大型浮顶储罐的设计与施工.docx

1、大型浮顶储罐的设计与施工设计石油规划设计2002年7月25*朱 丹,女,1968年生,工程师。1990年毕业于大庆石油学院化工机械专业,1999年获石油大学(北京石油天然气机械工程专业硕士学位,现在中国石油天然气股份有限公司规划总院从事石油气储罐及相关工程的设计规划工作。通信地址:北京海淀区志新西路3号938信箱,100083为了适应石油战略储备的需要,我国石油石化行业正在着手规划和建设大型油库。由于施工大型储罐具有较好的经济性,因此,储罐向大型化发展是必然趋势。到目前为止,日本已建成了5104m 3拱顶储罐和16104m 3浮顶储罐;美国已建成12.7104m 3拱顶储罐;英国已建成1610

2、4m 3拱顶储罐;沙特阿拉伯已建成目前世界上最大容积的20104m 3浮顶储罐。我国在掌握了10104m 3浮顶储罐设计施工技术的基础上,正在积极开发设计15104m 3浮顶储罐。虽然储罐大型化发展前景很好,但是还应充分重视分析和研究一些关键技术问题,借鉴已有的设计经验和教训。为此,本文对大型浮顶储罐设计施工中的技术问题进行分析与探讨。储罐本体部分1罐体设计分析(1罐壁应力分析对于储罐罐壁受力分析表明,环向应力是主要的,轴向弯曲应力相对来说是比较小的。罐壁的环向应力在罐壁下部与罐底的连接处其值最小,从连接处向上逐渐增大,最大应力的位置与罐的直径和壁厚有关,大约在RT 2处(其中:R储罐半径;T

3、储罐壁厚。为了确定罐壁最大应力所处的位置,国内外储罐方面的专家进行了大量的测试和分析研究工作。比如国内在施工秦皇岛10104m 3浮顶储罐时,有关科研单位对罐壁进行了环向应力实测,发现最大应力在第2圈罐壁上,与公式计算得出的最大应力位置基本相符。利用有限元应力分析法,也证明罐壁的环向应力在罐壁与罐底连接处最小,从底部向上逐渐增大。根据储罐的直径不同最大应力可能分布在第1圈上部或第2圈下部,而罐壁的轴向弯曲应力在罐壁底部最大。这些研究成果对罐壁厚度的分析与设计提供了可靠的依据。(2罐壁厚度计算大型浮顶储罐罐壁所使用的钢板占储罐钢材总用量的一半。因此,在保证安全可靠的前提下,经济合理地确定罐壁厚度

4、是十分重要的。目前世界主要工业国的标准规范,如美国API650钢制焊接储罐;日本JISB8501钢制焊接油罐结构;英国BS2654石油工业用立式钢制焊接油罐等,对确定罐壁厚度的计算方法基本是一致的,即以0.3m 的修正高度,修正以薄膜应力为基础的计算公式,称为定设计点法。定点法适应于较小的油罐设计,使其各圈罐壁的应力分布比较均匀。但对于较大的油罐如果采用定点法设计,往往造成罐壁厚度与环向应力不协调,钢材用量分配不合理。而采用变设计点法可以使罐壁环向应力趋于均匀。API650规定直径大于60m 的储罐应采用变设计点法确定罐壁厚度。为了保证计算结果的可靠性,建议设计者在确定大型储罐壁厚时,除了采用

5、标准规定的常规方法计算外,还应进行有限元应力分析,根据应力分析结果,结合实际腐蚀情况,对罐壁底部两圈钢板的厚度进行调整。大型浮顶储罐的设计与施工朱丹*张洪林黎冲武铜柱中国石油天然气股份公司规划总院中国石油化工集团公司北京设计院张洪林等.大型浮顶储罐的设计与施工.石油规划设计,2002,13(4:2527摘要根据设计与施工经验,提出大型浮顶储罐在设计施工中应注意的关键技术问题。对大型浮顶储罐的罐体应力状态、罐壁厚度确定、罐底设计、大型浮顶储罐的选材、浮顶的设计、浮顶排水系统的选择、浮顶密封装置的选用、焊接施工的基本要求以及大型储罐对基础的特殊要求等方面的设计施工技术进行了分析论述,并提出了一些基

6、本技术观点。主题词大型储罐浮顶罐设计施工技术26石油规划设计第13卷第4期设计(3钢板宽度选择由于5104m3以上的浮顶储罐直径大、罐壁高,因此焊缝长,对大型浮顶储罐是一个不利因素。罐壁使用宽度大的钢板虽然钢材重量上略有增加,但是可以减少焊缝的数量和长度,减少现场焊接与检验的工作量,而且还可以避免最大应力在焊缝区,使储罐安全可靠性提高。一般推荐罐壁选用宽度为2400mm的钢板。同理,对于罐底和浮顶,也应使用大规格的钢板。(4罐底设计罐底是储罐的基本组成部分之一,必须给予充分重视。对于浮顶储罐罐底来说,径向弯曲应力是主要的,通过有限元应力分析及实测,证明最大径向弯曲应力在罐底与罐壁连接处附近,并

