大型LPG覆土式子彈罐設(shè)計與建造技術(shù)探討

賈光猛 李曉峰 陳玨伶 朱加祥 張志魁 李 曄

1. 中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552;2. 中國石油工程建設(shè)有限公司西北分公司, 新疆 鄯善 838013

0 前言

大型液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas,LPG)覆土式子彈罐是海外LPG項目常采用的一種存儲設(shè)施,目前在役覆土式子彈罐大多分布在歐美地區(qū)及肯尼亞、加納等少數(shù)非洲國家[1],中國、馬來西亞、孟加拉等國近些年也逐步采用覆土式子彈罐存儲LPG。相較于國外,中國LPG覆土式子彈罐應(yīng)用案例較少,設(shè)計與建造經(jīng)驗不足[2],沒有對應(yīng)的設(shè)計及施工標(biāo)準(zhǔn)。因此,基于肯尼亞蒙巴薩LPG存儲設(shè)施項目,對LPG覆土式子彈罐的設(shè)計與建造技術(shù)進(jìn)行探討。

1 LPG覆土式子彈罐與地上球罐對比

LPG常溫帶壓儲存的常用設(shè)備主要為覆土式子彈罐和地上球罐,其中,覆土式子彈罐主要由筒體、球形封頭、加強(qiáng)圈、氣室、人孔和罐底接管等構(gòu)成[3]。地上球罐和覆土式子彈罐結(jié)構(gòu)分別見圖1、圖2。

圖1 地上球罐結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 覆土式子彈罐結(jié)構(gòu)示意圖

覆土式子彈罐和地上球罐的差異主要體現(xiàn)在安全性、安全距離、土地利用率、罐體建造成本等方面[4-5]。

在安全性方面,由于地上球罐為地面上露空架設(shè),受外部火災(zāi)或撞擊影響時,可能會發(fā)生沸騰液體擴(kuò)散蒸氣爆炸,導(dǎo)致重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。覆土式子彈罐則不易受臨近熱源、爆炸沖擊波、飛濺物沖擊等突發(fā)事件損害[6],還可以有效降低太陽熱輻射可能引起的超壓風(fēng)險。隨著地上球罐在安全和環(huán)保方面的劣勢逐漸顯現(xiàn),歐美地區(qū)逐步用覆土式子彈罐替代地上球罐來存儲LPG[7]。

表1 NFPA 58儲罐與儲罐、重要建筑物及相鄰可建財產(chǎn)邊線的安全距離要求表

土地利用率方面,得益于相對較小的安全距離要求,覆土式子彈罐具有明顯優(yōu)勢。以肯尼亞蒙巴薩LPG存儲設(shè)施項目為例,該項目用地東西長580 m、南北寬56 m,具有顯著的東西長、南北窄的特點。根據(jù)NFPA 58,265 m3地上球罐(直徑約8 m)的安全距離已達(dá)到23 m,大于265 m3地上球罐30 m的安全距離,也就意味著該用地范圍內(nèi)僅能安裝一排265 m3的地上球罐,東西方向最多可以安裝45個地上球罐。因此,如果將覆土式子彈罐改為地上球罐,該用地范圍建設(shè)的儲庫庫容僅為 5 625 t,為原方案 42 000 t的14%。由此可見,覆土式子彈罐較地上球罐有著顯著的土地利用率高的優(yōu)勢[10]。

罐體建造成本方面,依據(jù)中國石油工程造價管理中心發(fā)布的《石油工程建設(shè)投資參考指標(biāo) 鋼制儲罐及油庫工程冊》,單個 3 500 m3地上球罐工程投資為947萬元;依據(jù)中國石油工程造價管理中心發(fā)布的《中國石油工程建設(shè)項目 設(shè)備材料綜合參考價格(非標(biāo)設(shè)備)》,覆土式子彈罐作為碳鋼三類容器,3 500 m3覆土式子彈罐重量約850 t,單個覆土式子彈罐工程投資約 1 470 萬元。由此可見,相同容積條件下,覆土式子彈罐造價高于地上球罐造價[11]。

