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      10000m3甲醇內浮頂儲罐設計

      2020-10-09 10:06:50孫義江蘇寶聯(lián)氣體有限公司江蘇蘇州215000
      化工管理 2020年26期
      關鍵詞:罐頂罐壁邊角

      孫義(江蘇寶聯(lián)氣體有限公司,江蘇 蘇州 215000)

      0 引言

      內浮頂儲罐主要由固定頂罐體、內浮盤及各專業(yè)管口等組成。相對固定頂最大的優(yōu)點就是改善介質蒸發(fā),減少損耗,減少空氣污染與著火爆炸的危險,絕熱保溫,保證儲液質量。甲醇別名木醇、木精,分子式為CH4O,是無色透明、有毒、易燃易爆、易揮發(fā)的液體。相對密度(水=1)0.7914,沸點64.7℃,爆炸極限6.0%~36.5%(體積分數(shù))?;谝陨峡紤],選用內浮頂儲罐儲存甲醇是一個比較合理的方案。

      1 儲罐設計方案及內容

      1.1 設計參數(shù)

      10000m3甲醇儲罐設計參數(shù)如表1所示。

      表1 10000m3甲醇儲罐設計參數(shù)

      1.2 罐底設計

      罐底板由16塊弓形邊緣板和若干塊中幅板搭接而成。中幅板取10mm,邊緣板取4mm,搭接排列。底板焊縫處底部需設置4mm厚的墊板,寬100mm。整個罐底設計成15‰的錐度形式。

      1.3 罐壁設計

      罐壁選取8圈壁板,自下而上7圈選板材2.2米寬,最上層一圈選擇1.1米寬。根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014標準采用定點法,選取下式:

      式中:tt為試水條件下的罐壁板計算厚度(mm);H為計算液位高度(m)。第一圈取底板端部至罐壁通氣孔位置。(H1=16.5-0.65=15.85m)其余每圈減去2.2m。[σ]t為試水條件下鋼板許用應力(MPa),經計算取230MPa。φ為焊接接頭系數(shù),底圈取0.85,其余取0.9。

      將數(shù)據(jù)帶入上式得:

      第一圈:tt1=11.629mm,故名義厚度取t1=16mm。

      第二圈:tt2=9.481mm,故名義厚度取t2=14mm。

      第三圈:tt3=7.919mm,故名義厚度取t3=12mm。

      第四圈:tt4=6.356mm,故名義厚度取t4=10mm。

      第五圈:tt5=4.795mm,故名義厚度取t5=8mm。

      由以上數(shù)據(jù)得出,壁板厚度逐層減少??紤]規(guī)范要求、壁板腐蝕及各種因素,其余圈數(shù)板厚均選取8mm。

      2 罐頂設計

      2.1 罐頂結構與厚度核算

      本設備選用自支承式帶肋球殼拱頂結構。頂板由瓜皮板和中心頂板組成。瓜皮板分別為16塊、32塊及64塊。連接中心頂板的為32塊的瓜皮板,二者厚度均取8mm;二次連接的瓜皮板為64塊;最后與罐壁連接的為16塊,厚度均為10mm。肋板均選100mm寬,8mm厚。則估算出罐頂總質量約60000kg,折算成單位面積載荷為60000×9.8÷(π/4×302)=863.3Pa。

      考慮罐頂附加載荷取值,且不小于1200Pa,故取PL=2063.3Pa。

      2.2 帶肋球殼許用外載荷計算

      許用外載荷。

      式中:[P]為帶肋球殼的許用外載荷(kPa);E為設計溫度下剛才的彈性模量(MPa);取192000MPa。RS為球殼的曲率半徑(m),取30m。th為罐頂板有效厚度(mm),取6.8mm。tm為帶肋球殼的折算厚度(mm)。

      此值按照《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014附錄H相關計算得22.5mm。

      將數(shù)據(jù)帶入式中,得[P]=17.81kPa。

      2.3 拱頂穩(wěn)定性核算

      儲罐帶有罐壁通氣孔,則儲罐內部無內壓,故只校核外載荷作用下的穩(wěn)定性。帶肋球殼的穩(wěn)定性驗算應滿足下式要求:綜合以上,式1-3是成立的,故穩(wěn)定性滿足要求。

      3 包邊角鋼截面積核算

      罐壁頂部設置包邊角鋼,以承受從罐頂傳來的橫向力。計算與包邊角鋼相連的罐頂和罐壁各16倍板厚的截面應滿足下式:

      式中:p為儲罐單位面積載荷,為2063.3Pa;D為儲罐直徑,30m;σ為包邊角鋼的許用應力,取2.30×108Pa;φ為焊接接頭系數(shù),取0.9;θ為罐頂與罐壁連接處罐頂?shù)乃綂A角(°),取30°。

      將數(shù)據(jù)帶入上式,得Fmin=1.95×10-4m2=195mm2。取包邊角鋼∠125×12,則截面積A=2891mm2。顯然A>Fmin,故包邊角鋼截面積滿足強度要求。

