大型储罐设计的若干问题

大型储罐设计的若干问题

该储液站在经济发展中发挥着重要作用，尤其是在石油和石化公司。储液储备所是储存单元的重要设备，用于调节油气藏，并向油气中下传递重要的油气量。无论是陆地或海洋原油开采,还是石化装置的原料存储;无论是长输管线的泵站、运销油库和军用油料油库,还是国家物资储备与战略储备,均离不开各种容量和类型的储罐。大型储罐的设计一般有如下过程:作为设备专业来讲,从拿到设计条件开始,首先考虑的是介质的特性,有没有腐蚀,工艺条件提的材质是否合适,设计参数是否完整,还需知道储罐所在地的风载荷和雪载荷,以及地震设防烈度和地震分组。当这些基础条件大部分掌握后,就可以选择合适的标准规范进行储罐的设计了。储罐的设计标准常用的有GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》、SH3046-1992《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》、API650《焊接石油储罐》、API620《大型焊接低压储罐设计与建造》、SY/T0608-2006《大型焊接低压储罐的设计与建造》、SH/T3167-2012《钢制焊接低压储罐》等;施工验收规范有GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》、SH/T3530-2011《石油化工立式圆筒形钢制储罐施工技术规程》等。1罐体材料的选择储罐按罐顶的形式可分为拱顶、内浮顶、外浮顶和锥顶罐。原油、汽油、溶剂油等油品,应选用浮顶罐或内浮顶罐;航空汽油、喷气燃料应选用内浮顶罐,灯用煤油可选用内浮顶罐;柴油、润滑油、电器用油、液压油、重油(燃料油)及其性质相似的油品,应选用固定顶罐;芳烃、醇类、醛类、酯类、酮类、腈类及与其性质相似的介质,根据具体情况可选用内浮顶罐或固定顶罐;酸类、碱类宜选用固定顶罐。储存甲B、乙A类的液体,宜选用浮顶或浮舱式内浮顶罐,不应选用浅盘式内浮顶罐。储罐的选材对于不同的介质有不同的选择,一般储存原油及成品油的都是碳钢或低合金钢罐,10万立方以上的会用到高强度钢板,一般是储存原油的外浮顶罐,可用国外进口日本产SPV490Q,国内生产的是大线能量用WH610D2钢板,该钢板被列入了已经发布实施的《压力容器用调质高强度钢板(GB19189-2011)》,正式命名为12MnNiVR。油品储罐设计相对来说比较常规,但是在石化和化工行业,不仅有油品,还有有机、无机的化工品,产品种类繁多,有很多是易燃易爆、有毒有害、有腐蚀的介质,对材料的选择需要慎重考虑。材料常见的有碳钢、低合金钢和不锈钢,碳钢常用的有Q235B,、Q245R,低合金钢有Q345R,不锈钢常用的有304,304L,316,316L。Q245R钢板一般在有H2S应力腐蚀时会考虑使用,介质如炼油乙烯硫磺回收装置中的含硫污水储罐。Q345R钢板一般在储罐容积超过5000m3时会考虑使用,和用Q235B相比,可以降低壁厚。碳钢罐对不同的介质,所选取的腐蚀裕量也不同,但最大腐蚀裕量不应大于6mm,否则应采取防腐措施。一般储罐的设计寿命为15年,用介质的年腐蚀率乘以设计寿命,可得到它所需的最小腐蚀裕量,一般会适当放一些。腐蚀速率与腐蚀裕量的关系如表1所示。为降低成本,罐体主材也可采用碳钢衬不锈钢的方式,介质如30%的烧碱,环氧丙烷,乙二醇等。不锈钢衬里适用工作温度<300℃,衬层厚度一般为2~3mm。有些介质虽使用不锈钢但还是有腐蚀的,如醋酸,需要进行酸洗钝化和晶间腐蚀实验,取腐蚀裕量如1.5mm。2拱顶罐及罐顶布置储罐的设计过程如下:罐壁、罐顶、罐底、承压圈、抗风圈(针对敞口储罐如外浮顶罐)、中间抗风圈、储罐上的风载荷作用下倾覆稳定性校核(针对高径比大的,单面倾斜底罐,风压比较大的地方),抗震设计等。(1)罐壁设计方法有定点法和变点法。