2 LPG覆土式子彈罐設(shè)計

2.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

LPG覆土式子彈罐的設(shè)計及建造執(zhí)行EEMUA 190和ASME VIIIBoiler &pressure vessel code的相關(guān)要求。ASME VIII Div.2Alternative rules for construction of pressure vessels(以下簡稱ASME VIII Div.2)為分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),與ASME VIII Div.1Rules for construction of pressure vessels的常規(guī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相比,其設(shè)計更具有科學(xué)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性,因此,覆土式子彈罐設(shè)計普遍執(zhí)行ASME VIII Div.2。

EEMUA 190為常溫LPG覆土式水平圓柱形鋼制壓力容器的設(shè)計、建造和使用指南,是建立在ASME VIII Div.2基礎(chǔ)上的LPG覆土式子彈罐專項規(guī)范。LPG覆土式子彈罐罐區(qū)布置、沙床設(shè)計、罐體尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)型式、材料選用、載荷選取、力學(xué)模型、施工要求等方面的內(nèi)容[3]應(yīng)按照EEMUA 190執(zhí)行。

ASME VIII Div.2規(guī)定了壓力容器設(shè)計、材料、制造、檢驗、檢測、試驗和認(rèn)證以及與其有關(guān)泄壓裝置的強(qiáng)制性要求、特殊禁用規(guī)定以及非強(qiáng)制性指南,為各行業(yè)壓力容器設(shè)計、建造的基礎(chǔ)性規(guī)范,適用于原油、成品油、天然氣、蒸汽等各種不同介質(zhì)。覆土式子彈罐的強(qiáng)度計算方法和校核準(zhǔn)則應(yīng)按照ASME VIII Div.2執(zhí)行。

2.2 沙床及覆土設(shè)計

覆土式子彈罐采用水平圓柱形鋼制壓力容器,直接放置于沙床之上,分層堆墩覆土式子彈罐周圍以及頂部的覆土,并修筑覆土層斜坡至設(shè)計坡度,最后砌筑防沖刷層。覆土式子彈罐外表面全部被覆土層覆蓋[12],僅有人孔、進(jìn)出料管、氣相平衡管以及儀表接管等伸出覆土層之外,覆土式子彈罐一側(cè)的沙床內(nèi)設(shè)有檢查室,用于安裝覆土式子彈罐底部卸料管道,并在其內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w監(jiān)測裝置。

覆土式子彈罐的基礎(chǔ)應(yīng)結(jié)合設(shè)計載荷的組合按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計,對于現(xiàn)場表層土較為松散、承載力不足的情況,應(yīng)采取合理的地基處理措施,如整體大面積換填、強(qiáng)夯等方式,以避免不均勻沉降,影響上部結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。地基處理完成后,應(yīng)選擇滿足EEMUA 190要求的干沙或細(xì)土來堆墩沙床,堆墩時應(yīng)按照每層最大厚度0.3 m進(jìn)行分層壓實,每層最大干密度不小于95%。沙床底標(biāo)高應(yīng)高于最高地下水位至少0.6 m,沙床最小厚度還應(yīng)考慮罐底檢查室的高度且不小于1 m,從而給覆土式子彈罐提供足夠的連續(xù)支撐。考慮到LPG排凈的需要及覆土式子彈罐沿軸線方向可能的沉降,覆土式子彈罐在沙床上應(yīng)沿軸線向傾斜放置,罐底接管一端標(biāo)高最低,傾斜斜率為1∶50～1∶200[9]。沙床應(yīng)分兩個階段堆墩,以確保沙床能夠為覆土式子彈罐提供足夠的支撐力。在覆土式子彈罐就位前,沙床的堆墩厚度應(yīng)達(dá)到覆土式子彈罐橫截面底部圓心角60°對應(yīng)的弦高;在覆土式子彈罐就位后、水壓試驗前,沙床的堆墩厚度應(yīng)達(dá)到覆土式子彈罐橫截面底部圓心角120°對應(yīng)的弦高。