      4 中間抗風圈的計算

      4.1 筒體外壓設計計算

      式中:υz為風壓高度系數(shù),查《立式圓筒形鋼制焊接油罐

      設計規(guī)范》GB 50341—2014表6.4.5-1,得1.60;ω0為基本風壓值,按已知條件取0.65kPa。將數(shù)據(jù)帶入上式,得P0=2.34kPa。

      4.2 核算區(qū)間儲罐筒體許用臨界壓力的計算

      許用臨界壓力計算公式如下:

      式中:HE為核算區(qū)間罐壁筒體的當量高度(m);tmin為核算區(qū)間最薄圈罐壁板的有效厚度(mm);ti為第i圈罐壁板的有效厚度(mm);hi為第i圈罐壁板的實際高度(m);Hei為第i圈罐壁板的當量高度(m)。

      通過以上各計算式計算結果如表2所示。

      表2 核算區(qū)間儲罐筒體許用臨界壓力的計算結果表

      根據(jù)上面數(shù)據(jù)計算出許用臨界壓力Pcr = 616Pa。

      4.3 儲罐抗風圈的設計。

      因為P0/3>Pcr≥P0/4,說明儲罐需要增設抗風圈,數(shù)量3個,位置在罐壁1/4HE、1/2HE及3/4HE處;換算成實際高度分別是9.195m、11.63m及14.065m。如果其高度在罐壁環(huán)焊縫150mm之內,需適當調整高度以避開。

      5 儲罐抗震計算

      5.1 罐壁底部水平地震剪力計算

      其公式如下:

      式中:Q0為在水平地震作用下罐壁底部的水平剪力(MN);CZ為綜合影響系數(shù),取0.4;α為地震影響系數(shù),根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014相關圖表,取值0.45;Y1為罐體影響系數(shù),取值1.1;m1為罐體內儲液總量,按水計算得10491525kg;Fr為動液系數(shù),根據(jù)儲罐徑高比查表得0.542;g為重力加速度,取值9.81m/s2。

      將各數(shù)據(jù)帶入上式,得水平地震剪力Q0=11.0452(MN·m)。

      5.2 罐壁底部的地震彎矩應按下式計算:

      式中:HW為設計液面高度(m),取14.85m;將數(shù)據(jù)帶入式中,得地震彎矩M1=73.81(MN)

      5.3 儲罐錨固判斷

      錨固系數(shù)計算式:

      式中:υ為彎矩調整系數(shù),按《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規(guī)范》GB 50341—2014表D.4.2-1,取值0.9;FL為儲液提供罐底與罐壁接觸處單位長度上的提離反抗力(MN/m);FW為罐壁罐頂自重通過罐壁作用下的罐底單位長度上的提離反抗力(MN/m);N1為罐壁與罐頂總重量(MN),估算值1.956MN;tb為罐底邊緣板的有效厚度,取值11.2mm;ReL為罐底邊緣板標準屈服強度下限值,取345MPa;HW為設計液面高度(m),取14.85m;D為儲罐直徑(m),取30m;ρ為儲液相對密度,取0.792。

      將各數(shù)據(jù)帶入上式,得J=0.729。因為J<0.785,所以不產生舉升力,可無需錨固。

      5.4 最大軸向壓應力的計算

      地震作用下底圈罐壁產生的最大軸向壓應力計算式如下:

      式中:σ1為罐壁底部最大軸向壓應力(MPa);CV為豎向地震影響系數(shù),取值1.0;A1為底圈罐壁有效厚度計算的罐壁截面積,計算得0.3963(m2);CL為翹離影響系數(shù),取1.4;Z1為底圈罐壁有效厚度計算的斷面系數(shù),Z1=0.785D2t=9.3258(m3)。

      將各數(shù)據(jù)帶入式中,得σ1=12.85MPa。

      5.5 罐壁許用臨界力計算及抗震驗算

      底圈罐壁的許用臨界力計算式:

      式中:E為設計溫度下罐壁材料的彈性模量(MPa);t為底層罐壁板的有效厚度,取值0.0132m。

      將數(shù)據(jù)帶入式中,得[σ1]=18.59MPa。

      因為σ1=12.85MPa<18.59MPa=[σ1],所以底圈罐壁軸向應力校核滿足要求,該儲罐在地震載荷下安全穩(wěn)定。

      6 附件結構

      附件主要有罐壁通氣孔、消防泡沫管及水噴淋器等,內浮頂根據(jù)專業(yè)的公司設計。盤梯及平臺均需符合標準規(guī)范的設計。

      7 結語

      大型內浮頂儲罐的設計首先了解介質特性等。其次選材,確定罐底厚度,與結構專業(yè)商定底板基礎的形式,然后計算壁厚,選擇罐頂形式并驗算其穩(wěn)定性??紤]抗風及抗震能力,判斷是否錨固等??傊?,一臺設備的設計需要考慮全面周到,既保證安全,又要做到經濟、美觀。盡一個設計者的最大水平去設計并優(yōu)化它的結構以達到追求完美的外貌與靈魂!

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