7、向罐底中心迅速衰减;而在静水压载荷下的测试结果表明,高应力区应在距罐壁600mm的环形状范围内。为了改善罐底板受力状态,一般边缘板比中幅板要厚一些。大型浮顶储罐罐底板一般采用加垫板对接结构,罐底边缘板采用弓形边缘板,其材质应与罐壁底圈的材料一致。罐底中幅板材料可采用普通碳素钢板。对于罐壁与罐底边缘板的连接,应在储罐内侧,采用凹形圆滑过度的不等边角焊。2浮顶的设计API650、JISB8501、BS2654及SH3046等规范对浮顶的设计原则基本是一致的,主要包括抗沉性要求、强度要求及稳定性要求。目前,国内外使用比较多的浮顶结构是单盘式浮顶和双盘式浮顶。双盘式浮顶与单盘式浮顶相比虽然消耗的钢材量

8、较大,结构较复杂,但由于双盘浮顶具有较好的结构稳定性和安全性,承受外载荷的能力较大,而且双盘浮顶的绝热性好。单盘式浮顶虽然结构比较简单,耗钢量较小,但因单盘板整体平整度难以控制,单盘局部变形后易集水产生腐蚀穿孔,后续维修费用较高;另外单盘板易发生不平衡集水,造成浮顶偏沉事故,给生产带来不稳定因素。实践证明:双盘式浮顶结构优于单盘式浮顶结构。因此,目前在国内浮顶设计中,较多采用双盘浮顶结构。3浮顶排水系统的选择浮顶排水系统的功能是排出集水。目前常用的浮顶排水系统有折叠式排水系统和柔性排水系统:折叠式排水系统主要有旋转接头式和局部金属软管式;柔性排水系统有金属软管式和橡胶软管式。自70年代,我国的

9、浮顶储罐的浮顶排水系统从开始设计的带直角旋转接头的刚性排水系统,到局部金属软管与刚性管组合排水系统,经过长期运转实践发现其系统使用的可靠性较差,在使用一段时间后,直角旋转接头往往在密封处发生泄漏,局部金属软管本身及管端与法兰的连接处也容易发生泄漏。为了解决浮顶排水系统泄漏问题,我国先后引进了挠性不锈钢管(coflexip挠性管及局部复合软管(pivotmaster排水系统。由于性能可靠,在工程中得到了广泛应用。目前建设的大型浮顶油罐浮顶排水系统大多数采用进口产品。实践表明:挠性不锈钢管排水系统使用性能比较可靠,但其安装比较复杂,在罐内所占空间较大,容易与罐内附件(如加热器、浮顶支柱等发生干扰,

10、工程投资比较高;局部复合软管排水系统由4段复合软管及刚性管组成。这种结构的排水系统与双排管旋转接头及挠性不锈钢管排水系统相比,具有结构简单、安装方便、性能可靠、投资少等优点。除了正常的排水系统外,双盘式浮顶还需要设置事故排水设施,单盘式浮顶上应设置防止雨水超量聚集设施。4浮顶密封装置的选用浮顶储罐绝大部分液面是被浮顶覆盖的,而浮顶与罐壁之间的环形空间主要依靠边缘密封装置来减少油品的蒸发损失和对气候的防护。目前,国内常用的浮顶边缘密封形式大多采用一次密封和二次密封结构。一次密封主要有机械滑板式和弹性填充式2种基本形式。为了减少油气损耗和气候的影响,国内新建浮顶油罐已很少采用挡雨板,而是采用二次密

11、封。二次密封一般采用带防蒸发损失的连续隔膜结构。5大型浮顶储罐的选材目前,储罐大型化遇到的主要问题之一是材料的选用。大型储罐的用材与压力容器不同,除了具有高强度、高韧性外,还应具有良好的焊接性能。为了避免底层罐壁过厚而导致的材料和焊接问题,大型储罐普遍都采用高强度钢板。借鉴日本采用高强度钢板进行设计与施工大型储罐的经验,我国已建成的40多座10104m3浮顶储罐罐壁(由强度决定的壁厚和边缘板大多数采用日本用于压力容器的SPV490Q钢板。在设计与施工方面,我国对使用日本生产的高强度钢板积累了丰富的经验。因此,采用SPV490Q钢板施工大型油罐的技术已非常成熟。国内对大型储罐用钢板国产化也做了大

