雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐氣壓頂升工藝參數(shù)計(jì)算及清單化管理

王旭

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

采用雙金屬全容低溫罐儲(chǔ)存乙烯，具有儲(chǔ)存效率高、占地少、安全性高、結(jié)構(gòu)完整性強(qiáng)及操作費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。而在雙金屬全容低溫罐的施工過(guò)程中，罐頂?shù)臍鈮喉斏鞘┕るy點(diǎn)，因此，對(duì)氣壓頂升工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、對(duì)頂升工作的組織策劃進(jìn)行總結(jié)有很重要的意義。

氣壓頂升的原理是利用拱頂與外罐壁之間通過(guò)密封措施形成相對(duì)密閉空間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，用風(fēng)機(jī)向儲(chǔ)罐拱頂下的密閉空間內(nèi)源源不斷地輸送低壓空氣，使罐頂克服自重及與外罐罐壁之間的摩擦力，按照預(yù)定路徑平穩(wěn)上升至設(shè)計(jì)高度，并實(shí)現(xiàn)與罐頂承壓環(huán)連接[1]。

50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐氣壓頂升質(zhì)量m=290.125 t，外罐直徑D=49 m，罐壁為9Ni 鋼，儲(chǔ)罐罐頂提升高度為30.3 m，罐頂拱高H0=10.1 m。要將如此大質(zhì)量、大體積的拱頂平穩(wěn)上升至約30 m 的高度，具有很高的難度系數(shù)及危險(xiǎn)系數(shù)，因此，需要對(duì)氣壓頂升的每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，對(duì)氣壓頂升的各項(xiàng)工作進(jìn)行清單銷項(xiàng)管理，方能確保頂升工作萬(wàn)無(wú)一失。本文以某項(xiàng)目50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐氣壓頂升工作的策劃、組織、實(shí)施為例，對(duì)氣壓頂升部分工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并梳理出氣壓頂升的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的檢查清單。

2 頂升工藝計(jì)算

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)）計(jì)算

動(dòng)力系統(tǒng)作為氣壓頂升的動(dòng)力輸出裝置，包括風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)道、控制柜等，動(dòng)力系統(tǒng)的核心是風(fēng)機(jī)，因此，需著重對(duì)風(fēng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 風(fēng)壓計(jì)算

從理論上講，只要罐頂受到的空氣浮力與它的自重形成一對(duì)平衡力，罐頂便可平穩(wěn)上升，此時(shí)平衡風(fēng)壓：

式中，G為氣壓頂升總重，G=mg=2 843 225 N；S為受力面積，S=πD2/4=1 885.74 m2；故氣壓頂升平衡風(fēng)壓P平=G/S=2 843 225/1 885.74=1 507.75 Pa。

但在實(shí)際頂升中，由于拱頂與外罐內(nèi)壁之間存在摩擦力，因此，計(jì)算實(shí)際需求頂升壓力必須考慮附加系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，附加系數(shù)K取1.1，此時(shí)提供升頂?shù)男枨髩毫需=KP平=1.1×1 507.75=1 658.52 Pa。

2.1.2 風(fēng)量計(jì)算

風(fēng)量指拱頂在風(fēng)壓作用下，頂升至預(yù)定高度所需要的總進(jìn)風(fēng)量Q。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，溫度一定時(shí)PV為恒量，則：

式中，P需為需求壓力，Pa；V為頂升后罐內(nèi)總?cè)莘e，m3；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；V0為頂升部分所圍罐體的容積，m3；h1為壁板高度，取31.8 m；h2為頂升位移，由于立柱高1.5 m，故h2=31.8-1.5=30.3 m；H0為拱頂球缺高度，m；R頂為拱頂球缺半徑，為39.2 m。

帶入數(shù)據(jù)：

拱頂氣壓頂升平均速度控制在200 mm/min（12 m/h），開(kāi)始?xì)鈮喉斏絻?chǔ)罐拱頂升至預(yù)定高度，共耗時(shí)30.3/12≈2.53 h，故儲(chǔ)罐每小時(shí)風(fēng)量需求量為58 307.47/2.53=23 046.43 m3，由于密封系統(tǒng)不可能做到絕對(duì)密閉不漏風(fēng)，因此，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)取漏風(fēng)量系數(shù)1.5，故儲(chǔ)罐單位小時(shí)最大耗風(fēng)量為23 046.43×1.5=34 569.64 m3。

2.1.3 風(fēng)機(jī)及發(fā)電機(jī)選型

以全壓為1 658.52 Pa、流量為34 569.64 m3/h 作為選擇風(fēng)機(jī)的參數(shù)，根據(jù)比選，選擇某品牌型號(hào)為5-56-11 的離心通風(fēng)機(jī)，氣壓頂升時(shí)的工況為全壓3 341 Pa、流量為77 399 m3/h。根據(jù)選擇的風(fēng)機(jī)參數(shù)，配用電機(jī)功率為110 kW，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，租用2 臺(tái)350 kW 發(fā)電機(jī)即可。

