浅谈十万立方米浮顶油罐设计

2014-04-03张雪铭

化工设计 2014年3期

关键词：浮顶罐壁油罐

张雪铭

浙江省天正设计工程有限公司杭州310012

浅谈十万立方米浮顶油罐设计

张雪铭*

浙江省天正设计工程有限公司杭州310012

阐述十万立方米浮顶油罐选材、罐壁设计、浮顶设计、抗风圈设计、加强圈设计、密封结构设计和浮顶排水系统设计，并对油罐调研、设计、制造和安装过程中发现的问题进行探讨，为今后十万立方米浮顶油罐的优化设计奠定基础。

浮顶油罐材料设计结构

大型化是石油储罐发展的必然趋势，随着大型油罐的建设，油罐设计技术已得到了突飞猛进的发展。材料是决定储罐大型化发展的关键因素，十万立方米浮顶油罐罐体材料采用国产高强度钢板12MnNiVR或08MnNiVR，避免了底圈罐壁过厚带来的整体热处理问题和焊接问题。通过对十万立方米浮顶油罐的设计研究，提出了详细的设计方案，并对油罐调研、设计、制造和安装过程中发现的问题进行探讨。

1 油罐概况

通过对大型油罐建造工程的比较，采用大容量油罐具有节省钢材、减小占地面积、便于操作管理、减少油罐附件和节省罐区投资等优点［1］。根据国家发展战略储备库的需求，油罐的大型化已成为发展趋势。国内已成功掌握了十万立方米大型浮顶油罐设计建造技术(包括生产国产高强度钢材、油罐设计、施工及成熟的使用经验)。

2 油罐材料

早期十万立方米油罐用材料主要采用日本压力容器用钢SPV490Q高强度调制钢板［2］。目前，国产的高强度钢已成功用于十万立方米储罐建造中，广泛采用的国产高强度钢有武汉钢铁(集团)公司、舞阳钢铁公司等单位研制的12MnNiVR和宝钢集团研制的08MnNiVR，其屈服强度已达到490MPa。该材料不但强度高、韧性好、碳当量低、焊接性能好，而且能够适用于大线能量焊接。对于强度级别更高的材料，在国内外油罐建造上很少使用，主要原因为:①材料的可焊接性降低;②材料的屈强比增大，不能有效地利用材料性能;③焊接材料的匹配问题很难解决;④加剧底圈罐壁与罐底边缘板连接处(即大角焊缝)的变形不协调问题，降低油罐的安全性。因此，目前国内10万立方米大型油罐中由强度决定的罐壁部分均采用高强度钢板12MnNiVR或08MnNiVR，由刚度决定的罐壁部分采用Q235B钢板，其过渡部分采用Q345R钢板，不但解决了底圈罐壁过厚带来的整体热处理问题和焊接问题，而且解决了从高强度钢板到Q235B的焊接过渡问题。

3 油罐设计

3.1 罐壁设计

为提高材料利用率、平缓罐壁应力分布和提高油罐安全性，目前十万立方米浮顶油罐罐壁设计中采用最广泛的是美国石油学会标准API650中的变设计点法，计算液位高度为储液高度。随着油罐的大型化，底部几圈罐壁间以及底圈罐壁与环形边缘板联接处应力状态更加复杂，因此还应通过应力分析方法对油罐内外表面、边缘板与底圈罐壁内外角环焊缝等处进行详细的应力分析设计以保证油罐的安全性［4］。12MnNiVR和08MnNiVR在设计条件下壁板的许用应力为244MPa，水压试验下壁板的许用应力为261MPa。

3.2 浮顶设计

浮顶的型式主要分为单盘式和双盘式两种。单盘式浮顶优点:钢材耗量少，造价低，抗不均匀外载的能力强，易于发现浮顶漏油事故;缺点:单盘板易产生不均匀变形，盘板整体平整度很难控制，局部变形后易集水产生腐蚀和浮顶偏沉事故，隔热效果差。双盘式浮顶优点:顶板与底板之间的空气层起到较好的隔热作用，结构稳定性好，顶板变形小，有利于排水;缺点:钢材耗量多，结构复杂，造价高，抗不均匀外载的能力弱。因此，浮顶型式的选择应综合考虑建罐地区的地理位置、腐蚀状况、操作工况、业主要求等多方面因素。

