双金属全容低温乙烯储罐气压顶升工艺参数计算及清单化管理

2022-07-21王旭

工程建设与设计 2022年12期

关键词：双金属拱顶储罐

王旭

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 引言

采用双金属全容低温罐储存乙烯，具有储存效率高、占地少、安全性高、结构完整性强及操作费用低的优点。而在双金属全容低温罐的施工过程中，罐顶的气压顶升是施工难点，因此，对气压顶升工艺参数进行计算、对顶升工作的组织策划进行总结有很重要的意义。

气压顶升的原理是利用拱顶与外罐壁之间通过密封措施形成相对密闭空间的结构特点，用风机向储罐拱顶下的密闭空间内源源不断地输送低压空气，使罐顶克服自重及与外罐罐壁之间的摩擦力，按照预定路径平稳上升至设计高度，并实现与罐顶承压环连接[1]。

50 000 m3双金属全容低温乙烯储罐气压顶升质量m=290.125 t，外罐直径D=49 m，罐壁为9Ni 钢，储罐罐顶提升高度为30.3 m，罐顶拱高H0=10.1 m。要将如此大质量、大体积的拱顶平稳上升至约30 m 的高度，具有很高的难度系数及危险系数，因此，需要对气压顶升的每个系统进行详细的计算，对气压顶升的各项工作进行清单销项管理，方能确保顶升工作万无一失。本文以某项目50 000 m3双金属全容低温乙烯储罐气压顶升工作的策划、组织、实施为例，对气压顶升部分工艺参数进行计算，并梳理出气压顶升的各项准备工作的检查清单。

2 顶升工艺计算

2.1 动力系统（风机）计算

动力系统作为气压顶升的动力输出装置，包括风机、发电机、风道、控制柜等，动力系统的核心是风机，因此，需着重对风机的参数进行计算。

2.1.1 风压计算

从理论上讲，只要罐顶受到的空气浮力与它的自重形成一对平衡力，罐顶便可平稳上升，此时平衡风压：

式中，G为气压顶升总重，G=mg=2 843 225 N；S为受力面积，S=πD2/4=1 885.74 m2；故气压顶升平衡风压P平=G/S=2 843 225/1 885.74=1 507.75 Pa。

但在实际顶升中，由于拱顶与外罐内壁之间存在摩擦力，因此，计算实际需求顶升压力必须考虑附加系数，根据经验，附加系数K取1.1，此时提供升顶的需求压力P需=KP平=1.1×1 507.75=1 658.52 Pa。

2.1.2 风量计算

风量指拱顶在风压作用下，顶升至预定高度所需要的总进风量Q。根据理想气体状态方程，温度一定时PV为恒量，则：

式中，P需为需求压力，Pa；V为顶升后罐内总容积，m3；P0为标准大气压，Pa；V0为顶升部分所围罐体的容积，m3；h1为壁板高度，取31.8 m；h2为顶升位移，由于立柱高1.5 m，故h2=31.8-1.5=30.3 m；H0为拱顶球缺高度，m；R顶为拱顶球缺半径，为39.2 m。

带入数据：

拱顶气压顶升平均速度控制在200 mm/min（12 m/h），开始气压顶升到储罐拱顶升至预定高度，共耗时30.3/12≈2.53 h，故储罐每小时风量需求量为58 307.47/2.53=23 046.43 m3，由于密封系统不可能做到绝对密闭不漏风，因此，根据类似工程经验取漏风量系数1.5，故储罐单位小时最大耗风量为23 046.43×1.5=34 569.64 m3。

2.1.3 风机及发电机选型

以全压为1 658.52 Pa、流量为34 569.64 m3/h 作为选择风机的参数，根据比选，选择某品牌型号为5-56-11 的离心通风机，气压顶升时的工况为全压3 341 Pa、流量为77 399 m3/h。根据选择的风机参数，配用电机功率为110 kW，根据类似工程经验，租用2 台350 kW 发电机即可。

2.2 平衡系统计算

平衡系统主要由T 形架、钢丝绳、导向滑轮、底部吊耳及配重等，本项目共设置16 组平衡系统，其中，平衡系统中钢丝绳的计算选型与T 形架计算最为重要，计算过程如下。

2.2.1 钢丝绳拉力计算

拱顶在上升的过程中，顶升重力与气压形成平衡，钢丝绳基本不受力，只有在拱顶发生整体倾斜时，平衡钢丝绳才会调节其平衡而受力。平衡钢丝绳在拱顶上升的过程中，主要是受气压和顶升重力之差的力与导向装置摩擦产生的动摩擦力，同时为了确保拱顶沿既定的路线上升，必须提前预紧钢丝绳，因此，钢丝绳受拉力计算如下：

式中，F预为钢丝绳预紧力，根据经验，取10 kN；μ 为动摩擦系数，取0.5；S为受力面积，m2；N根为钢丝绳根数。

单根钢丝绳的最大受力F钢=10+0.5×(1 658.52×1 885.74-2 843 225)/16/1 000≈18.89 kN。

选择公称直径φ18 mm，型号6×37+FC，公称抗拉强度为1 870 MPa，最小破断拉力为F破=186 kN 的纤维芯钢丝绳，钢丝绳的安全系数为F破/F钢=186/18.89≈9.85，大于机械起重钢丝绳的安全系数，因此，钢丝绳选择合格。

2.2.2 T 形架承载力计算

T 形架作用为将钢丝绳的拉力通过T 形架传导至承压环上。由此可知，T 形架承受的压力为2 倍钢丝绳的拉力，即抗压承载力F承=2F钢=2×18.89=37 780 N，据此选择制作T形架的型钢：选用H 型钢的规格型号为HW200×200×8×12，材质为Q235b。

安全性能核算：H 型钢截面积A=6 353 mm2；许用应力[σ]=σS/n=235/1.5=156.67 MPa（σS为屈服应力，n为安全系数），H 型钢最大许用载荷F许=A[σ]=995 324.51 N＞T 形架承载力F承=37 780 N，故T 形架抗压承载力满足要求。

3 顶升工作清单化

气压顶升是低温储罐施工过程中技术难度最大的工序，50 000 m3双金属全容低温乙烯储罐气压顶升过程持续了超过2 h，但为了这几个小时的气压顶升工作平稳顺利，需提前几周开展大量的准备工作。由于国内关于双金属全容低温乙烯储罐施工规范较少，不同的管理人员在气压顶升准备工作的验收中关注的内容不同。因此，为了提高气压顶升准备工作的效率，明确检查的内容，通过组织气压顶升相关技术人员及管理人员，识别、汇总整理气压顶升的五大系统准备工作检查清单，主要包含气压顶升的平衡导向、顶升动力、密封装置、测量及通信等重点检查项目，见表1。