大型臥式LPG覆土壓力儲罐設(shè)計(jì)技術(shù)研究及仿真分析

姜珊 馬強(qiáng) 王成 謝超 杜亮坡 鄧鑫

中國石油天然氣管道工程有限公司

液化石油氣(liquefied petroleum gas, LPG)作為一種化工基本原料和新型燃料，已愈來愈受到人們的重視。在化工生產(chǎn)方面，LPG是乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等產(chǎn)品的重要原料，其制成品廣泛用于生產(chǎn)合成塑料、合成橡膠、合成纖維及生產(chǎn)醫(yī)藥、炸藥、染料等產(chǎn)品；在燃料應(yīng)用方面，LPG還廣泛應(yīng)用于有色金屬冶煉、民用燃?xì)庖约捌嚾剂系萚1]。LPG主要來自于煉油、原油及天然氣開采，所占比例分別為41%、24%和35%，2014年全球LPG產(chǎn)量預(yù)計(jì)為2.75×108t。中國是全球LPG行業(yè)發(fā)展較快的國家之一[2-3]，產(chǎn)量已從2004年的1 399×104t增長到2013年的2 324×104t，年復(fù)合增長率達(dá)6.55%。

LPG覆土儲罐相比其他罐型具有更多優(yōu)點(diǎn)，可安裝在煉廠、化工廠、天然氣加工廠和能源補(bǔ)給站。若干LPG覆土儲罐可以并排放置在同一覆土層。帶壓常溫貯存LPG的儲罐主要包括球罐、地上LPG覆土儲罐、船罐，也可選用常壓低溫儲罐如單容罐、雙容罐和全容罐。與球罐和地上臥式儲罐相比，LPG覆土儲罐安全系數(shù)更高[4-6]。LPG覆土儲罐具有以下優(yōu)勢：覆土可保護(hù)儲罐不受熱輻射、爆炸壓力波、飛行物沖擊、破壞活動的影響；滿足環(huán)境和審美要求；降低場地面積要求；顯著降低安全間距[7-8]。其中，LPG覆土儲罐最大優(yōu)勢在于可完全消除沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸的可能性。19世紀(jì)末期，歐美等發(fā)達(dá)國家開始采用臥式覆土LPG壓力儲罐代替球形儲罐來儲存LPG[9-10]，覆土LPG壓力儲罐在安全性、工程造價(jià)等方面具有明顯優(yōu)勢[7，10]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，歐美等發(fā)達(dá)國家如德國、法國等，開始禁止再建造大型球形儲罐，臥式覆土LPG壓力儲罐已成為LPG的主要存儲設(shè)備[11-12]。

在國內(nèi)，臥式覆土LPG壓力儲罐技術(shù)研究設(shè)計(jì)處于起步階段[13-14]，缺少設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，也沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[15-16]。因此，該設(shè)計(jì)的實(shí)施豐富了國內(nèi)設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為今后臥式覆土LPG壓力儲罐設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 設(shè)計(jì)原則

臥式LPG覆土儲罐的主要設(shè)計(jì)依據(jù)是ASME VIII Div1&2[17]和EEMUA190[18]。同時(shí)，部分設(shè)計(jì)內(nèi)容需滿足PD5500[19]的相關(guān)要求。施加在臥式LPG覆土壓力儲罐上的載荷共9種，分別為罐體自重載荷、儲液自重載荷、罐體設(shè)計(jì)壓力、罐體設(shè)計(jì)負(fù)壓、覆土壓力、因罐體不均勻支撐導(dǎo)致的剪切力、罐體軸向載荷、地震載荷、爆炸氣體沖擊載荷。初始水壓試驗(yàn)時(shí)并不會覆蓋土壤，因此不用考慮土壤載荷，但在運(yùn)行一段時(shí)間后，復(fù)測時(shí)需要考慮覆土載荷。

根據(jù)EEMUA190規(guī)定[18]，覆土埋深深度為0.5 m。本設(shè)計(jì)中埋深最淺處按0.5 m考慮，腐蝕裕量定為3 mm。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件

本研究以3 000 m3LPG儲罐為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)條件如表1所列。

表1 3 000 m3 LPG覆土儲罐設(shè)計(jì)條件序號名稱參數(shù)1儲罐公稱容積/m33 0002設(shè)計(jì)壓力/MPa23設(shè)計(jì)溫度/℃-42～704充裝系數(shù)0.855腐蝕裕量/mm36壓力試驗(yàn)類型水壓7覆土深度/m0.58設(shè)計(jì)雪載-9地震加速度/g0.2

2.2 結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)設(shè)計(jì)條件計(jì)算得到3 000 m3LPG儲罐設(shè)計(jì)尺寸，如表2所列。

