氢气柜钟罩顶的设计及防腐蚀

张世旗

（山西省化工设计院）

0 前言

气柜是一种用于贮存各种工业气体的钢制容器，同时也是一种用于平衡气体需用量不均匀性的设备[1]。湿式低压气柜是最简单、最常见的一种气柜。气柜由钟罩顶、水槽、活动塔节、导轨、内立柱、外导架、配重、梯子、平台、栏杆等部件构成。它的工作原理很简单，钟罩和柜壁之间的缝隙靠水密封，钟罩靠柜内介质的压力变化上下运动，湿式气柜内的介质压力由钟罩上的平衡块数量来调节。在实际使用中，气柜钟罩顶容易出现不同程度的坍塌、开裂，致使顶部配重块倾斜、滑落，砸向钟罩顶，使其变形加剧。钟罩顶外部受到化工厂腐蚀介质的腐蚀、内部受到气柜内介质的腐蚀，且腐蚀都很严重，因此通常其使用寿命很短，这是气柜的一个薄弱部位[2]。

本文对某工程中200 m3氢气柜的钟罩顶进行了设计和载荷校核，从安全角度讨论了钟罩顶计算需要考虑的各种因素，确定了钟罩顶的结构形式。对气柜的防腐蚀问题进行了探讨，确定了氢气柜的防腐蚀材料。

1 基本设计参数

某工程中200 m3氢气气柜基本设计参数如表1所示。

表1 氢气气柜基本设计参数

钟罩顶顶板罩顶拱高f=467 mm，顶板厚δ=4 mm。罩顶板连接时，先将若干块小块板对接成大块板，然后再对大块板进行连接，且可采用搭接。为防止搭接缝内积存凝结液，应将处于低位置的板搭在高位置的板之上[3]。罩顶边环由罩顶包边角钢、钟罩顶边板、钟罩壁上带板的一部分以及其他环形加强构件组成。

2 球形拱架设计

拱架各构件节点间距为L。当顶板厚度δ=3 mm时，L≤210 cm； 当 δ=4 mm时，L≤270 cm。拱架与顶板之间不得焊接。拱架各构件的连接采用连接板，组装时先采用定位螺栓整体定位，然后再进行焊接[4]。

2.1 拱架载荷

根据拱架结构作出计算简图如图1所示。通常，拱架载荷按下式确定：

本文取自重为200 N/m2，雪压为150 N/m2，施工载荷为 278 N/m2，因此取 q=200+278=478 N/m2。 计算节点的负荷面积：

图1 拱架结构计算简图

式中ni——主径向梁与次径向梁根数之和。

节点载荷为：

2.2 径向梁计算

（1）径向梁轴力

（2）径向梁段上轴力引起的偏心弯矩

（3）径向梁局部弯矩

径向梁段和环向梁段所围成的面积上的外部载荷，当径向梁段与环向梁段长度相近时，其一半载荷被认为由径向梁段承担，此载荷引起径向梁产生局部弯矩[4]。

梁在弯矩作用平面处的长细比：

稳定条件：

式中 φ1——偏心受压构件在弯矩作用面处的稳定系数，取φ1=0.474。

2.3 环向梁计算

2.3.1 环向梁段轴力

2.3.2 环向梁段弯矩

计算环向梁段弯矩的载荷面积按所在节点的载荷面积一半计算。

计算载荷：

计算弯矩：

2.3.3 环向梁段强度和稳定性

（1） 强度校核

（2）弯矩作用面内稳定性校核

计算偏心率：

构件弯矩作用平面内的长细比：

稳定条件：

其中取φp=0.566。

载荷面积：

局部载荷：

局部弯矩：

2.3.4 径向梁段计算弯矩

2.3.5 径向梁段强度和稳定性校核

（1） 强度校核

由于径向梁全长为同一截面型钢，因此只计算所受弯矩最大的一段。

式中A——梁截面积；

Wx——梁弯矩作用平面内截面模数。

（2）稳定性校核

弯矩作用平面内的稳定性校核按下式计算。先计算偏心率：

按下式计算梁弯矩作用平面内的长细比：

式中ix——弯矩作用平面内梁截面的回转半径，ix=52 mm。

稳定条件：

式中 φp——实腹式偏心受压构件在弯矩作用平面内的稳定系数，取φp=0.566。

2.4 中心环计算

2.4.1 中心环的稳定性校核

环单位长度的分布载荷：

环单位长度的临界分布载荷：

式中J——中心环截面Y-Y轴的惯性矩，J=38.0×104mm4；

E——弹性模量，E=2.06×105MPa。

稳定条件：

2.4.2 中心环强度校核

环截面上的压应力应满足：

2.5 拱架的整体稳定计算

拱架假设为按径向梁和环向梁构成的正交各向异性的浅球壳。

（1）梁的薄膜厚度

径向梁有效薄膜厚度：

环向梁折算薄膜厚度：

式中Aφ、Aθ——分别为径向梁和环向梁截面积，Aφ=Aθ=1811.8 mm2；

b、d——分别为径向梁和环向梁的高度，b=1840 mm，d=1500 mm。

（2）折算为壳体在单位宽度上的延伸刚度

径向延伸刚度：

环向延伸刚度：

（3）折算为壳体在单位宽度上的弯曲刚度

径向弯曲刚度：

环向弯曲刚度：

式中Iφ、Iθ——分别为径向梁、环向梁截面惯性矩， Iφ=Iθ=188×104mm4。

（4）折算有效薄膜厚度δ和折算弹性模数E′

简化为各向同性壳体后，折算有效薄膜厚度δ和折算弹性模数E′为：

（5）按承受均布外压计算罩顶拱架的许用应力[pcr]=0.1E′(δ/R)2

3 氢气柜的防腐蚀

本次氢气柜的防腐蚀设计如表2所示。

表2 气柜各部位的防腐蚀方案

在石油化工生产中，由于杂质的存在，气柜一定要进行防腐蚀处理，保持严密不漏，并作定期检查。气柜防腐蚀要考虑下列部位：首先考虑的部位是气柜内壁，内壁防腐蚀处理主要是选择耐酸性气体的涂料和树脂；第二个部位是钟罩外壁、水箱内部及底部与水接触处，要选择耐酸性水的涂料和树脂；第三个部位是钟罩外顶部和水箱外与工业气体接触的部位，要选择耐工业大气腐蚀和耐紫外线照射的涂料。防腐蚀选材、防腐蚀结构设计、施工都要慎重[2]。

[1] 杨毅，张翼.煤气柜涂料涂装防护层的改进 [J].腐蚀与防护， 2002， 23(6)： 283-284.

[2] 秦国治，王德武，邓宏勃.化工气柜的防腐蚀技术[J].化工设备与防腐蚀，1998 （4）：48-50.

[3] HG/T 21549—1995.钢制低压湿式气柜系列 [S].北京：化工部工程建设标准编辑中心，1995：11-14.

[4] HG 20517—1992.钢制低压湿式气柜 [S].北京：化工部工程建设标准编辑中心，1992：22-34.