十万立方米单盘油罐浮顶结构主要是由单盘和环形浮舱两部分组成。为防止在风载荷作用下单盘的疲劳破坏，控制单盘板的变形，在单盘板下表面设置了径向和环向加强筋;为增加浮顶的抗沉性，控制单盘板的变形，在单盘中央设置了中央浮舱;单盘上还设置了呼吸阀和紧急排水装置等安全附件。

浮顶设计准则按GB 50341-2003中第8章的规定:①当单盘式浮顶的任意两个船舱及单盘同时泄漏、双盘式浮顶的任何两船舱同时泄漏时，浮顶不沉没;②当排水管失效，浮顶上积存250mm降水量时，浮顶不沉没;③在正常操作条件下，单盘与储液之间不应存有油气空间，同时单盘应有利于排水;④在满足以上各条件下，浮顶应保持结构的完整性，不发生强度或稳定性破坏。

3.3 抗风圈设计

API650标准规定当储罐直径大于60m且征得买方和制造商同意的情况下，可以按60m直径计算抗风圈截面模数。目前十万立方米浮顶油罐抗风圈设计中，抗风圈所需的最小截面模数按直径60m计算。当计算所需的抗风圈最小截面模数较大，只设一道抗风圈显得有些困难或不经济时，抗风圈可以分为两道及两道以上安装，但相邻两道抗风圈之间的高度间距必须在有效距离范围之内。每道抗风圈的实际最小截面模数应大于计算所需的最小截面模数与抗风圈道数的比值，且相邻两道抗风圈之间的高度间距不宜大于2m，每道抗风圈的最大宽度不宜超过1.2m。

3.4 加强圈设计

按照GB 50341-2003标准要求进行加强圈设计。当设置了第二道或第三道抗风圈以后，进行加强圈设计时，应以第二道或第三道抗风圈为基准，逐步向下核算罐壁高度，以确定加强圈的数量、规格及位置。

3.5 密封结构设计

浮顶与罐壁之间的环形空间主要依靠边缘密封装置来保证油罐的严密性。广泛使用的密封装置由一次密封和二次密封组成。一次密封常用的形式主要有机械密封、管式密封、弹性材料密封。目前，十万立方米浮顶油罐一次密封多采用弹性材料密封，该密封结构利用泡沫材料的弹性力对罐壁产生均匀的密封力，环形间隙适应性好;二次密封具有挡雨板和密封双重功能。实际上原油浮顶储罐在长期生产运行中，罐壁、浮顶变形和一次密封的局部磨损以及建罐地区较高的平均风速等诸多因素，都会加剧油气损耗，所以应该选择合适的一次密封和二次密封组合。

3.6 浮顶排水系统设计

目前常用的浮顶排水系统有刚性回转接头排水系统、刚性管+柔性接头排水系统(枢轴式)和全柔性排水系统(柔性软管)三种形式。这三种形式的排水系统都得到了广泛应用，基本上都能满足浮顶排水的要求。根据多年的使用经验，2000年后的十万立方米浮顶油罐的浮顶排水系统多采用全柔性排水系统。柔性软管具有以下优点:不受浮盘侧向作用力影响、连接接头少、渗漏点少、安装和更换方便。

柔性软管排水系统的设计主要考虑以下三点:①两根软管分别为左旋和右旋，不会发生相互干扰;②软管应进行合理的配重设计，保证软管悬垂，确保软管不会受到液流的作用而飘荡。③应在距离软管较近的位置安装支柱保护架，以保证浮盘升降过程中软管不会与浮盘支柱发生碰撞而被支柱扎破。