12、量工作,但批量生产的钢板质量还需要进一步提高。6对焊接施工的基本要求现场焊接组装是储罐施工的重要内容。目前,设计石油规划设计2002年7月27国内外施工大型储罐,主要焊缝均采用自动焊接,这样可以减少成本和提高焊缝质量及焊接效率。罐底、罐壁环焊缝一般采用埋弧自动焊,而罐壁纵焊缝一般采用气电立焊。目前,罐底角焊缝也实现了自动化焊接,比如采用串列多丝埋弧自动焊。国外用于焊接大型储罐的自动焊设备、焊接技术及焊接材料都已达到一定水平,国内施工队伍的装备和技术水平也有很大提高。按照国内施工技术水平,一般浮顶储罐可按照表1中的要求进行焊接施工。表1浮顶储罐焊接部位、焊接形式及焊接方法焊接部位焊接形式焊接方法

13、罐底平焊埋弧自动焊或手工焊浮顶搭接角焊或平焊手工焊或气体保护焊罐壁环焊缝横焊埋弧自动焊罐壁纵焊缝立焊气电立焊罐壁下节点角焊缝角焊埋弧自动焊大型储罐对基础的特殊要求1对基础设计的特殊要求影响大型储罐的安全因素一般有2个方面,一是基础不均匀沉降;二是材料的脆性破坏。储罐基础是储罐设计的一项重要内容,且投资费用很大。我国建罐地区可能会遇到一般地基、软土地基、山区地基、复杂地基或地震带等不同区域。因此必须重视储罐基础设计,尤其是大型浮顶储罐。环墙式基础能够减少不均匀沉降、地基压力分布均匀,并且稳定性、抗震性和防潮性好,一般大型浮顶储罐均采用这种基础形式。除采用环墙式基础外,大型储罐设计还应对基础提出如

14、下特殊要求:(1储罐基础中心坐标偏差不应大于20mm,标高偏差不应大于20mm。(2罐壁处基础顶面的水平度:环墙上表面任意10m弧长上应不超过3.5mm,在整个圆周上,从平均的标高计算不超过6.5mm。(3罐壁基础面层为绝缘防腐层,基础表面任意方向上不应有突起的棱角。从中心向周边拉线测量基础表面凹凸度不应超过25mm。(4储罐基础锥面坡度:一般地基锥面坡度宜不大于15,软土地基锥面坡度宜不大于35,基础沉降基本稳定后的锥面坡度应不小于8。(5储罐基础直径方向上的沉降差浮顶储罐比拱顶储罐要求严。如:10104m3浮顶储罐不应超过直径的3,5104m3浮顶储罐不应超过直径的4, 5104m3拱顶储

15、罐不应超过直径的8。(6基础沉降稳定后,基础边缘上表面应高出地坪不小于300mm。2基础充水预压要求充水试验是储罐施工的一项重要内容,它不仅可以检验罐体的强度和密闭性,而且也可以检验储罐基础的安定性。尤其是软土地基充水试验更加重要,一般应对软土地基充水试验提出特殊要求。(1初次充水时,罐内每天充水高度应不大于0.6m,每次充水高度应小于2m,并进行相应的基础稳定沉降观测,间隔时间应符合有关标准要求。(2当充水高度接近最高操作液位的75%时,应放慢充水速度,并进行相应的基础稳定沉降观测,一直充水到最高液位,基础稳定沉降应控制在小于等于5mm/d,停留时间符合有关标准要求后,即可放水卸载。(3每天

16、放水卸载的高度应不大于2m,并间隔24小时后进行观测地基的回弹,满足要求后才可继续放水。我国在大型浮顶储罐设计施工技术上积累了很多经验,而且我国能够设计施工10104m3以下浮顶储罐的单位也在不断增加。随着国家大型油库的建设,大型浮顶储罐的需求量会很大。因此,要重视以上有关技术问题的实践经验,对关键技术要充分研究论证,应用成熟的技术和工艺程序,以避免出现大的技术安全隐患。随着15104m3浮顶储罐设计施工技术的日趋成熟,我国储罐整体技术水平将有更大的提高。参考文献1陈涤非、李学彤.10104m3浮顶罐的应力实测与分析.油气储运,1988,7(122徐至均等.大型储罐基础设计与地基处理.北京:中国石化出版社3张洪林等.大型油气储罐的基本结构型式与变化趋势.石油规划设计,2001,12(54SH304692石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范5SH306895石油化工企业钢储罐地基与基础设计规范6AmericanPetroleumInstitute.WeldedSteelTanksforOilStorageAPIStd.650,TenthEdition,November1998收稿日期:2002-04-03编辑:郭洁敏