常用的是定点法,即罐壁高度H采用(H-0.3)进行计算,此处的0.3m是由于下一圈壁板或罐底对所计算的那圈板的约束而使最大应力降低的修正系数。定点法分储液和试水两种情况,壁厚取较小者。一般变点法用于直径大于60m以上的储罐,也就是5万m3以上的储罐,此时若用定点法计算壁厚,往往造成下面壁板应力较大,甚至超过许用应力,而上面的壁板往往比许用应力小得较多,设计就显得不合理了,转而采用变点法。碳钢及低合金钢的板宽一般取1.8m,罐容大的如5000m3以上可取2.0m,2.2m,2.4m等,不锈钢一般取1.5m、2.0m等,板长一般有7m,8m,9m,10m,11m等,排版时上下相邻两块板的纵焊缝错开距离宜为板长的三分之一,且不小于300mm。(2)罐顶的结构形式常用的有拱顶、内浮顶、外浮顶和锥顶。拱顶罐的罐顶设计中1000m3及1000m3以下的拱顶罐顶板不需设置加强肋,除非罐顶上另接有设备或加热盘管,因罐顶吃重,需设置加强肋;1000m3以上的拱顶罐是要设置加强肋的,有内防腐的(如乙醇胺)、易聚合的(如丙烯酸丁酯),也可将肋条设于罐顶外侧;超过1万m3的储罐,SH3046《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》在带肋球壳设计一章中规定储罐直径不宜大于32m,而GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》规定密闭油罐拱顶带肋球壳的曲率半径不宜大于40m,此时用带肋球壳设计储罐因受肋条间距不得超过1.5m的限制,扇形板要分段,肋也要分段,如图1所示,这样就变得复杂而不经济了,可考虑采购网壳顶,以改善拱顶结构大型化的经济性。罐容小于80m3时可采用锥顶罐,罐顶坡度在之间。在国外常采用有大型梁柱支承锥顶结构的储罐来储存介质,而且罐容在上千到上万立方不等,此结构制造、施工方便,液面上气体空间较小,“小呼吸”时损耗少,在小坡度锥顶上操作较自支承拱顶安全。内浮顶罐一般在罐壁四周开有通气孔,罐顶上也有通气孔,但对于有氮封系统的储罐,则需取消罐壁和罐顶通气孔,在罐顶设置呼吸阀和紧急泄放装置。内浮盘有钢浮盘和铝浮盘,有些介质对铝不适用时,要选用钢浮盘,密封带的选用要查《腐蚀数据手册》,一般密封带的材料有氟橡胶,丁基橡胶,丁腈橡胶,三元乙丙橡胶等,下面列几种橡胶适用的介质见表2。为确保内浮盘平稳升降且不受进料干扰,进料口需设计成扩散管,见图2。扩散管的长度一般内伸罐内约3m,两侧对称开设2排φ50mm排液孔,间距约200mm,流速控制在≤1m/s。(3)罐底的结构形式有平底(中间向两边坡,坡度一般地基不应大于1.5%,软弱地基一般不应大于3.5%,基础沉降基本稳定后,锥面坡度不应小于0.8%),单面倾斜底(坡度一般取1%~2%),倒锥底等。当介质比重超过1,有强腐蚀性时,如硫酸、磷酸、硝酸等,罐底板下面一般设置工字梁,采用条形基础,此时罐底板和工字梁需进行计算,选取合适的底板厚度,工字梁规格,工字梁的间距一般取在400mm到600mm之间。直径小于12.5m的底板采用条形排版,直径大于等于12.5m的底板采用弓形边缘板,弓形边缘板的高度,碳钢不小于1.8m,不锈钢一般取1.5m,这个高度不要太小,以保证罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的连接焊缝最小距离不应小于GB50341规定的600mmm或SH3046规定的700mm。大罐的罐底一般采用真空箱法检测罐底真空度,所谓真空箱法就是将焊缝上的铁锈、油污等脏物洗刷干净,在焊缝上涂抹肥皂水,用真空箱罩住焊缝,通过真空泵抽出箱内的空气,使其真空度达到53KPa,检查箱内焊缝上无肥皂泡为正常,有肥皂泡即为渗漏点。(4)罐顶与罐壁的连接结构称为承压区,这个承压区的连接结构有型钢连接(如角钢,槽钢等),钢板连接,直接焊等,最常见的是角钢连接,等边角钢和不等边角钢都行,钢板连接结构一般多见于按API620设计的低压罐,还有一些特殊材料,如采用C4钢(00Cr14Ni14Si4)的硝酸罐,直接厚板对接焊的在低温储罐设计中有采用。