大型儲罐的節(jié)能創(chuàng)新設(shè)計

白翠翠，張紅巖

(1.山東華魯恒升化工股份有限公司，山東 德州 253024； 2.山東格瑞德集團有限公司，山東 德州 253024)

大型儲罐設(shè)計過程中的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，不但能節(jié)約投資成本，而且可大大減少泄漏的幾率。

1 優(yōu)先考慮變壁厚設(shè)計法

隨著企業(yè)化工裝置的大型化，儲罐的直徑和鋼材總重量占的比重也隨之增大，大型儲罐的設(shè)計應盡可能的減少鋼材的消耗量，以達到比較好的經(jīng)濟合理性。罐壁鋼材的重量在大型儲罐罐體的總重量重約占40%～50%，因此，確定罐壁厚度的罐壁強度計算，對于減少罐壁的重量從而降低整個儲罐的鋼材消耗量顯得尤為重要。

罐壁設(shè)計我們目前采用GB50341中的定點設(shè)計法(當儲罐直徑小于等于60 m時，宜采用定設(shè)計點法；當儲罐直徑大于60 m時，宜采用變設(shè)計點法)，在滿足GB50341表6.3.4罐壁板最小名義厚度要求的前提下，設(shè)計過程中優(yōu)先考慮變壁厚設(shè)計，這種設(shè)計理念對于大型儲罐的經(jīng)濟合理性具有決定性的作用。

值得注意的是，底圈罐壁板和邊緣板的不協(xié)調(diào)變形量較大，實際設(shè)計過程中，可適當增加底圈壁板厚度和邊緣板厚度，減小此處的不協(xié)調(diào)變形，減小邊緣板大角焊接接頭處的峰值應力，也能提供儲罐的抗震能力，另外，根據(jù)這幾年單位的罐區(qū)大修檢測，該部位的腐蝕也是較為嚴重的，此處的設(shè)計優(yōu)化可使得設(shè)備的壽命和安全性提高。

表1 罐壁設(shè)計

2 罐頂設(shè)計優(yōu)化設(shè)計

拱頂(圖1)是國內(nèi)大型使用的罐頂結(jié)構(gòu)形式，具有良好的經(jīng)濟性，曲率半徑0.8～1.2D是綜合考慮了實用性和經(jīng)濟性的結(jié)構(gòu)，理論上則可適當放寬。

圖1 拱頂儲罐簡圖

設(shè)計中采用的計算公式的來源是外壓球殼厚度計算，帶肋殼穩(wěn)定性計算方法是將帶肋殼簡化為當量厚度的光殼，因此對肋間距、肋的高厚比都有要求，其理論來源于帶加強筋的混凝土板殼。

帶肋固定頂蓋結(jié)構(gòu)比桁架式或者柱支撐錐頂(圖2)節(jié)省鋼材，而且制作安裝簡單，在選取罐頂結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應用。

圖2 錐頂儲罐簡圖

帶肋殼的適用范圍為D≤40 m,R≤40 m，當直徑超過40 m時，則經(jīng)濟性下降非常快，穩(wěn)定性則提高的慢，安全性在下降。

所以當拱頂?shù)那拾霃匠^40 m時，則推薦使用網(wǎng)殼頂(圖3)。

圖3 網(wǎng)殼儲罐簡圖

我國已有近千臺儲罐采用了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，積累了許多的經(jīng)驗，建筑行業(yè)標準《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》也可供我們在設(shè)計過程中參考借鑒。

罐壁屬于薄壁圓筒，抗外壓能力較弱，在設(shè)計過程中還要重點考慮罐壁和罐頂?shù)膹姸葎偠葐栴}。

如果罐頂抗外壓能力超過罐壁，一旦罐內(nèi)真空致使外壓超過限度，罐壁端部可能被拉裂。當外壓超出邊環(huán)梁的承載能力時，就可能發(fā)生斷裂，使得網(wǎng)殼本身失效。

3 熱噴涂技術(shù)的利用

儲罐用材的選擇應根據(jù)儲罐的設(shè)計溫度(最低和最高設(shè)計溫度)、物料的特性(腐蝕性、毒性、易爆性等)、鋼材的性能和使用限制，在保證儲罐各部位安全、可靠的基礎(chǔ)上節(jié)省投資的原則。

儲罐壁板，尤其是底圈壁板、第二圈壁板和罐底的邊緣板對選材來說是主要的，也是最重要的，他們之間的連接焊接接頭受力最大，且較為復雜，也往往容器出現(xiàn)事故。罐底邊緣板應與底圈壁板采用相同材質(zhì)。

