大型浮頂儲罐的設計與施工

1、設計石油規(guī)劃設計2002年7月25*朱 丹,女,1968年生,工程師。1990年畢業(yè)于大慶石油學院化工機械專業(yè),1999年獲石油大學(北京石油天然氣機械工程專業(yè)碩士學位,現(xiàn)在中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院從事石油氣儲罐及相關工程的設計規(guī)劃工作。通信地址:北京海淀區(qū)志新西路3號938信箱,100083為了適應石油戰(zhàn)略儲備的需要,我國石油石化行業(yè)正在著手規(guī)劃和建設大型油庫。由于施工大型儲罐具有較好的經(jīng)濟性,因此,儲罐向大型化發(fā)展是必然趨勢。到目前為止,日本已建成了5×104m 3拱頂儲罐和16×104m 3浮頂儲罐;美國已建成12.7×104m 3拱頂儲罐;英國已

2、建成16×104m 3拱頂儲罐;沙特阿拉伯已建成目前世界上最大容積的20×104m 3浮頂儲罐。我國在掌握了10×104m 3浮頂儲罐設計施工技術的基礎上,正在積極開發(fā)設計15×104m 3浮頂儲罐。雖然儲罐大型化發(fā)展前景很好,但是還應充分重視分析和研究一些關鍵技術問題,借鑒已有的設計經(jīng)驗和教訓。為此,本文對大型浮頂儲罐設計施工中的技術問題進行分析與探討。儲罐本體部分1罐體設計分析(1罐壁應力分析對于儲罐罐壁受力分析表明,環(huán)向應力是主要的,軸向彎曲應力相對來說是比較小的。罐壁的環(huán)向應力在罐壁下部與罐底的連接處其值最小,從連接處向上逐漸增大,最大應力的位置

3、與罐的直徑和壁厚有關,大約在RT 2處(其中:R儲罐半徑;T儲罐壁厚。為了確定罐壁最大應力所處的位置,國內外儲罐方面的專家進行了大量的測試和分析研究工作。比如國內在施工秦皇島10×104m 3浮頂儲罐時,有關科研單位對罐壁進行了環(huán)向應力實測,發(fā)現(xiàn)最大應力在第2圈罐壁上,與公式計算得出的最大應力位置基本相符。利用有限元應力分析法,也證明罐壁的環(huán)向應力在罐壁與罐底連接處最小,從底部向上逐漸增大。根據(jù)儲罐的直徑不同最大應力可能分布在第1圈上部或第2圈下部,而罐壁的軸向彎曲應力在罐壁底部最大。這些研究成果對罐壁厚度的分析與設計提供了可靠的依據(jù)。(2罐壁厚度計算大型浮頂儲罐罐壁所使用的鋼板占儲

4、罐鋼材總用量的一半。因此,在保證安全可靠的前提下,經(jīng)濟合理地確定罐壁厚度是十分重要的。目前世界主要工業(yè)國的標準規(guī)范,如美國API650鋼制焊接儲罐;日本JISB8501鋼制焊接油罐結構;英國BS2654石油工業(yè)用立式鋼制焊接油罐等,對確定罐壁厚度的計算方法基本是一致的,即以0.3m 的修正高度,修正以薄膜應力為基礎的計算公式,稱為定設計點法。定點法適應于較小的油罐設計,使其各圈罐壁的應力分布比較均勻。但對于較大的油罐如果采用定點法設計,往往造成罐壁厚度與環(huán)向應力不協(xié)調,鋼材用量分配不合理。而采用變設計點法可以使罐壁環(huán)向應力趨于均勻。API650規(guī)定直徑大于60m 的儲罐應采用變設計點法確定罐壁

