雙金屬全容低溫乙烯儲罐氣壓頂升工藝參數計算及清單化管理

王旭

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

采用雙金屬全容低溫罐儲存乙烯，具有儲存效率高、占地少、安全性高、結構完整性強及操作費用低的優點。而在雙金屬全容低溫罐的施工過程中，罐頂的氣壓頂升是施工難點，因此，對氣壓頂升工藝參數進行計算、對頂升工作的組織策劃進行總結有很重要的意義。

氣壓頂升的原理是利用拱頂與外罐壁之間通過密封措施形成相對密閉空間的結構特點，用風機向儲罐拱頂下的密閉空間內源源不斷地輸送低壓空氣，使罐頂克服自重及與外罐罐壁之間的摩擦力，按照預定路徑平穩上升至設計高度，并實現與罐頂承壓環連接[1]。

50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲罐氣壓頂升質量m=290.125 t，外罐直徑D=49 m，罐壁為9Ni 鋼，儲罐罐頂提升高度為30.3 m，罐頂拱高H0=10.1 m。要將如此大質量、大體積的拱頂平穩上升至約30 m 的高度，具有很高的難度系數及危險系數，因此，需要對氣壓頂升的每個系統進行詳細的計算，對氣壓頂升的各項工作進行清單銷項管理，方能確保頂升工作萬無一失。本文以某項目50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲罐氣壓頂升工作的策劃、組織、實施為例，對氣壓頂升部分工藝參數進行計算，并梳理出氣壓頂升的各項準備工作的檢查清單。

2 頂升工藝計算

2.1 動力系統（風機）計算

動力系統作為氣壓頂升的動力輸出裝置，包括風機、發電機、風道、控制柜等，動力系統的核心是風機，因此，需著重對風機的參數進行計算。

2.1.1 風壓計算

從理論上講，只要罐頂受到的空氣浮力與它的自重形成一對平衡力，罐頂便可平穩上升，此時平衡風壓：

式中，G為氣壓頂升總重，G=mg=2 843 225 N；S為受力面積，S=πD2/4=1 885.74 m2；故氣壓頂升平衡風壓P平=G/S=2 843 225/1 885.74=1 507.75 Pa。

但在實際頂升中，由于拱頂與外罐內壁之間存在摩擦力，因此，計算實際需求頂升壓力必須考慮附加系數，根據經驗，附加系數K取1.1，此時提供升頂的需求壓力P需=KP平=1.1×1 507.75=1 658.52 Pa。

2.1.2 風量計算

風量指拱頂在風壓作用下，頂升至預定高度所需要的總進風量Q。根據理想氣體狀態方程，溫度一定時PV為恒量，則：

式中，P需為需求壓力，Pa；V為頂升后罐內總容積，m3；P0為標準大氣壓，Pa；V0為頂升部分所圍罐體的容積，m3；h1為壁板高度，取31.8 m；h2為頂升位移，由于立柱高1.5 m，故h2=31.8-1.5=30.3 m；H0為拱頂球缺高度，m；R頂為拱頂球缺半徑，為39.2 m。

帶入數據：

拱頂氣壓頂升平均速度控制在200 mm/min（12 m/h），開始氣壓頂升到儲罐拱頂升至預定高度，共耗時30.3/12≈2.53 h，故儲罐每小時風量需求量為58 307.47/2.53=23 046.43 m3，由于密封系統不可能做到絕對密閉不漏風，因此，根據類似工程經驗取漏風量系數1.5，故儲罐單位小時最大耗風量為23 046.43×1.5=34 569.64 m3。

2.1.3 風機及發電機選型

以全壓為1 658.52 Pa、流量為34 569.64 m3/h 作為選擇風機的參數，根據比選，選擇某品牌型號為5-56-11 的離心通風機，氣壓頂升時的工況為全壓3 341 Pa、流量為77 399 m3/h。根據選擇的風機參數，配用電機功率為110 kW，根據類似工程經驗，租用2 臺350 kW 發電機即可。

2.2 平衡系統計算

平衡系統主要由T 形架、鋼絲繩、導向滑輪、底部吊耳及配重等，本項目共設置16 組平衡系統，其中，平衡系統中鋼絲繩的計算選型與T 形架計算最為重要，計算過程如下。

2.2.1 鋼絲繩拉力計算

拱頂在上升的過程中，頂升重力與氣壓形成平衡，鋼絲繩基本不受力，只有在拱頂發生整體傾斜時，平衡鋼絲繩才會調節其平衡而受力。平衡鋼絲繩在拱頂上升的過程中，主要是受氣壓和頂升重力之差的力與導向裝置摩擦產生的動摩擦力，同時為了確保拱頂沿既定的路線上升，必須提前預緊鋼絲繩，因此，鋼絲繩受拉力計算如下：

式中，F預為鋼絲繩預緊力，根據經驗，取10 kN；μ 為動摩擦系數，取0.5；S為受力面積，m2；N根為鋼絲繩根數。

單根鋼絲繩的最大受力F鋼=10+0.5×(1 658.52×1 885.74-2 843 225)/16/1 000≈18.89 kN。

選擇公稱直徑φ18 mm，型號6×37+FC，公稱抗拉強度為1 870 MPa，最小破斷拉力為F破=186 kN 的纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩的安全系數為F破/F鋼=186/18.89≈9.85，大于機械起重鋼絲繩的安全系數，因此，鋼絲繩選擇合格。

2.2.2 T 形架承載力計算

T 形架作用為將鋼絲繩的拉力通過T 形架傳導至承壓環上。由此可知，T 形架承受的壓力為2 倍鋼絲繩的拉力，即抗壓承載力F承=2F鋼=2×18.89=37 780 N，據此選擇制作T形架的型鋼：選用H 型鋼的規格型號為HW200×200×8×12，材質為Q235b。

安全性能核算：H 型鋼截面積A=6 353 mm2；許用應力[σ]=σS/n=235/1.5=156.67 MPa（σS為屈服應力，n為安全系數），H 型鋼最大許用載荷F許=A[σ]=995 324.51 N＞T 形架承載力F承=37 780 N，故T 形架抗壓承載力滿足要求。

3 頂升工作清單化

氣壓頂升是低溫儲罐施工過程中技術難度最大的工序，50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲罐氣壓頂升過程持續了超過2 h，但為了這幾個小時的氣壓頂升工作平穩順利，需提前幾周開展大量的準備工作。由于國內關于雙金屬全容低溫乙烯儲罐施工規范較少，不同的管理人員在氣壓頂升準備工作的驗收中關注的內容不同。因此，為了提高氣壓頂升準備工作的效率，明確檢查的內容，通過組織氣壓頂升相關技術人員及管理人員，識別、匯總整理氣壓頂升的五大系統準備工作檢查清單，主要包含氣壓頂升的平衡導向、頂升動力、密封裝置、測量及通信等重點檢查項目，見表1。

表1 氣壓頂升五大系統工作檢查清單

通過對氣壓頂升工作進行清單化管理，使得與氣壓頂升相關的準備工作的檢查項目可視化，檢查內容標準化，顯著提高了氣壓頂升準備工作了各項工作完成的準點率，確保了50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲罐在計劃的時點完成氣壓頂升工作。

4 結語

本文以50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲罐為例，對氣壓頂升工藝中的動力系統及平衡系統進行計算分析，本項目嚴格按此分析計算結果執行，圓滿完成低溫乙烯罐氣壓頂升工作。同時本項目總結出來的氣壓頂升工作檢查清單，可供其他類似項目借鑒執行。