大型LPG覆土式子弹罐设计与建造技术探讨

贾光猛 李晓峰 陈珏伶 朱加祥 张志魁 李 晔

1. 中国石油工程建设有限公司华北分公司, 河北 任丘 062552;2. 中国石油工程建设有限公司西北分公司, 新疆 鄯善 838013

0 前言

大型液化石油气(Liquefied Petroleum Gas,LPG)覆土式子弹罐是海外LPG项目常采用的一种存储设施,目前在役覆土式子弹罐大多分布在欧美地区及肯尼亚、加纳等少数非洲国家[1],中国、马来西亚、孟加拉等国近些年也逐步采用覆土式子弹罐存储LPG。相较于国外,中国LPG覆土式子弹罐应用案例较少,设计与建造经验不足[2],没有对应的设计及施工标准。因此,基于肯尼亚蒙巴萨LPG存储设施项目,对LPG覆土式子弹罐的设计与建造技术进行探讨。

1 LPG覆土式子弹罐与地上球罐对比

LPG常温带压储存的常用设备主要为覆土式子弹罐和地上球罐,其中,覆土式子弹罐主要由筒体、球形封头、加强圈、气室、人孔和罐底接管等构成[3]。地上球罐和覆土式子弹罐结构分别见图1、图2。

图1 地上球罐结构示意图

图2 覆土式子弹罐结构示意图

覆土式子弹罐和地上球罐的差异主要体现在安全性、安全距离、土地利用率、罐体建造成本等方面[4-5]。

在安全性方面,由于地上球罐为地面上露空架设,受外部火灾或撞击影响时,可能会发生沸腾液体扩散蒸气爆炸,导致重大人员伤亡和财产损失。覆土式子弹罐则不易受临近热源、爆炸冲击波、飞溅物冲击等突发事件损害[6],还可以有效降低太阳热辐射可能引起的超压风险。随着地上球罐在安全和环保方面的劣势逐渐显现,欧美地区逐步用覆土式子弹罐替代地上球罐来存储LPG[7]。

表1 NFPA 58储罐与储罐、重要建筑物及相邻可建财产边线的安全距离要求表

土地利用率方面,得益于相对较小的安全距离要求,覆土式子弹罐具有明显优势。以肯尼亚蒙巴萨LPG存储设施项目为例,该项目用地东西长580 m、南北宽56 m,具有显著的东西长、南北窄的特点。根据NFPA 58,265 m3地上球罐(直径约8 m)的安全距离已达到23 m,大于265 m3地上球罐30 m的安全距离,也就意味着该用地范围内仅能安装一排265 m3的地上球罐,东西方向最多可以安装45个地上球罐。因此,如果将覆土式子弹罐改为地上球罐,该用地范围建设的储库库容仅为 5 625 t,为原方案 42 000 t的14%。由此可见,覆土式子弹罐较地上球罐有着显著的土地利用率高的优势[10]。

罐体建造成本方面,依据中国石油工程造价管理中心发布的《石油工程建设投资参考指标 钢制储罐及油库工程册》,单个 3 500 m3地上球罐工程投资为947万元;依据中国石油工程造价管理中心发布的《中国石油工程建设项目 设备材料综合参考价格(非标设备)》,覆土式子弹罐作为碳钢三类容器,3 500 m3覆土式子弹罐重量约850 t,单个覆土式子弹罐工程投资约 1 470 万元。由此可见,相同容积条件下,覆土式子弹罐造价高于地上球罐造价[11]。

2 LPG覆土式子弹罐设计

2.1 执行标准

LPG覆土式子弹罐的设计及建造执行EEMUA 190和ASME VIIIBoiler &pressure vessel code的相关要求。ASME VIII Div.2Alternative rules for construction of pressure vessels(以下简称ASME VIII Div.2)为分析设计标准,与ASME VIII Div.1Rules for construction of pressure vessels的常规设计标准相比,其设计更具有科学性、安全性和经济性,因此,覆土式子弹罐设计普遍执行ASME VIII Div.2。