5、厚度。為了保證計算結果的可靠性,建議設計者在確定大型儲罐壁厚時,除了采用標準規(guī)定的常規(guī)方法計算外,還應進行有限元應力分析,根據(jù)應力分析結果,結合實際腐蝕情況,對罐壁底部兩圈鋼板的厚度進行調整。大型浮頂儲罐的設計與施工朱丹*張洪林黎沖武銅柱中國石油天然氣股份公司規(guī)劃總院中國石油化工集團公司北京設計院張洪林等.大型浮頂儲罐的設計與施工.石油規(guī)劃設計,2002,13(4:2527摘要根據(jù)設計與施工經(jīng)驗,提出大型浮頂儲罐在設計施工中應注意的關鍵技術問題。對大型浮頂儲罐的罐體應力狀態(tài)、罐壁厚度確定、罐底設計、大型浮頂儲罐的選材、浮頂?shù)脑O計、浮頂排水系統(tǒng)的選擇、浮頂密封裝置的選用、焊接施工的基本要求以及大

6、型儲罐對基礎的特殊要求等方面的設計施工技術進行了分析論述,并提出了一些基本技術觀點。主題詞大型儲罐浮頂罐設計施工技術26石油規(guī)劃設計第13卷第4期設計(3鋼板寬度選擇由于5×104m3以上的浮頂儲罐直徑大、罐壁高,因此焊縫長,對大型浮頂儲罐是一個不利因素。罐壁使用寬度大的鋼板雖然鋼材重量上略有增加,但是可以減少焊縫的數(shù)量和長度,減少現(xiàn)場焊接與檢驗的工作量,而且還可以避免最大應力在焊縫區(qū),使儲罐安全可靠性提高。一般推薦罐壁選用寬度為2400mm的鋼板。同理,對于罐底和浮頂,也應使用大規(guī)格的鋼板。(4罐底設計罐底是儲罐的基本組成部分之一,必須給予充分重視。對于浮頂儲罐罐底來說,徑向彎曲應

7、力是主要的,通過有限元應力分析及實測,證明最大徑向彎曲應力在罐底與罐壁連接處附近,并向罐底中心迅速衰減;而在靜水壓載荷下的測試結果表明,高應力區(qū)應在距罐壁600mm的環(huán)形狀范圍內。為了改善罐底板受力狀態(tài),一般邊緣板比中幅板要厚一些。大型浮頂儲罐罐底板一般采用加墊板對接結構,罐底邊緣板采用弓形邊緣板,其材質應與罐壁底圈的材料一致。罐底中幅板材料可采用普通碳素鋼板。對于罐壁與罐底邊緣板的連接,應在儲罐內側,采用凹形圓滑過度的不等邊角焊。2浮頂?shù)脑O計API650、JISB8501、BS2654及SH3046等規(guī)范對浮頂?shù)脑O計原則基本是一致的,主要包括抗沉性要求、強度要求及穩(wěn)定性要求。目前,國內外使用

8、比較多的浮頂結構是單盤式浮頂和雙盤式浮頂。雙盤式浮頂與單盤式浮頂相比雖然消耗的鋼材量較大,結構較復雜,但由于雙盤浮頂具有較好的結構穩(wěn)定性和安全性,承受外載荷的能力較大,而且雙盤浮頂?shù)慕^熱性好。單盤式浮頂雖然結構比較簡單,耗鋼量較小,但因單盤板整體平整度難以控制,單盤局部變形后易集水產(chǎn)生腐蝕穿孔,后續(xù)維修費用較高;另外單盤板易發(fā)生不平衡集水,造成浮頂偏沉事故,給生產(chǎn)帶來不穩(wěn)定因素。實踐證明:雙盤式浮頂結構優(yōu)于單盤式浮頂結構。因此,目前在國內浮頂設計中,較多采用雙盤浮頂結構。3浮頂排水系統(tǒng)的選擇浮頂排水系統(tǒng)的功能是排出集水。目前常用的浮頂排水系統(tǒng)有折疊式排水系統(tǒng)和柔性排水系統(tǒng):折疊式排水系統(tǒng)主要有

