罐底設計

罐底板由16塊弓形邊緣板和若干塊中幅板搭接而成。中幅板取10mm，邊緣板取4mm，搭接排列。底板焊縫處底部需設置4mm厚的墊板，寬100mm。整個罐底設計成15‰的錐度形式。

1.3 罐壁設計

罐壁選取8圈壁板，自下而上7圈選板材2.2米寬，最上層一圈選擇1.1米寬。根據《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB 50341—2014標準采用定點法，選取下式：

式中：tt為試水條件下的罐壁板計算厚度(mm)；H為計算液位高度(m)。第一圈取底板端部至罐壁通氣孔位置。(H1=16.5-0.65=15.85m)其余每圈減去2.2m。[σ]t為試水條件下鋼板許用應力(MPa)，經計算取230MPa。φ為焊接接頭系數，底圈取0.85，其余取0.9。

將數據帶入上式得：

第一圈：tt1=11.629mm，故名義厚度取t1=16mm。

第二圈：tt2=9.481mm，故名義厚度取t2=14mm。

第三圈：tt3=7.919mm，故名義厚度取t3=12mm。

第四圈：tt4=6.356mm，故名義厚度取t4=10mm。

第五圈：tt5=4.795mm，故名義厚度取t5=8mm。

由以上數據得出，壁板厚度逐層減少。考慮規范要求、壁板腐蝕及各種因素，其余圈數板厚均選取8mm。

2 罐頂設計

2.1 罐頂結構與厚度核算

本設備選用自支承式帶肋球殼拱頂結構。頂板由瓜皮板和中心頂板組成。瓜皮板分別為16塊、32塊及64塊。連接中心頂板的為32塊的瓜皮板，二者厚度均取8mm；二次連接的瓜皮板為64塊；最后與罐壁連接的為16塊，厚度均為10mm。肋板均選100mm寬，8mm厚。則估算出罐頂總質量約60000kg，折算成單位面積載荷為60000×9.8÷(π/4×302)=863.3Pa。

考慮罐頂附加載荷取值，且不小于1200Pa，故取PL=2063.3Pa。

2.2 帶肋球殼許用外載荷計算

許用外載荷。

式中：[P]為帶肋球殼的許用外載荷(kPa)；E為設計溫度下剛才的彈性模量(MPa)；取192000MPa。RS為球殼的曲率半徑(m)，取30m。th為罐頂板有效厚度(mm)，取6.8mm。tm為帶肋球殼的折算厚度(mm)。

此值按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB 50341—2014附錄H相關計算得22.5mm。

將數據帶入式中，得[P]=17.81kPa。

2.3 拱頂穩定性核算

儲罐帶有罐壁通氣孔，則儲罐內部無內壓，故只校核外載荷作用下的穩定性。帶肋球殼的穩定性驗算應滿足下式要求：綜合以上，式1-3是成立的，故穩定性滿足要求。

3 包邊角鋼截面積核算

罐壁頂部設置包邊角鋼，以承受從罐頂傳來的橫向力。計算與包邊角鋼相連的罐頂和罐壁各16倍板厚的截面應滿足下式：

式中：p為儲罐單位面積載荷，為2063.3Pa；D為儲罐直徑，30m；σ為包邊角鋼的許用應力，取2.30×108Pa；φ為焊接接頭系數，取0.9；θ為罐頂與罐壁連接處罐頂的水平夾角(°)，取30°。

將數據帶入上式，得Fmin=1.95×10-4m2=195mm2。取包邊角鋼∠125×12，則截面積A=2891mm2。顯然A＞Fmin，故包邊角鋼截面積滿足強度要求。

4 中間抗風圈的計算

4.1 筒體外壓設計計算

式中：υz為風壓高度系數，查《立式圓筒形鋼制焊接油罐

設計規范》GB 50341—2014表6.4.5-1，得1.60；ω0為基本風壓值，按已知條件取0.65kPa。將數據帶入上式，得P0=2.34kPa。

4.2 核算區間儲罐筒體許用臨界壓力的計算

許用臨界壓力計算公式如下：

式中：HE為核算區間罐壁筒體的當量高度(m)；tmin為核算區間最薄圈罐壁板的有效厚度(mm)；ti為第i圈罐壁板的有效厚度(mm)；hi為第i圈罐壁板的實際高度(m)；Hei為第i圈罐壁板的當量高度(m)。

