石油化工裝置中儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

蔡武靜

上海智英化工技術(shù)有限公司杭州分公司 浙江 杭州 311215

近年來(lái)，人們生活水平不斷提升，對(duì)石油需量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，油罐作為儲(chǔ)存石油的重要設(shè)備，受到專業(yè)人員的高度重視，經(jīng)過(guò)專業(yè)人員不懈努力，油罐逐漸向大型化方向發(fā)展，其具有節(jié)省投資、便捷操作管理、減少占地面積、節(jié)省鋼材等特征，被廣泛應(yīng)用在石油化工企業(yè)。目前，世界上容積最大儲(chǔ)油罐單罐達(dá)到20×104m3，我國(guó)最常用15×104m3容積的大型油罐，被廣泛應(yīng)用到石油化企業(yè)中，有效提高石油化工企業(yè)日常儲(chǔ)存量，加強(qiáng)存儲(chǔ)安全性，為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；诖?，本文以大型油罐作為主要研究對(duì)象，結(jié)合我國(guó)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)油罐結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，再利用有限元分析法和理論分析法計(jì)算罐體結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而確定儲(chǔ)油罐最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[1]。

1 大型儲(chǔ)油罐的優(yōu)點(diǎn)

大型油罐具有多樣化優(yōu)勢(shì)：（1）大型油罐能控制油罐的附件。在石油化工企業(yè)儲(chǔ)油罐容量不變的情況下，提高大型儲(chǔ)油罐數(shù)量，能大幅度降低小油罐數(shù)量，從而減少管道的各種基礎(chǔ)設(shè)施，如閥門(mén)、儀表等配件，合理控制泄漏點(diǎn)數(shù)量；（2）有利于減少占地面積。對(duì)石油化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)油罐占地面積和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有直接聯(lián)系，且要考慮到儲(chǔ)油罐附近的防火性能，要滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，相鄰儲(chǔ)油罐間距要符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)目前我國(guó)政府部門(mén)所規(guī)定的防火要求，當(dāng)石油化工企業(yè)的存儲(chǔ)能力基本相同時(shí)，將無(wú)數(shù)個(gè)小儲(chǔ)油罐和大型儲(chǔ)油罐科學(xué)排列，能有效降低實(shí)際占地面積；（3）便于節(jié)約鋼材。當(dāng)儲(chǔ)油罐容積增加，其表面積出現(xiàn)不同程度的減小，無(wú)形中降低單位容積所消耗的鋼材數(shù)量，可見(jiàn)在石油化裝置中儲(chǔ)油罐容積和鋼材消耗量成反比；（4）有利于工作人員進(jìn)行日常操作和后期維護(hù)。隨著儲(chǔ)油罐趨于大型化，會(huì)降低小儲(chǔ)油罐數(shù)量，提高檢尺維護(hù)和消防等方面的便捷性[2]。

2 儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)力計(jì)算方法

2.1 儲(chǔ)油罐相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要包括美國(guó)API650《鋼制焊接油罐》、中國(guó)GB50341《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》、日本JIS B 8501《石油工業(yè)立式鋼制焊接油罐》等規(guī)范。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，給油庫(kù)管理效率提出更高要求，為確保我國(guó)石油化工行業(yè)企業(yè)能達(dá)到預(yù)期要求，其根據(jù)實(shí)際情況建立信息化系統(tǒng)，來(lái)提升油庫(kù)安全管理水平。油庫(kù)自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括安全防范系統(tǒng)、油罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)、收發(fā)油自動(dòng)控制系統(tǒng)等，其中油罐自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)在整個(gè)油庫(kù)管理中具有至關(guān)重要的作用，其能準(zhǔn)確測(cè)量出油罐內(nèi)水位、平均溫度、油品液位等數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出油罐內(nèi)油品的具體數(shù)量。目前，美國(guó)和日本2種設(shè)計(jì)規(guī)范中最大差異性是壁板厚度的計(jì)算方法，日本在計(jì)算壁板厚度時(shí)以定點(diǎn)法為主，在每圈壁板的最高環(huán)向應(yīng)力距離壁板底部0.3m位置設(shè)置為設(shè)計(jì)壓力，計(jì)算出壁板實(shí)際厚度；而API650設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是以變點(diǎn)法為基礎(chǔ)，計(jì)算壁板厚度，通過(guò)算出每圈壁板最高環(huán)向應(yīng)力位置，利用該位置的靜液壓力算出壁板的實(shí)際厚度。