9、旋轉接頭式和局部金屬軟管式;柔性排水系統(tǒng)有金屬軟管式和橡膠軟管式。自70年代,我國的浮頂儲罐的浮頂排水系統(tǒng)從開始設計的帶直角旋轉接頭的剛性排水系統(tǒng),到局部金屬軟管與剛性管組合排水系統(tǒng),經(jīng)過長期運轉實踐發(fā)現(xiàn)其系統(tǒng)使用的可靠性較差,在使用一段時間后,直角旋轉接頭往往在密封處發(fā)生泄漏,局部金屬軟管本身及管端與法蘭的連接處也容易發(fā)生泄漏。為了解決浮頂排水系統(tǒng)泄漏問題,我國先后引進了撓性不銹鋼管(coflexip撓性管及局部復合軟管(pivotmaster排水系統(tǒng)。由于性能可靠,在工程中得到了廣泛應用。目前建設的大型浮頂油罐浮頂排水系統(tǒng)大多數(shù)采用進口產(chǎn)品。實踐表明:撓性不銹鋼管排水系統(tǒng)使用性能比較可靠,

10、但其安裝比較復雜,在罐內所占空間較大,容易與罐內附件(如加熱器、浮頂支柱等發(fā)生干擾,工程投資比較高;局部復合軟管排水系統(tǒng)由4段復合軟管及剛性管組成。這種結構的排水系統(tǒng)與雙排管旋轉接頭及撓性不銹鋼管排水系統(tǒng)相比,具有結構簡單、安裝方便、性能可靠、投資少等優(yōu)點。除了正常的排水系統(tǒng)外,雙盤式浮頂還需要設置事故排水設施,單盤式浮頂上應設置防止雨水超量聚集設施。4浮頂密封裝置的選用浮頂儲罐絕大部分液面是被浮頂覆蓋的,而浮頂與罐壁之間的環(huán)形空間主要依靠邊緣密封裝置來減少油品的蒸發(fā)損失和對氣候的防護。目前,國內常用的浮頂邊緣密封形式大多采用一次密封和二次密封結構。一次密封主要有機械滑板式和彈性填充式2種基本

11、形式。為了減少油氣損耗和氣候的影響,國內新建浮頂油罐已很少采用擋雨板,而是采用二次密封。二次密封一般采用帶防蒸發(fā)損失的連續(xù)隔膜結構。5大型浮頂儲罐的選材目前,儲罐大型化遇到的主要問題之一是材料的選用。大型儲罐的用材與壓力容器不同,除了具有高強度、高韌性外,還應具有良好的焊接性能。為了避免底層罐壁過厚而導致的材料和焊接問題,大型儲罐普遍都采用高強度鋼板。借鑒日本采用高強度鋼板進行設計與施工大型儲罐的經(jīng)驗,我國已建成的40多座10×104m3浮頂儲罐罐壁(由強度決定的壁厚和邊緣板大多數(shù)采用日本用于壓力容器的SPV490Q鋼板。在設計與施工方面,我國對使用日本生產(chǎn)的高強度鋼板積累了豐富的經(jīng)

12、驗。因此,采用SPV490Q鋼板施工大型油罐的技術已非常成熟。國內對大型儲罐用鋼板國產(chǎn)化也做了大量工作,但批量生產(chǎn)的鋼板質量還需要進一步提高。6對焊接施工的基本要求現(xiàn)場焊接組裝是儲罐施工的重要內容。目前,設計石油規(guī)劃設計2002年7月27國內外施工大型儲罐,主要焊縫均采用自動焊接,這樣可以減少成本和提高焊縫質量及焊接效率。罐底、罐壁環(huán)焊縫一般采用埋弧自動焊,而罐壁縱焊縫一般采用氣電立焊。目前,罐底角焊縫也實現(xiàn)了自動化焊接,比如采用串列多絲埋弧自動焊。國外用于焊接大型儲罐的自動焊設備、焊接技術及焊接材料都已達到一定水平,國內施工隊伍的裝備和技術水平也有很大提高。按照國內施工技術水平,一般浮頂儲罐