除了常規(guī)的碳鋼、不銹鋼材質(zhì)選取原則外，可采取碳鋼熱噴涂不銹鋼或非金屬來節(jié)約成本。

熱噴涂，是將熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過高速氣流使其霧化噴射在零件表面上，形成噴涂層的一種金屬表面加工方法。我們把特殊的工作表面叫“涂層”，把制造涂層的工作方法叫“熱噴涂”，它是采用各種熱源進行噴涂和噴焊的總稱。

熱噴涂是國家重點推廣的新型技術(shù)之一，大型儲罐設(shè)計中也有不少實際的應用，以下幾臺是采用熱噴涂工藝節(jié)約投資的代表儲罐：

1)乙醇儲罐改DMF儲罐(1500 m3)、丙酮儲槽改DMF儲槽(2000 m3)，凝結(jié)水箱、脫鹽水箱，底板及壁板材質(zhì)為內(nèi)壁Q235B噴涂S30408。

2)反滲透水箱4臺(1000 m3)底板及壁板材質(zhì)為內(nèi)壁Q235B噴涂EAA。

3)DEF產(chǎn)品罐(1400 m3)底板及壁板材質(zhì)為內(nèi)壁Q235B噴涂S30408。

拿到設(shè)計條件后，設(shè)計人員首先要確定儲罐儲存介質(zhì)的腐蝕數(shù)據(jù)，通過查詢《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》，腐蝕速率以及是否有孔蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等特殊腐蝕，選擇合適的基層材質(zhì)及噴涂工藝。

因噴涂的涂層厚度可以從0.01至幾毫米不等，結(jié)合率也有嚴格的要求。若可采用噴涂技術(shù)，降低投資成本，則應在設(shè)計階段應提出涂層厚度及貼合強度要求，以保證儲罐能長期穩(wěn)定運行而不發(fā)生腐蝕。

近幾年不銹鋼板材價格上漲非?？?，采用碳鋼熱噴涂的技術(shù)，在大型儲罐設(shè)計中的推廣可節(jié)約投資成本，一次性節(jié)省投資可達千萬元。

熱噴涂工藝在化工裝置的其他各種容器，比如反應器，塔器中也有廣泛應用，在設(shè)備維修及改造項目中也可以利用此技術(shù)修舊利廢，使報廢的設(shè)備零部件“起死回生”。

4 大型儲罐底部排污形式的創(chuàng)新

大型儲罐底部排污形式多采用的是接管引出到大型儲罐外側(cè)的形式。由于接管不能設(shè)置的太大，排污效果不好，這種形式在實際使用過程中有的造成了排污處變形的情況。為了使排污效果更理想，且受力均勻可采用排污器(圖4)的形式。

圖4 排污器形式

此種形式的排污器為半圓形，貼近大罐底部還有一層板，起到補強底部開孔的作用，排污器與罐底之間還增加了如圖所示的塞焊，使受力均勻，不易變形。使用這種形式的排污器，底部開孔較大，使排污方便快捷。排污半圓口的法蘭蓋的下端開較小的孔引出接管，平時不排污時，作為出料口使用，效果理想，方便快捷。

而之前多采用的結(jié)構(gòu)為外伸接管式(圖5)，當大罐進行盛水試驗或投用物料時，很可能造成罐底發(fā)生變形，使罐底及接管上翹，造成接管與罐底的焊縫處易發(fā)生滲漏及外接法蘭處泄露嚴重，從而造成裝置停產(chǎn)停工。

圖5 外伸接管式

通過近幾年的項目實例證實，排污器運行相對比較可靠，泄露情況很少發(fā)生，該類結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新對以后大型儲罐的設(shè)計提供了可靠的經(jīng)驗，提高了裝置的可靠性。

5 小結(jié)

大型儲罐設(shè)計過程中在滿足穩(wěn)定性、強度、錨固及生產(chǎn)工藝要求等的前提下，可通過采取優(yōu)化罐頂、罐底設(shè)計、選取經(jīng)濟性較好的材料、改進結(jié)構(gòu)和舊設(shè)備利用等方面大大提高儲罐設(shè)計的經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

大型儲罐在運行過程中發(fā)生的事故也很多，如處理不當會嚴重的產(chǎn)大范圍的污染，最大的危害甚至能導致出現(xiàn)人身安全危險等，因此對于在設(shè)計以及在運用中，都要進行認真的研究以及進行完善等。