2.2 罐體應(yīng)力計(jì)算方法

罐體應(yīng)用是由底板應(yīng)力和壁板應(yīng)力2個(gè)環(huán)節(jié)組成，其中壁板應(yīng)用計(jì)算方法有短圓柱殼法、組合圓柱殼法、長(zhǎng)圓柱殼法等類型。其中短圓柱殼法具有計(jì)算精度高的優(yōu)勢(shì)，但該方法計(jì)算過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，不適合應(yīng)用到企業(yè)經(jīng)營(yíng)中；長(zhǎng)圓柱殼法計(jì)算流程簡(jiǎn)單，但其計(jì)算準(zhǔn)確性不足；組合圓柱殼法是將上述2種計(jì)算方法優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，不僅具有良好的計(jì)算精度，還擁有簡(jiǎn)便的計(jì)算流程。通過(guò)上述分析，本文主要采用組合圓柱殼法計(jì)算壁板應(yīng)力。目前，在大型油罐底板應(yīng)力計(jì)算過(guò)程中，通常使用彈性地基梁和剛性地基梁耦合法，但由于儲(chǔ)油罐基礎(chǔ)影響因素種類較多，導(dǎo)致該種方法產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果存在嚴(yán)重差異性。大量實(shí)驗(yàn)證明，有限元方法能真實(shí)模擬出罐體和基礎(chǔ)間的相互作用，所以可采用有限元分析法計(jì)算罐底板應(yīng)力。

3 大型儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

3.1 確定儲(chǔ)油罐直徑

油罐容積要滿足如下要求：

式中：V表示儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)容量；D表示儲(chǔ)油罐直徑；H表示儲(chǔ)液高度。

根據(jù)我國(guó)消防相關(guān)規(guī)范，大型石油儲(chǔ)罐高度要低于24m；浮頂罐儲(chǔ)液高度要提前預(yù)留0.9m左右的空間。如當(dāng)石油儲(chǔ)罐容積為15×104m3，其最小直徑為91000mm，考慮到油罐使用安全性和經(jīng)濟(jì)性，油罐中直徑為100000mm，罐體高度為21800mm。

3.2 壁板寬度選擇

大型儲(chǔ)油罐壁板厚度較小，采用薄壁殼體結(jié)構(gòu)，而壁板作為承受壓力的重要結(jié)構(gòu)，要承載大量的靜液壓力，其通常為三角形分布狀。同時(shí)，為滿足實(shí)際強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，在日常應(yīng)用中禁止采用連續(xù)變化截面厚度鋼板來(lái)制造油罐，所以油罐壁只能利用較厚的壁板焊接而成。且由于受到企業(yè)運(yùn)輸能力和冶金能力影響，要合理控制其壁板寬度，其寬度要低于3000mm。研究數(shù)據(jù)顯示，底圈壁板寬度和儲(chǔ)油罐應(yīng)力有直接聯(lián)系，所以本文采用2980mm、2420mm壁板厚度為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)2種方案進(jìn)行對(duì)比。

3.3 底板設(shè)計(jì)

儲(chǔ)油罐底部是由邊緣板和中幅板2個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中罐底邊緣板作為連接中幅板和壁板的重要環(huán)節(jié)，在靜液壓力作用下，邊緣板要一直承受較高的彎曲應(yīng)力。在我國(guó)相關(guān)規(guī)范中，要求大型儲(chǔ)油罐邊緣板厚度要大于19mm，為保證底板自身的安全性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的腐蝕度，將邊緣板厚度控制在23mm。為控制底板的彎曲應(yīng)力，要在邊緣板位置進(jìn)行延長(zhǎng)，伸出到管壁外100mm。而中幅板在靜液壓力作用下不會(huì)承受較高的彎曲應(yīng)力，在相關(guān)規(guī)范中中幅板厚度需高于6mm，但為了避免底板出現(xiàn)不均勻沉降導(dǎo)致儲(chǔ)液泄漏問(wèn)題，要結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整中幅板厚度，通常中幅板厚度為11mm。

3.4 油罐計(jì)量方法選擇

企業(yè)油庫(kù)通常是將儲(chǔ)存成品油作為主要目標(biāo)，所以在企業(yè)油庫(kù)中存在大規(guī)模洞庫(kù)油罐。這些油罐根據(jù)建筑類型不同，可分為地面立式內(nèi)浮頂油罐、地面拱頂罐、洞庫(kù)頂立式油罐等，其小型臥式罐、洞庫(kù)罐數(shù)量占據(jù)大多數(shù)，工作人員要根據(jù)特征不同，選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)量方法。從計(jì)算方法來(lái)看，油品質(zhì)量計(jì)算在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有標(biāo)準(zhǔn)體積X標(biāo)準(zhǔn)密度方法和立式罐截面積X靜壓強(qiáng)方法，第一種計(jì)算方法通常應(yīng)用在混合法自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)、液位法自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中，當(dāng)立式儲(chǔ)罐容積表準(zhǔn)確度低于0.1%，油品質(zhì)量計(jì)量準(zhǔn)確度和壓力變送器數(shù)據(jù)有直接聯(lián)系，標(biāo)準(zhǔn)密度測(cè)量值不會(huì)給油品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。因此，在選擇計(jì)量系統(tǒng)時(shí)，可選擇具有較好精確度的壓力變送器進(jìn)行測(cè)量，從而保證油品質(zhì)量準(zhǔn)確度。本系統(tǒng)中為讓整體計(jì)量精度能滿足行業(yè)要求，在選擇壓力變送器、液位計(jì)等計(jì)量工具時(shí)要滿足下面要求：液壓計(jì)要符合計(jì)量要求，精度要控制在1mm左右；而想要滿足庫(kù)存要求時(shí)，精度可調(diào)整為3mm；溫度計(jì)平均溫度差異性需降低到5°范圍內(nèi)；壓力變送器對(duì)所測(cè)量壓力提出更高要求，其壓力值要低于60Pa。另外，在安裝儀表過(guò)程中，壓力變送器取壓孔要安裝在油品靜止位置，且要處于計(jì)量水平位置，禁止超過(guò)輸油管。液位測(cè)量?jī)x表要求在施工過(guò)程中，要按照標(biāo)準(zhǔn)流程和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行安裝，從而確保測(cè)量結(jié)果的合理性。