13、可按照表1中的要求進行焊接施工。表1浮頂儲罐焊接部位、焊接形式及焊接方法焊接部位焊接形式焊接方法罐底平焊埋弧自動焊或手工焊浮頂搭接角焊或平焊手工焊或氣體保護焊罐壁環(huán)焊縫橫焊埋弧自動焊罐壁縱焊縫立焊氣電立焊罐壁下節(jié)點角焊縫角焊埋弧自動焊大型儲罐對基礎的特殊要求1對基礎設計的特殊要求影響大型儲罐的安全因素一般有2個方面,一是基礎不均勻沉降;二是材料的脆性破壞。儲罐基礎是儲罐設計的一項重要內容,且投資費用很大。我國建罐地區(qū)可能會遇到一般地基、軟土地基、山區(qū)地基、復雜地基或地震帶等不同區(qū)域。因此必須重視儲罐基礎設計,尤其是大型浮頂儲罐。環(huán)墻式基礎能夠減少不均勻沉降、地基壓力分布均勻,并且穩(wěn)定性、抗震性

14、和防潮性好,一般大型浮頂儲罐均采用這種基礎形式。除采用環(huán)墻式基礎外,大型儲罐設計還應對基礎提出如下特殊要求:(1儲罐基礎中心坐標偏差不應大于20mm,標高偏差不應大于20mm。(2罐壁處基礎頂面的水平度:環(huán)墻上表面任意10m弧長上應不超過±3.5mm,在整個圓周上,從平均的標高計算不超過±6.5mm。(3罐壁基礎面層為絕緣防腐層,基礎表面任意方向上不應有突起的棱角。從中心向周邊拉線測量基礎表面凹凸度不應超過25mm。(4儲罐基礎錐面坡度:一般地基錐面坡度宜不大于15,軟土地基錐面坡度宜不大于35,基礎沉降基本穩(wěn)定后的錐面坡度應不小于8。(5儲罐基礎直徑方向上的沉降差浮頂儲罐

15、比拱頂儲罐要求嚴。如:10×104m3浮頂儲罐不應超過直徑的3,5×104m3浮頂儲罐不應超過直徑的4, 5×104m3拱頂儲罐不應超過直徑的8。(6基礎沉降穩(wěn)定后,基礎邊緣上表面應高出地坪不小于300mm。2基礎充水預壓要求充水試驗是儲罐施工的一項重要內容,它不僅可以檢驗罐體的強度和密閉性,而且也可以檢驗儲罐基礎的安定性。尤其是軟土地基充水試驗更加重要,一般應對軟土地基充水試驗提出特殊要求。(1初次充水時,罐內每天充水高度應不大于0.6m,每次充水高度應小于2m,并進行相應的基礎穩(wěn)定沉降觀測,間隔時間應符合有關標準要求。(2當充水高度接近最高操作液位的75%時,

16、應放慢充水速度,并進行相應的基礎穩(wěn)定沉降觀測,一直充水到最高液位,基礎穩(wěn)定沉降應控制在小于等于5mm/d,停留時間符合有關標準要求后,即可放水卸載。(3每天放水卸載的高度應不大于2m,并間隔24小時后進行觀測地基的回彈,滿足要求后才可繼續(xù)放水。我國在大型浮頂儲罐設計施工技術上積累了很多經(jīng)驗,而且我國能夠設計施工10×104m3以下浮頂儲罐的單位也在不斷增加。隨著國家大型油庫的建設,大型浮頂儲罐的需求量會很大。因此,要重視以上有關技術問題的實踐經(jīng)驗,對關鍵技術要充分研究論證,應用成熟的技術和工藝程序,以避免出現(xiàn)大的技術安全隱患。隨著15×104m3浮頂儲罐設計施工技術的日趨成熟,我國儲罐整體技術水平將有更大的提高。參考文獻1陳滌非、李學彤.10×104m3浮頂罐的應力實測與分析