轻油球罐的安全设计评定

罗红梅 高庆春 令成君 白光野

(1. 北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司；2. 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司)

轻油球罐的安全设计评定

罗红梅*1高庆春1令成君1白光野2

(1. 北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司；2. 中国石油集团工程设计有限责任公司华北分公司)

以某采油厂天然气处理站改扩建工程轻油球罐的设计为例，从减少焊缝长度、方便钢板的供货尺寸、满足球壳板的整体刚度及保障球罐安全运营等角度出发，采用了一种有别于其他文献中所规定的新的球壳型式，确定了球壳的分带数和各带球壳的分瓣数。针对这种新结构型式下球壳板的具体几何关系，总结、提炼出各球壳板几何尺寸的计算公式；进一步结合具体参数，计算得出各几何尺寸的数值。将计算结果与其他文献的相应数据进行比较，验证了新的球壳结构型式的优越性。

球形储罐 安全可靠 球壳板 分带

与卧式容器相比，球形储罐(以下简称球罐)具有良好的耐压性能，因具有使用方便、占地少、耗钢量少，再加上基础简单、受风面小、外观漂亮及可美化工程环境等因素，在许多工业领域得到了越来越广泛的应用。

笔者结合某油田采油厂天然气处理站改扩建工程轻油球罐的具体设计过程，论述了球罐设计过程中的几个主要问题和注意事项，着重分析论述了球罐结构型式即球壳分带数和各带分瓣数的确定方法，分析推导出该型式球罐的球壳板几何尺寸。并从工厂制造、供货和运输方面验证了该结构型式的可行性。

1 基本设计概述

1.1主要设计参数

某油田采油厂天然气处理站改扩建工程两座轻油球罐，其主要设计参数为：公称容积200m3；设计压力0.6MPa；设计温度70℃；地震设防烈度8度；基本风压600Pa；基本雪压500Pa；场地土类型III类；充装系数0.9；球罐无保温，为Ⅱ类容器[1]。球罐盛装介质为轻油，按轻微腐蚀考虑，均匀腐蚀速率不超过0.13mm/a，设计寿命按15年考虑，故该球罐的腐蚀裕量定为2.0mm。

1.2强度计算与选材

1.2.1强度计算

球罐与其他压力容器相同，有两种设计方法，一种是规则设计，另一种是分析设计。规则设计以弹性失效为设计准则；分析设计以塑性失效和疲劳失效为设计准则。该球罐储存介质为轻油，储存压力变化小，各部件的内应力改变也小，不存在循环载荷，因此采用规则设计方法。球罐的主体尺寸和结构设计执行GB 12337标准，以保证球罐的安全使用[2]。

设pc为计算压力，即设计压力与液柱静压力之和。其中，液柱静压力是球罐设计压力中的重要部分，不可忽略，计算液柱静压力所需液位高度可根据球罐的充装系数通过求解三元一次方程得出。当pc≤0.6[σ]tφ时，设计温度下球壳的计算厚度按文献[2，3]中的公式计算。其中，球罐的对接焊接接头为双面焊全焊透对接接头，并应进行100%射线检测，取焊接接头系数φ=1[2，3]。

1.2.2主要材料的选择

关于球罐的钢材选用，GB 12337中作了相关规定，考虑钢材的强度、价格、供货情况及焊接性能等因素，Q345R、16MnDR和07MnCrMoVR逐渐成为球罐制造的主要用钢。针对该工程的设计条件，综合考虑球罐刚度、稳定性等各种因素，采用Q345R钢板的厚度为12mm，能满足GB 12337中规定的不必进行焊后整体热处理的要求。从使用经验来看，Q345R钢是国内较成熟的压力容器用钢，其焊接性能、韧性及耐杂质应力腐蚀等方面均具有较强的特性；而且较易满足加工、生产及运行等工艺要求，价格便宜。故最后选用了Q345R钢板作为壳体的主要材料。

1.2.3支柱结构的选用

支柱采用U型板结构，其优点是：没有尖角焊缝，极大地改善了支柱与球壳连接最低点的受力状况，焊缝长度可在较大范围内加长，以改善焊缝的受力状态，便于上支柱的加工和焊接[4]。支柱用赤道正切式，支柱中心圆直径等于球壳内直径，6根支柱为φ219mm×8mm无缝钢管。支柱分上下两段制造，上段长度不小于总长度的1/3，选用与球壳板相同的材料。为防止受到火焰烘烤时支柱内部气体压力升高，在每根支柱下部设置一个易熔塞，易熔塞由75℃易熔合金制造，当温度高于75℃时，易熔塞融化，对支柱起到泄压保护的作用。拉杆与支柱连接形式为相邻连接，拉杆采用可调式结构。

另外，该轻油球罐的其余内容执行GB 150、GB 12337、JB 4732和相关标准中的有关规定；制造、检验和验收执行GB 50094中的有关规定；并接受《固定式压力容器安全技术监察规程》的监督，论文对此不再赘述。以下着重对该球罐球壳板结构型式的确定进行详细论述。