3.5 壁板厚度計(jì)算

壁板厚度計(jì)算作為油罐設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，雖然不同國(guó)家對(duì)壁板厚度計(jì)算公式存在一定差異性，但均規(guī)定壁板最大厚度為45mm?；诖?，本文將方案一和方案二相互結(jié)合進(jìn)行計(jì)算，從而得到4種不同結(jié)構(gòu)（如表1、表2所示）。

表1 四種結(jié)構(gòu)所用方案

表2 四種結(jié)構(gòu)壁板設(shè)計(jì)厚度

4 罐體應(yīng)力分析對(duì)比

4.1 壁板應(yīng)力分析

4.1.1 底圈壁板寬度的影響

將4種不同結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范分為2組，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2采用JIS B 8501設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4使用API650規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，2種結(jié)構(gòu)中主要區(qū)別在底圈壁板寬度差異性。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)2底圈壁板寬度為2980mm，其在第一道環(huán)焊縫周圍的環(huán)向應(yīng)力要低于結(jié)構(gòu)1。站在大型立式圓筒形焊接油罐角度來(lái)看，管壁上第一道環(huán)焊縫周圍區(qū)域應(yīng)力最高，是整個(gè)儲(chǔ)油罐最危險(xiǎn)的位置。因此，工作人員要結(jié)構(gòu)2的寬度，合理控制第一道環(huán)焊縫的環(huán)向應(yīng)力，全面提升油罐安全性（如表3所示）。同時(shí)，通過(guò)分析表2發(fā)現(xiàn)，在選擇底圈壁板寬度為2980 mm管壁時(shí)要設(shè)置八圈壁板，能減少一道環(huán)焊縫制作流程，無(wú)形中加強(qiáng)其安全性。

表3 四種結(jié)構(gòu)壁板外表面環(huán)向應(yīng)力最大值和位置

4.1.2 兩種設(shè)計(jì)規(guī)范影響

在結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)4中其底圈壁板寬度基本相同，其中結(jié)構(gòu)4采用API650設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)構(gòu)2使用JIS B 8501設(shè)計(jì)規(guī)范。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)2環(huán)向應(yīng)力最大值位于第一道環(huán)焊縫上部；而結(jié)構(gòu)4環(huán)向應(yīng)力最大值在第一道環(huán)焊縫下部，通過(guò)分析介質(zhì)的靜液強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)4壁板應(yīng)力數(shù)值較高，說(shuō)明變點(diǎn)法設(shè)計(jì)方法和大型儲(chǔ)油罐具有較強(qiáng)吻合度。另外，要注重結(jié)構(gòu)抗震性能，其油罐底圈壁板厚度較大，且第一圈和第二圈壁板厚度數(shù)據(jù)相差較大，主要目的是提高油罐結(jié)構(gòu)的抗震能力。因此，如果相關(guān)企業(yè)要將油罐建立在地震頻發(fā)地帶，可采用日本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不然通常采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.2 罐底設(shè)計(jì)應(yīng)力分析

當(dāng)4種結(jié)構(gòu)的罐基礎(chǔ)和底板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基本相同，且油罐內(nèi)直徑全部為100000mm。通過(guò)利用有限元分析法進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)底板應(yīng)力分布不容易受壁板結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，即4種結(jié)構(gòu)底板應(yīng)力分布并無(wú)明顯差異性。另外，罐底板最大應(yīng)力通常在壁板和地板相互連接的大角焊縫位置，最高應(yīng)力為505.4MPa。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，利用美國(guó)和日本2種設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)，選擇不同底圈壁板寬度，合理設(shè)計(jì)大型儲(chǔ)油罐結(jié)構(gòu)，利用組合圓柱殼法計(jì)算不同結(jié)構(gòu)的壁板應(yīng)力。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，美國(guó)規(guī)范中的底圈壁板寬度設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的合理性，所以要注重使用美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，將有限元法應(yīng)用到方案板底應(yīng)力計(jì)算中，研究底板應(yīng)力變化時(shí)壁板結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律。