為應(yīng)對外在突發(fā)事件的損害,避免LPG發(fā)生揮發(fā)膨脹的危險,覆土式子彈罐罐壁上方覆土層的厚度一般不小于1 m。覆土式子彈罐周圍覆土層坡度應(yīng)根據(jù)干沙或細(xì)土的自然休止角確定,而在用地面積受限時,可以在覆土式子彈罐周圍設(shè)置一定高度擋土墻,以減少覆土層斜坡腳長度。覆土層表面應(yīng)設(shè)置防沖刷層,以避免雨水在覆土層內(nèi)聚集導(dǎo)致覆土層失穩(wěn)。防沖刷層在盡可能減少雨水滲漏的同時還應(yīng)防止可燃?xì)怏w的聚集,因此,防沖刷層不應(yīng)使用連續(xù)的不透氣覆蓋物,并推薦與根系廣、生長慢的植被聯(lián)合使用。覆土式子彈罐沙床及覆土縱、橫向截面結(jié)構(gòu)[13]分別見圖3、圖4。

圖3 覆土式子彈罐沙床及覆土縱向截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 覆土式子彈罐沙床及覆土橫向截面結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 罐體及附屬設(shè)施設(shè)計

2.3.1 一般要求

覆土式子彈罐直徑不應(yīng)超過8 m,長徑比不應(yīng)超過8,容積不應(yīng)超過 3 500 m3。根據(jù)ANSYS有限元應(yīng)力分析結(jié)果,若長徑比超過8,罐板厚度將由彎曲應(yīng)力和摩擦力引起的縱向應(yīng)力決定,從而導(dǎo)致壁厚過大、經(jīng)濟(jì)性欠佳。

覆土式子彈罐筒體壁厚與直徑之比應(yīng)不應(yīng)小于1/400;外徑與內(nèi)徑之比不應(yīng)超過1.3,而在工程實踐中該比值通常遠(yuǎn)低于1.3,如肯尼亞蒙巴薩LPG存儲設(shè)施項目所采用的覆土式子彈罐,壁厚為 38 mm,外徑與內(nèi)徑之比為1.005。覆土式子彈罐封頭壁厚不應(yīng)小于 12 mm,同時半球形端部的壁厚與筒體直徑之比不應(yīng)小于0.002或超過0.16。

根據(jù)覆土式子彈罐受力模型,其軸向載荷主要由殼體承受,非軸對稱載荷引起的彎曲應(yīng)力則由加強(qiáng)筋承受。對于直徑不小于3.5 m的覆土式子彈罐,通常需要在內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈之間的最大距離由罐板的周向屈曲應(yīng)力決定。加強(qiáng)圈大小取決于覆土式子彈罐上的載荷和加強(qiáng)圈之間的距離。加強(qiáng)圈厚度不應(yīng)超過筒體厚度。出于經(jīng)濟(jì)性考慮,加強(qiáng)圈一般與殼體具有相同的材料等級和厚度。加強(qiáng)圈設(shè)置間距與覆土式子彈罐直徑的比例應(yīng)該是1∶2～1∶1。罐內(nèi)加強(qiáng)圈頂部設(shè)有透氣孔,便于水壓試驗時氣體的排出;底部設(shè)有多個流通孔,以便罐內(nèi)LPG流出或積液排盡。

2.3.2 設(shè)計條件

覆土式子彈罐罐體的設(shè)計溫度一般為45 ℃,最高不超過55 ℃,最低設(shè)計溫度為LPG在常壓下的飽和蒸氣溫度。比如存儲LPG(符合GB 11174《液化石油氣》標(biāo)準(zhǔn))的覆土式子彈罐,設(shè)計溫度55 ℃時最大允許工作壓力為1.66 MPa。覆土式子彈罐內(nèi)、外部的腐蝕裕量一般均為1.5 mm。覆土式子彈罐的設(shè)計壽命不少于25 a[6]。