通過以上各計算式計算結果如表2所示。

表2 核算區間儲罐筒體許用臨界壓力的計算結果表

根據上面數據計算出許用臨界壓力Pcr = 616Pa。

4.3 儲罐抗風圈的設計。

因為P0/3＞Pcr≥P0/4，說明儲罐需要增設抗風圈，數量3個，位置在罐壁1/4HE、1/2HE及3/4HE處；換算成實際高度分別是9.195m、11.63m及14.065m。如果其高度在罐壁環焊縫150mm之內，需適當調整高度以避開。

5 儲罐抗震計算

5.1 罐壁底部水平地震剪力計算

其公式如下：

式中：Q0為在水平地震作用下罐壁底部的水平剪力(MN)；CZ為綜合影響系數，取0.4；α為地震影響系數，根據《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB 50341—2014相關圖表，取值0.45；Y1為罐體影響系數，取值1.1；m1為罐體內儲液總量，按水計算得10491525kg；Fr為動液系數，根據儲罐徑高比查表得0.542；g為重力加速度，取值9.81m/s2。

將各數據帶入上式，得水平地震剪力Q0=11.0452(MN·m)。

5.2 罐壁底部的地震彎矩應按下式計算：

式中：HW為設計液面高度(m)，取14.85m；將數據帶入式中，得地震彎矩M1=73.81(MN)

5.3 儲罐錨固判斷

錨固系數計算式：

式中：υ為彎矩調整系數，按《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》GB 50341—2014表D.4.2-1，取值0.9；FL為儲液提供罐底與罐壁接觸處單位長度上的提離反抗力(MN/m)；FW為罐壁罐頂自重通過罐壁作用下的罐底單位長度上的提離反抗力(MN/m)；N1為罐壁與罐頂總重量(MN)，估算值1.956MN；tb為罐底邊緣板的有效厚度，取值11.2mm；ReL為罐底邊緣板標準屈服強度下限值，取345MPa；HW為設計液面高度(m)，取14.85m；D為儲罐直徑(m)，取30m；ρ為儲液相對密度，取0.792。

將各數據帶入上式，得J=0.729。因為J＜0.785，所以不產生舉升力，可無需錨固。

5.4 最大軸向壓應力的計算

地震作用下底圈罐壁產生的最大軸向壓應力計算式如下：

式中：σ1為罐壁底部最大軸向壓應力(MPa)；CV為豎向地震影響系數，取值1.0；A1為底圈罐壁有效厚度計算的罐壁截面積，計算得0.3963(m2)；CL為翹離影響系數，取1.4；Z1為底圈罐壁有效厚度計算的斷面系數，Z1=0.785D2t=9.3258(m3)。

將各數據帶入式中，得σ1=12.85MPa。

5.5 罐壁許用臨界力計算及抗震驗算

底圈罐壁的許用臨界力計算式：

式中：E為設計溫度下罐壁材料的彈性模量(MPa)；t為底層罐壁板的有效厚度，取值0.0132m。

將數據帶入式中，得[σ1]=18.59MPa。

因為σ1=12.85MPa＜18.59MPa=[σ1]，所以底圈罐壁軸向應力校核滿足要求，該儲罐在地震載荷下安全穩定。

6 附件結構

附件主要有罐壁通氣孔、消防泡沫管及水噴淋器等，內浮頂根據專業的公司設計。盤梯及平臺均需符合標準規范的設計。

7 結語

大型內浮頂儲罐的設計首先了解介質特性等。其次選材，確定罐底厚度，與結構專業商定底板基礎的形式，然后計算壁厚，選擇罐頂形式并驗算其穩定性。考慮抗風及抗震能力，判斷是否錨固等。總之，一臺設備的設計需要考慮全面周到，既保證安全，又要做到經濟、美觀。盡一個設計者的最大水平去設計并優化它的結構以達到追求完美的外貌與靈魂！