2 球壳结构型式的确定

球罐的球体通常由各种球壳板组成，球罐的设计中除了必要的强度计算、稳定性计算、支柱和开孔补强计算外，球壳板的形状和大小的确定也是重要部分。对于球罐的结构型式来说，单位容积的平均焊缝长度越短，焊缝总长度也越短，结构就越先进。焊缝的减少不仅能减少焊接、无损检测等工作量，缩短工期，而且还能提高球罐的安全性和可靠性。在确定球罐结构型式时，不仅要考虑焊缝的长度、钢板的供货尺寸，而且还要满足球壳板的整体刚度，因球壳板的长宽比过大时，就会使刚性降低，难以保证质量。因此，在设计上应对球壳板的长宽比加以限制。同时还应简化材料的规格。因此，球壳板总的块数要少、结构尺寸要相近、宽度要大致相等、互换性好，以减少焊接、无损检测等工序的工作量，加快施工进度，节省资金。

2.1球壳分带数和各带分瓣数的确定

文献[5]中规定200m3球罐采用四带桔瓣式球壳，其基本参数如下：

公称容积 200m3

球壳内直径Di7 100mm

几何容积 187m3

支柱底板底面至球壳中心的距离 5 200mm

球壳分带数 4

支柱根数 6

各(带)球心角 上极60°、上温带55°、赤道带65°、下极60°

各带分瓣数 上极3、上温带12、赤道带12、下极3

根据文献[5]中的计算公式，可以计算出这种结构型式的球罐的焊缝总长约为148m。

根据以上球罐结构设计原则，笔者提出了一种新的200m3球罐的结构型式，该球罐的球壳分带和各带球壳分瓣情况如图1所示。其基本参数相比文献[5]中规定的球罐有以下不同(公称容积、球壳内直径、几何容积、支柱底板底面至球壳中心的距离均相同)：

图1 球罐的球壳分带和各带球壳分瓣情况

球壳分带数 3

支柱根数 6

各(带)球心角 上极90°、赤道带90°、下极90°

各带分瓣数 上极3、赤道带12、下极3

2.2球壳板几何尺寸计算

赤道板、极中板和极边板的示意图如图2～4所示。关于球壳板几何尺寸的计算，许多文献中都有大量的介绍[5，6]，但这些文献中的计算公式比较繁琐、复杂，具有较强的概括性和普遍性，没有针对图1所示这种新结构型式的球壳板尺寸计算公式。通过对相关文献中球壳板几何尺寸公式的学习和消化吸收，并结合此次设计的具体几何关系总结提炼出了适用于该结构型式的200m3球罐球壳板尺寸计算公式。

图2 赤道板

图3 极中板

图4 极边板

设Ri为球壳的内半径，N为赤道带分瓣数，那么Ri=Di/2=3550mm，α=360°/N=30°。各带球壳板的几何尺寸可按公式计算。

综上，本球罐采用三带六支柱桔瓣式排板方式。赤道带分为12瓣，瓣片宽度方向球心夹角为30°；两极带球心夹角为90°，极中板球心角为36°，极边板的球心角为27°。焊缝总长度约为120m，相比文献[5]中推荐的四带结构球罐，焊缝总长减少了约29m(约20%)。

2.3钢板供货运输情况分析

从以上计算结果可以看出，赤道板所需钢板尺寸为1858.78mm×5576.33mm，钢板数量为12块；极中板所需钢板尺寸为2230.53mm×5576.33mm，钢板数量为两块；极边板所需钢板尺寸为1672.9mm×4748.06mm，钢板数量为4块；球壳板的总数为18块。该结构型式的球罐仅需3种规格的钢板，最大钢板尺寸为极中板所需钢板尺寸，钢板订货时选择2.4m×6.0m尺寸的钢板即能满足要求。在工厂制造、供货和运输方面具有较强的可操作性。

综上，这种分带方式的优点是：球壳板的宽度大、块数少；球壳板的长宽比最大值约为3.0(赤道板的长宽比)，刚度适宜；组装、焊接和检查的工作量少；球壳板规格较少(3种)，具有较强的互换性，材料利用率高；同时也能较好地满足钢板加工、供货与运输要求。

3 结束语

球罐强度设计理论的正确选择、强度公式的正确运用、材料的合理选用可以确保球罐的安全运行；球壳板结构型式的合理设计可以提高球罐用钢材的利用率，减少焊缝和加工安装以及焊缝检测的工作量，降低建罐成本，并提高球罐的安全性和可靠性。

[1] TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2010.

[2] GB 12337-2014，钢制球形储罐[S].北京：中国标准出版社，2014.

[3] GB 150.1～150.4-2011，压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4] 李芳升，吕成，梁建新，等.5000m3天然气球形储罐的设计[J].燃料与化工，2002，33(4)：193～195.

[5] 徐英，杨一凡，朱萍，等.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社，2005：22～36.

SafetyDesignAssessmentofLightOilSphericalTank

LUO Hong-mei1, GAO Qing-chun1, LING Cheng-jun1, BAI Guang-ye2

(1.DWELLCompanyLimited,Beijing100083,China; 2.NorthChinaCompany,ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Renqiu062552,China)

Through having the design of light oil spherical tank in a gas processing station taken as an example, and starting with reducing the weld length, facilitating steel supply and ensuring overall stiffness of the shell plates as well as protecting the safe operation of spherical tank, a special spherical shell was adopted and its zonings and plate numbers of each zone were determined. Considering the geometrical relationship of this new shell’s plates, their calculation formula was extracted and their dimensional values were calculated and compared with the corresponding data listed in other documents to verify the superiority of this new type of shell structure. The results provide the experience for designing spherical tanks of the same kind.

spherical tank, safety and reliability, shell plate, zoning

*罗红梅，女，1981年11月生，工程师。北京市，100083。

TQ053.2

A

0254-6094(2016)06-0736-04

2016-02-14，

2016-10-08)