(5)抗风圈设计一般仅用于敞口储罐,为了使浮顶贮罐在风载的作用下保持上口圆度以维持贮罐整体形状,保证贮罐正常操作,必须在罐壁上端附近的外侧设置抗风圈。按有关规定的要求,抗风圈的实际截面模数必须大于或等于建罐地区风压下所需的最小截面模数才能使贮罐在风压作用下保持稳定。抗风圈通常由型钢和钢板组合而成,其截面为一组合截面。抗风圈一般设置于距罐顶1m处,有圆形的,也有多边型的,至少需校核如下A-A,B-B,C-C三个组合截面处的抗弯截面模数,见图3。(6)中间抗风圈的设置需考虑风力稳定性校核和储罐负压校核(储罐负压超过0.25KPa,小于6.9KPa时按API650附录V)。中间抗风圈的作用是把较长的罐壁筒体节成较短的筒体,以提高罐壁抵抗外压的能力。安装时角钢的长肢保持水平,短肢朝下,长肢端与罐壁相焊,上面采用连续角焊,下面采用间断焊,中间抗风圈本身的接头应全部焊透。中间抗风圈一般是不等边角钢,也有用槽钢的,算罐壁板的当量高度时,罐壁板的厚度需扣除负偏差和腐蚀裕量。(7)对高径比大的,单面倾斜底罐,风压较大的地方需按API650进行风载荷作用下倾覆稳定性校核来判定是否需要设置地脚螺栓。如果需要设置地脚螺栓,计算螺栓力所需的倾覆力弯矩Mz要结合地震弯矩综合考虑,取Mz=Max(Mw,M1+0.25Mw),Mw为风压引起的罐壁-罐底接头倾覆力矩,M1为罐壁底部的地震倾覆力矩。(8)目前抗震设计的标准很多,GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》,API650《钢制焊接石油储罐》中都附有抗震设计,抗震设计规范有SH3048-1999《石油化工钢制设备抗震设计规范》、GB50761-2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》,对于国内的储罐设计,多采用GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中的抗震设计比较安全。3罐壁及罐壁的安装(1)在储存物料过程中,既要减少油品蒸发损耗,又要尽量避免与空气接触,防止氧化变质,采用氮气密封能起到有效的作用,使得储罐顶部的气相空间达不到爆炸极限以保证安全。为防止储罐内物料因与进入的外界气体(空气)接触而被污染变质或与外界进入的气体(空气)发生化学和(或)生物反应,常需设置气封系统。用气封,气使储罐内维持一定压力(正压),防止储罐内物料与外界气体接触。需设氮封的介质如下所列:甲醇、醋酸乙烯、醋酸甲酯、对苯二甲酸、乙醛、苯、乙苯、苯乙烯、烷基化液、脱氢混合物、二乙苯、环氧乙烷、环氧丙烷、粗二氯乙烷、精制二氯乙烷、三苯基膦等。甲醇、醋酸乙烯、醋酸甲酯、乙醛闪点低,当其储罐出料或气温下降时若不采取氮封,会由呼吸阀吸入空气而在储罐上部空间形成爆炸性混合物。氮封的流程图如图4所示。一般氮封压力的下限是由所存物料可能最大操作温度下的蒸汽压决定的,氮封压力大于物料的蒸汽压,小于呼吸阀的开启压力,必须小于储罐的设计压力。(2)储罐设计中当需要调整结构尺寸时,在设计时就需留意,如带肋球壳的肋条的布置要避免与工艺管口的开孔相碰,当不满足GB50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》的第3.2.1条中第3款开孔和罐壁焊缝之间的距离的规定时,需与工艺专业协商解决。(3)罐底板应采取合理的焊接顺序,一般是先短缝、后长缝,由中心向两边。其原则是使每条焊缝尽量可以自由收缩,以减少钢板和焊缝中的内应力。一般在第一圈壁板的立缝和壁板与底板之间的角缝焊完以后,再焊边缘板与中幅板之间的搭接焊缝。如焊接顺序不当,则会在底板上产生较大的鼓包。(4)贮存闪点≤60℃的