2.3.3 材料選擇

覆土式子彈罐的選材原則是在滿足強(qiáng)度要求的前提下,具有良好的塑性、韌性和焊接性[14]。ASME VIII Div.2并未明確覆土式子彈罐罐體材質(zhì),EEMUA 190對覆土式子彈罐罐體材質(zhì)有明確要求:罐板材質(zhì)為ASTM A 516 Gr.60,接管材質(zhì)為ASTM A 333 Gr.6,鍛件材質(zhì)為ASTM A 350 LF2[9],若其他材質(zhì)的最小夏比沖擊值滿足PD 5500Specification for unfired fusion welded pressure vessels中表D.2要求,也可用于覆土式子彈罐。因此,覆土式子彈罐材質(zhì)可以選用推薦的ASTM A 516 Gr.60,也可根據(jù)經(jīng)濟(jì)適用性選擇較為常用的ASTM A 516 Gr.70或ASTM A 537 CL1/CL2。

按照ASME VIII Div.2相關(guān)規(guī)定,若罐板厚度不大于38 mm,覆土式子彈罐并不需要焊后熱處理,僅需將焊縫兩側(cè)鋼板采用火焰預(yù)熱至95 ℃即可[15]。考慮到大型覆土式子彈罐內(nèi)燃法焊后熱處理費(fèi)用一般不低于10萬美元,在設(shè)計過程中大型LPG覆土式子彈罐材質(zhì)往往會選擇ASTM A 537 CL2以確保罐板厚度不大于38 mm,從而提高其建造的經(jīng)濟(jì)性。

2.3.4 附屬設(shè)施

為提高覆土層的保護(hù)作用,應(yīng)盡量減少直接與覆土式子彈罐罐壁相連的接管數(shù)量。進(jìn)出料管、氣相平衡管以及儀表接管等可全部集中設(shè)置在覆土式子彈罐頂部氣室的封頭或人孔蓋板上。

為給覆土式子彈罐底部卸料管檢查和維修活動提供足夠和安全的通道,應(yīng)在覆土式子彈罐底部接管處設(shè)置檢查室。水不得從外部環(huán)境進(jìn)入檢查室,對此,檢查室推薦采用整體澆筑形式建造;若使用混凝土蓋板,接縫處應(yīng)進(jìn)行防水密封;檢查室應(yīng)向遠(yuǎn)離罐體的方向傾斜。考慮到覆土式子彈罐沉降可能會造成檢查室內(nèi)底部接管斷裂,覆土式子彈罐底部接管采用可調(diào)節(jié)式管道吊架,接管井上端與覆土式子彈罐底部采用O型橡膠圈柔性連接。覆土式子彈罐罐底檢修通道見圖5。

圖5 覆土式子彈罐罐底檢修通道示意圖

3 LPG覆土式子彈罐建造及施工方法

根據(jù)LPG覆土式子彈罐容積、陸運(yùn)或海運(yùn)條件、現(xiàn)場最大吊裝能力等因素,LPG覆土式子彈罐的建造可以分為在制造廠內(nèi)整體建造和分片或分段預(yù)制后現(xiàn)場組焊兩種方式。

3.1 制造廠內(nèi)整體建造

制造廠內(nèi)整體建造是指鋼板切割、成型、組焊、無損檢測、焊前預(yù)熱、焊后熱處理、水壓試驗、防腐等全部工序都在制造廠內(nèi)完成。制造廠內(nèi)整體建造具有自動化程度高、建造速度快、質(zhì)量控制好、對現(xiàn)場沙床擾動小等明顯優(yōu)勢,但由于大型覆土式子彈罐尺寸大、重量重,如肯尼亞蒙巴薩LPG存儲設(shè)施項目,覆土式子彈罐直徑8 m、長度72 m,總重量超過900 t,嚴(yán)重依賴大型起吊及運(yùn)輸裝備,對道路條件要求也較為嚴(yán)格,這是大部分項目無法采用制造廠內(nèi)整體建造的最主要原因。

3.2 制造廠內(nèi)分片/分段預(yù)制后現(xiàn)場組焊

大型LPG覆土式子彈罐若無法在制造廠內(nèi)整體建造,可以考慮在制造廠內(nèi)分片或分段預(yù)制,然后通過海運(yùn)散貨運(yùn)輸至現(xiàn)場。分片預(yù)制的現(xiàn)場組焊需先將片板組焊為筒節(jié)或段,再考慮在沙床上或沙床附近進(jìn)行整體組焊,現(xiàn)場組焊位置應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場覆土式子彈罐轉(zhuǎn)運(yùn)至沙床的方法或條件確定。