2.2 平衡系統(tǒng)計(jì)算

平衡系統(tǒng)主要由T 形架、鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪、底部吊耳及配重等，本項(xiàng)目共設(shè)置16 組平衡系統(tǒng)，其中，平衡系統(tǒng)中鋼絲繩的計(jì)算選型與T 形架計(jì)算最為重要，計(jì)算過(guò)程如下。

2.2.1 鋼絲繩拉力計(jì)算

拱頂在上升的過(guò)程中，頂升重力與氣壓形成平衡，鋼絲繩基本不受力，只有在拱頂發(fā)生整體傾斜時(shí)，平衡鋼絲繩才會(huì)調(diào)節(jié)其平衡而受力。平衡鋼絲繩在拱頂上升的過(guò)程中，主要是受氣壓和頂升重力之差的力與導(dǎo)向裝置摩擦產(chǎn)生的動(dòng)摩擦力，同時(shí)為了確保拱頂沿既定的路線上升，必須提前預(yù)緊鋼絲繩，因此，鋼絲繩受拉力計(jì)算如下：

式中，F(xiàn)預(yù)為鋼絲繩預(yù)緊力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取10 kN；μ 為動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.5；S為受力面積，m2；N根為鋼絲繩根數(shù)。

單根鋼絲繩的最大受力F鋼=10+0.5×(1 658.52×1 885.74-2 843 225)/16/1 000≈18.89 kN。

選擇公稱直徑φ18 mm，型號(hào)6×37+FC，公稱抗拉強(qiáng)度為1 870 MPa，最小破斷拉力為F破=186 kN 的纖維芯鋼絲繩，鋼絲繩的安全系數(shù)為F破/F鋼=186/18.89≈9.85，大于機(jī)械起重鋼絲繩的安全系數(shù)，因此，鋼絲繩選擇合格。

2.2.2 T 形架承載力計(jì)算

T 形架作用為將鋼絲繩的拉力通過(guò)T 形架傳導(dǎo)至承壓環(huán)上。由此可知，T 形架承受的壓力為2 倍鋼絲繩的拉力，即抗壓承載力F承=2F鋼=2×18.89=37 780 N，據(jù)此選擇制作T形架的型鋼：選用H 型鋼的規(guī)格型號(hào)為HW200×200×8×12，材質(zhì)為Q235b。

安全性能核算：H 型鋼截面積A=6 353 mm2；許用應(yīng)力[σ]=σS/n=235/1.5=156.67 MPa（σS為屈服應(yīng)力，n為安全系數(shù)），H 型鋼最大許用載荷F許=A[σ]=995 324.51 N＞T 形架承載力F承=37 780 N，故T 形架抗壓承載力滿足要求。

3 頂升工作清單化

氣壓頂升是低溫儲(chǔ)罐施工過(guò)程中技術(shù)難度最大的工序，50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐氣壓頂升過(guò)程持續(xù)了超過(guò)2 h，但為了這幾個(gè)小時(shí)的氣壓頂升工作平穩(wěn)順利，需提前幾周開(kāi)展大量的準(zhǔn)備工作。由于國(guó)內(nèi)關(guān)于雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐施工規(guī)范較少，不同的管理人員在氣壓頂升準(zhǔn)備工作的驗(yàn)收中關(guān)注的內(nèi)容不同。因此，為了提高氣壓頂升準(zhǔn)備工作的效率，明確檢查的內(nèi)容，通過(guò)組織氣壓頂升相關(guān)技術(shù)人員及管理人員，識(shí)別、匯總整理氣壓頂升的五大系統(tǒng)準(zhǔn)備工作檢查清單，主要包含氣壓頂升的平衡導(dǎo)向、頂升動(dòng)力、密封裝置、測(cè)量及通信等重點(diǎn)檢查項(xiàng)目，見(jiàn)表1。

表1 氣壓頂升五大系統(tǒng)工作檢查清單

通過(guò)對(duì)氣壓頂升工作進(jìn)行清單化管理，使得與氣壓頂升相關(guān)的準(zhǔn)備工作的檢查項(xiàng)目可視化，檢查內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化，顯著提高了氣壓頂升準(zhǔn)備工作了各項(xiàng)工作完成的準(zhǔn)點(diǎn)率，確保了50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐在計(jì)劃的時(shí)點(diǎn)完成氣壓頂升工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以50 000 m3雙金屬全容低溫乙烯儲(chǔ)罐為例，對(duì)氣壓頂升工藝中的動(dòng)力系統(tǒng)及平衡系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，本項(xiàng)目嚴(yán)格按此分析計(jì)算結(jié)果執(zhí)行，圓滿完成低溫乙烯罐氣壓頂升工作。同時(shí)本項(xiàng)目總結(jié)出來(lái)的氣壓頂升工作檢查清單，可供其他類似項(xiàng)目借鑒執(zhí)行。