表2 3 000 m3 LPG覆土儲罐結(jié)構(gòu)尺寸序號名稱參數(shù)1筒內(nèi)直徑/mm8 0002筒體總長/mm64 3403筒體壁厚/mm544筒體質(zhì)量/kg685 4655封頭厚度/mm366封頭質(zhì)量/kg28 4107其他部件質(zhì)量/kg191 9158單臺質(zhì)量/kg934 200

3 000 m3LPG覆土儲罐直徑選取8 m，此時(shí)筒體長度64.34 m，罐體總長72.412 m。由于長徑比>8，儲罐需考慮因彎曲和摩擦力導(dǎo)致的軸向應(yīng)力，這也將成為決定罐壁厚度的主要因素?？紤]到目前國內(nèi)鋼板加工能力，筒體由17個(gè)3 800 mm的筒節(jié)組成，筒節(jié)中間設(shè)置加強(qiáng)圈，材料采用SA516.Gr70正火鋼板[20]。封頭采用內(nèi)徑為8 m的半球形封頭，連接處筒體削邊，封頭材料采用SA516.Gr70正火鋼板[20]。本設(shè)計(jì)中LPG覆土儲罐直徑8 m，需考慮加強(qiáng)圈，加強(qiáng)圈材料采用A516.Gr70[20]；根據(jù)文獻(xiàn)[21]中“焊接在罐體上的接管應(yīng)盡量少”的原則，設(shè)置氣室封頭，所有接管設(shè)置在封頭上，氣室材料為A516.Gr70[20]和A350.LF2 Cl[22]；LPG覆土儲罐設(shè)置兩個(gè)DN900人孔，人孔處設(shè)置內(nèi)梯；氣室接管與人孔設(shè)置高分子材料制成的襯套。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.1～2.2節(jié)參數(shù)及要求，對3 000 m3LPG儲罐相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所列。

表3 3 000 m3LPG儲罐設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果序號名稱結(jié)果/kN1罐體自重載荷(Q1)492.091 552單位長度罐體自重載荷(Q1L')129.497 783單位長度罐體自重載荷(Q1V')161.872 224儲液自重載荷(Q2S) 995.156 025地震載荷(Q2E) 1 243.945 06水壓試驗(yàn)下(Q2)1 910.088 37單位長度儲液自重載荷(Q2L')261.883 168單位長度儲液自重載荷(Q2V')327.353 959加強(qiáng)圈的法相載荷(Q3)5 636.761 610加強(qiáng)圈質(zhì)量(w)0.704 595 211壓縮載荷(Q4)-140.91912單個(gè)加強(qiáng)圈的覆土質(zhì)量(Q5)1 180.920 113單位長度覆土質(zhì)量(Q5')212.923 2114罐體上的剪切力(Q6)880.495 3315 最大摩擦力(Q7)32 585.56716地震載荷(Q8)3 344.245 817天然氣爆炸導(dǎo)致的外部壓力(Q9)940.518Q '=Q1L'+Q2V'+Q5'702.149 3819Q=1.33(Q1+Q2+Q5)4 765.523

3 有限元分析

3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

LPG覆土儲罐為中心軸對稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在沿軸向方向的受力是不均勻的，故需要建立三維立體模型，LPG覆土儲罐實(shí)體模型及網(wǎng)格劃分見圖1?？紤]到需要計(jì)算LPG覆土儲罐在軟土、硬土非均勻地基條件下的受力情況，建立1/2模型，較全模型更加節(jié)省計(jì)算成本。罐體結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)為：材料密度為ρ=7 850 kg/m，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3。本研究采用彈性分析，計(jì)算出來的殼體和梁上應(yīng)力分別與許用應(yīng)力校核，從而來判斷整個(gè)LPG覆土儲罐的強(qiáng)度問題。

邊界條件：①覆土壓力作用在儲罐上半部分，且在儲罐頂部土壤作用力最大，在儲罐上下部分相接處最小，并呈非線性變化；②重力是以慣性力加載方式加載上去的，因此，重力加載方向與加速度的方向相反，重力加速度g=9.8 m/s2；③關(guān)于地基支撐考慮120°傾斜角，模擬結(jié)果顯示當(dāng)夾角為120°時(shí)，沙床支撐為0；④儲液靜水壓：正常操作條件下，介質(zhì)按照LPG計(jì)算；水壓試驗(yàn)時(shí)，按照水的密度計(jì)算；⑤內(nèi)壓：根據(jù)LPG覆土儲罐計(jì)算，設(shè)計(jì)壓力為2.0 MPa，因此，在罐內(nèi)壁上施加2.0 MPa的內(nèi)壓。