若現(xiàn)場可以采用滑移就位法或自行式模塊運(yùn)輸車(Self-propelled Modular Transporter,SPMT)將覆土式子彈罐轉(zhuǎn)運(yùn)至沙床[16-18],優(yōu)先采用在沙床附近進(jìn)行覆土式子彈罐的組焊,這樣可以減少沙床上組焊對沙床連續(xù)性的破壞,避免罐體不均勻沉降發(fā)生。

在現(xiàn)場無任何覆土式子彈罐轉(zhuǎn)運(yùn)手段時,可以選擇在沙床上組焊覆土式子彈罐,但需要在沙床上開挖溝槽,并進(jìn)行分段組對、環(huán)縫焊接、無損檢測、熱處理、水壓試驗、除銹涂敷等工作[19]。為減少對連續(xù)式沙床的破壞,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場吊裝能力盡量控制分段數(shù)量,并在組焊過程中控制覆土式子彈罐整體的直線度。由于覆土式子彈罐要在沙床上進(jìn)行水壓試驗,在設(shè)計排板時應(yīng)避免筒體橫截面底部120°弦高范圍內(nèi)設(shè)置縱縫,因此通常將每個筒節(jié)分為2片板進(jìn)行焊接,相鄰?fù)补?jié)之間縱縫必須錯開位置前移。

4 LPG覆土式子彈罐無損檢測

按照ASME VIII Div.2要求,覆土式子彈罐所有焊縫均應(yīng)進(jìn)行100%無損檢測。覆土式子彈罐的對接焊縫通常都需要進(jìn)行射線檢測,但射線檢測所需的放射源難以出口至海外項目現(xiàn)場,因此,在項目的實際執(zhí)行過程中,通常采用超聲波衍射時差法(Time of Flight Diffraction,TOFD)代替射線檢測。

5 LPG覆土式子彈罐熱處理

大型覆土式子彈罐焊后熱處理通常采用內(nèi)燃法。內(nèi)燃法以輕柴油為燃料,在每段覆土式子彈罐的一側(cè)設(shè)置燃燒器,柴油霧化后通過壓縮空氣噴入覆土式子彈罐,在內(nèi)部燃燒并釋放熱量。通過熱傳導(dǎo)、熱輻射和對流,將覆土式子彈罐加熱到熱處理所需溫度,并保持一定時間,然后熄火降溫[20]。對于段之間的對接焊縫可以采用局部熱處理方式處理。

現(xiàn)場覆土式子彈罐焊后熱處理較為復(fù)雜且費(fèi)用相對較高,因此,在設(shè)計過程中會將罐板厚度控制在38 mm及以下,從而避免采用焊后熱處理。以肯尼亞蒙巴薩LPG存儲設(shè)施項目為例,單個覆土式子彈罐總投資約為220萬美元,若采用焊后熱處理,其占總投資的比例一般會超過5%。

6 結(jié)論

1)相較中國常用的地上球罐,LPG覆土式子彈罐具有安全性高、安全距離小、土地利用率高等優(yōu)點。隨著歐美地區(qū)逐步用LPG覆土式子彈罐替代地上球罐來存儲LPG,LPG覆土式子彈罐在中國必定會受到越來越廣泛的關(guān)注。

2)LPG覆土式子彈罐設(shè)計主要執(zhí)行ASME VIII Div.2與EEMUA 190,其中EEMUA 190對LPG覆土式子彈罐基礎(chǔ)、沙床、罐體結(jié)構(gòu)、材料、覆土等均有一定要求,但罐板材料的選擇還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性及焊后熱處理復(fù)雜性,在滿足ASME VIII Div.2有限元分析的基礎(chǔ)上,可以選用鋼級高于ASTM A 516 Gr.60的材料。

3)大型LPG覆土式子彈罐的建造方案應(yīng)根據(jù)項目所在地陸運(yùn)或海運(yùn)條件、現(xiàn)場最大吊裝能力綜合判斷。根據(jù)項目經(jīng)驗,制造廠內(nèi)分片或分段預(yù)制后現(xiàn)場組焊方案往往是最優(yōu)方案。