马来西亚球罐设计计算综述
2022-10-18张楠程鹏张浩赵翠玲钟翔
张楠 程鹏 张浩 赵翠玲 钟翔
（1.中国石油北京项目管理公司天津设计院，天津300457）
(2，中国石油塔里木油田分公司， 库尔勒841010）
随着我国国际化的步伐加快，越来越多的企业进入马来西亚油气市场。例如中国石油天然气管道局2016年进入马来市场，现已承接几个重大项目，其中RAPID项目是其承揽马来国家石油公司的一个重大工程。球罐是重要的储存容器。我国有专门的球罐设计标准GB12337＜＜钢制球形储罐》[1]用来指导储罐的设计与制造工作。GB12337从球壳、支柱、拉杆、耳板、垫板等几乎球罐的每个部分考虑，分析了其受力，并给出了相应的计算公式或经验取值。但马来西亚同许多国家一样并没有专门的球罐标准。而且部分马来业主并不承认我国标准的有效性。所以采用马来标准本土化设计方法就显得尤为重要。
PTS标准是马来石油公司编制的标准，涵盖了油气处理的各个方面。它参考了美国标准与欧盟标准，形成了独特的标准体系。对于压力容器来说，主要遵循马油标准PTS31.22.20.31＜＜压力容器技术要求》[2]，本技术要求是基于ASME VIII上（PTS31.22.20.31部分章节直接指向ASME VIII条款），提出了马油的特有要求。
本文以马来RAPID项目为例，介绍以PTS标准设计的6000m3丙烯球罐的设计计算过程。
1 马来球罐设计总述
球罐需要分析的部分包括：壳体、接管、耳板、支柱与拉杆等[1]。需要注意的是，与我国常规设计不同，马来球罐拉杆并不设置调节螺母（国内常规做法：拉杆设置调节螺母），而是拉杆相互焊接或通过钢板连接（见图1-1）。壳体与接管由于结构简单，RAPID项目中马方要求采用ASME VIII DIV2中相关公式进行校核。而支柱由于其与球壳连接处结构复杂，并承受自重、压力、地震、风载等组合载荷，且无相应公式计算，故马方要求采用有限元校核。
图1-1 马来球罐拉杆连接结构
球壳与接管计算因为ASME VIII DIV2[3]中有相关公式，本文将不再赘述。本文将重点对支柱与拉杆的有限元设计方法要求进行描述。
本工程丙烯球罐考虑到海运对钢板长度的限制，球壳采用五带结构，支柱与球壳连接处是球罐设计中需要考虑的重点部分。对于支柱与球壳连接，目前GB12337中列出了三种推荐结构：直连型、U型托板与长圆型。本次球罐设计中，为减少应力，支柱与球壳连接采用了U型托板改进型：径向托板结构。
2 设计基础条件及载荷
2.1 设计基础条件
丙烯球罐具体设计基础参数见表2-1.
表2-1 设计基础条件
2.2 载荷工况
按PTS 31.22.20.31 中4.4&4.5节要求，球罐设计中需要考虑八种组合载荷工况。如下：
● Case 1=L1+L6
● Case 2=L1+L2+L4+L6
● Case 3=L1+L2+L31+L4+L6
● Case 4=L1+L2+L4+L7
● Case 5=L1+L2+L31+L4+L7
● Case 6=L1+L2+1.43xL32+L5+0.25xL6
● Case 7=L1+L2+1.43xL31+L5+0.25xL6
● Case 8=L1+L2+L33+L6
符号意义：
L1 :设备质量；
L2 :最大操作液位下介质质量；
L31:设计压力；
L32: 最大许用压力；
L 33:放空工况下压力载荷。一般取0.2 bar(0.02MPa)；
L4: 操作温度由限制热膨胀引起的载荷；L5: 水压试验下设备充水质量；
L6 :按ASCE7计算；
L7：地震载荷，本工程SDS=0.29g。
1）风载荷计算
风载荷根据ASCE7风载公式
Fw=qzG CfAf
qz=0.613kzkztkdv2
阵风影响因子G ,本工程 取0.85
载荷系数Cf,本工程取1.00
其余参数符号定义见ASCE7。
2) 载荷工况选择
考虑到荷载组合中最严重的情况，对8种组合工况进行了分析。工况3、工况5和工况6被视为最严重工况，应分别进行校核。下表列出了3种工况组合下的基本载荷参数。
表2-2 工况载荷表
考虑到篇幅的限制，本文将只对工况5的校核进行详细描述，其余工况分析与工况5类似。
3 工况5校核计算
3.1 分析模型
球壳板与上支柱材质选用 SA-537 Cl.1，下支柱和拉杆采用SA36。材料性能见表3-1。因为要分析地震与风载，故在分析模型中采用SHELL 181单元建立了完整的有限元模型，包括壳瓣、上柱、下柱和交叉拉杆。
表3-1 材料性能表
图3-1 支柱结构
图3-2 球罐受力模型
3.2 分析云图
图3-3 球壳应力云图
分析模型建立后应对模型施载，每个施载模型（包括自重、压力、地震、风载、热载等）均按施加步骤列于计算书中。本球罐受力总模型结构不连续处网格密度为20mm,单支柱模型网格密度为5mm。分析受力云图应包括球壳、上支柱、下支柱与拉杆。为减少篇幅，本文受力结果云图只罗列了各部分PL+Pb+Q的云图（Unit: MPa）。从得到应力数值后，采用ASME VIII DIV2中的方法对应力评估，本次工况的评估结果见表3-2
表3-2 应力评估结
图3-4 上支柱应力云图
图3-5 下支柱应力云图
图3-6 拉杆应力云图
3.3 结果分析
4 结论
本文以马来RAPID项目中球罐为例，论述了马来球罐的计算与注意要点。马来球罐计算主要基于ASME VIII DIV2, 接管补强采用DIV2中公式法。而支柱与拉杆的计算，采用有限元方法分析。与国内球罐标准不同的是，马来球罐载荷工况分为8个，设计时应对8个工况中最严重的几个工况进行分别校核。