3.2 計(jì)算結(jié)果

LPG覆土儲罐用于存放高壓LPG，存放高壓氣體時(shí)不僅受到內(nèi)壓作用，且由于罐埋于地下，儲罐會受到來自土壤的外壓。根據(jù)不同工作條件、土壤作用和儲罐運(yùn)行狀況，本研究對12種工況分別進(jìn)行考慮，具體工況如表4所列。

(1) 工況1：空罐(中間沉降)

工況1考慮了空罐(中間沉降)的情況，此時(shí)需要考慮罐體自重、不均勻的覆土壓力、不均勻沉降(罐體中間沉降比兩端多)、罐體由于熱脹冷縮會與土壤產(chǎn)生摩擦力，特別在熱脹的時(shí)候，軸向膨脹量很大，這樣會在封頭上產(chǎn)生較大土壤阻力。LPG覆土儲罐垂直位移、應(yīng)力云圖及加強(qiáng)圈應(yīng)力云圖如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，中間沉降較多，比兩邊多沉降12 mm，這樣會在罐體中間底部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，同時(shí)中間底部也是應(yīng)力最大的地方。如圖2(b)所示，該應(yīng)力為根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算出的應(yīng)力，即Mises應(yīng)力。從圖中可知，罐體上最大應(yīng)力為10.2 MPa，加強(qiáng)圈上的應(yīng)力最大為9.2 MPa。

同理，針對表4中其他工況進(jìn)行模擬，具體結(jié)果如圖3～圖13所示。

表4 不同模擬工況序號工況載荷1空罐(中間沉降)罐體自重+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭2正常工作(中間沉降)罐體自重+內(nèi)壓+介質(zhì)靜水壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭3地震下空罐(中間沉降)罐體自重+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭+水平和垂直地震載荷4地震下滿罐(中間沉降)罐體自重+內(nèi)壓+介質(zhì)靜水壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭+水平和垂直地震載荷5水壓試驗(yàn)(中間沉降)罐體自重+試驗(yàn)內(nèi)壓+靜水壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭6真空(中間沉降)罐體自重+外壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭7空罐(兩端沉降)罐體自重+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭8滿罐(兩端沉降)罐體自重+內(nèi)壓+介質(zhì)靜水壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭9地震下空罐(兩端沉降)罐體自重+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭+水平和垂直地震載荷10地震下滿罐(兩端沉降)罐體自重+內(nèi)壓+介質(zhì)靜水壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭+水平和垂直地震載荷11水壓試驗(yàn)(兩端沉降)罐體自重+試驗(yàn)內(nèi)壓+靜水壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭12真空(兩端沉降)罐體自重+外壓+覆土壓力+不均勻沉降+罐體與土壤摩擦力+土壤作用在封頭

(2) 工況2：正常工作(中間沉降)

(3) 工況3：地震下空罐(中間沉降)

(4) 工況4：地震下滿罐(中間沉降)

(5) 工況5：水壓試驗(yàn)(中間沉降)

(6) 工況6：真空(中間沉降)

(7) 工況7：空罐(兩端沉降)

(8) 工況8：滿罐(兩端沉降)

(9) 工況9：地震下空罐(兩端沉降)

(10) 工況10：地震下滿罐(兩端沉降)

(11) 工況11：水壓試驗(yàn)(兩端沉降)

(12) 工況12：真空(兩端沉降)

本研究對以上12種工況進(jìn)行逐一分析，從分析結(jié)果可以看出：罐內(nèi)加強(qiáng)圈的作用主要用于平衡覆土壓力和地基支撐，能夠較好地增強(qiáng)罐體剛度，吸收來自土壤和地基的外部作用力；封頭受到來自覆土的壓力，在熱脹時(shí)中間下沉較為明顯；正常和水壓實(shí)驗(yàn)情況下，未達(dá)到材料的屈服應(yīng)力，證明該設(shè)計(jì)合理可行。地震對罐體沉降有較大的影響，而對罐體影響較小。

4 結(jié)論

(1) 該設(shè)計(jì)的完成豐富了國內(nèi)大型臥式LPG覆土壓力儲罐設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，可為今后的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

(2) 針對本研究3 000 m3臥式LPG覆土壓力儲罐結(jié)構(gòu)模擬可知：熱膨脹時(shí)罐體沉降較為明顯；地震情況下儲罐沉降也較為明顯，但對儲罐的應(yīng)力影響較?。徽２僮鞴r下和水壓試驗(yàn)下，罐體材料均未達(dá)到材料屈服點(diǎn)，并有部分余量，表明罐體設(shè)計(jì)合理。