EEMUA 190为常温LPG覆土式水平圆柱形钢制压力容器的设计、建造和使用指南,是建立在ASME VIII Div.2基础上的LPG覆土式子弹罐专项规范。LPG覆土式子弹罐罐区布置、沙床设计、罐体尺寸参数、结构型式、材料选用、载荷选取、力学模型、施工要求等方面的内容[3]应按照EEMUA 190执行。

ASME VIII Div.2规定了压力容器设计、材料、制造、检验、检测、试验和认证以及与其有关泄压装置的强制性要求、特殊禁用规定以及非强制性指南,为各行业压力容器设计、建造的基础性规范,适用于原油、成品油、天然气、蒸汽等各种不同介质。覆土式子弹罐的强度计算方法和校核准则应按照ASME VIII Div.2执行。

2.2 沙床及覆土设计

覆土式子弹罐采用水平圆柱形钢制压力容器,直接放置于沙床之上,分层堆墩覆土式子弹罐周围以及顶部的覆土,并修筑覆土层斜坡至设计坡度,最后砌筑防冲刷层。覆土式子弹罐外表面全部被覆土层覆盖[12],仅有人孔、进出料管、气相平衡管以及仪表接管等伸出覆土层之外,覆土式子弹罐一侧的沙床内设有检查室,用于安装覆土式子弹罐底部卸料管道,并在其内设置可燃气体监测装置。

覆土式子弹罐的基础应结合设计载荷的组合按规范进行设计,对于现场表层土较为松散、承载力不足的情况,应采取合理的地基处理措施,如整体大面积换填、强夯等方式,以避免不均匀沉降,影响上部结构的安全稳定。地基处理完成后,应选择满足EEMUA 190要求的干沙或细土来堆墩沙床,堆墩时应按照每层最大厚度0.3 m进行分层压实,每层最大干密度不小于95%。沙床底标高应高于最高地下水位至少0.6 m,沙床最小厚度还应考虑罐底检查室的高度且不小于1 m,从而给覆土式子弹罐提供足够的连续支撑。考虑到LPG排净的需要及覆土式子弹罐沿轴线方向可能的沉降,覆土式子弹罐在沙床上应沿轴线向倾斜放置,罐底接管一端标高最低,倾斜斜率为1∶50～1∶200[9]。沙床应分两个阶段堆墩,以确保沙床能够为覆土式子弹罐提供足够的支撑力。在覆土式子弹罐就位前,沙床的堆墩厚度应达到覆土式子弹罐横截面底部圆心角60°对应的弦高;在覆土式子弹罐就位后、水压试验前,沙床的堆墩厚度应达到覆土式子弹罐横截面底部圆心角120°对应的弦高。

为应对外在突发事件的损害,避免LPG发生挥发膨胀的危险,覆土式子弹罐罐壁上方覆土层的厚度一般不小于1 m。覆土式子弹罐周围覆土层坡度应根据干沙或细土的自然休止角确定,而在用地面积受限时,可以在覆土式子弹罐周围设置一定高度挡土墙,以减少覆土层斜坡脚长度。覆土层表面应设置防冲刷层,以避免雨水在覆土层内聚集导致覆土层失稳。防冲刷层在尽可能减少雨水渗漏的同时还应防止可燃气体的聚集,因此,防冲刷层不应使用连续的不透气覆盖物,并推荐与根系广、生长慢的植被联合使用。覆土式子弹罐沙床及覆土纵、横向截面结构[13]分别见图3、图4。

图3 覆土式子弹罐沙床及覆土纵向截面结构示意图

图4 覆土式子弹罐沙床及覆土横向截面结构示意图

2.3 罐体及附属设施设计

2.3.1 一般要求

覆土式子弹罐直径不应超过8 m,长径比不应超过8,容积不应超过 3 500 m3。根据ANSYS有限元应力分析结果,若长径比超过8,罐板厚度将由弯曲应力和摩擦力引起的纵向应力决定,从而导致壁厚过大、经济性欠佳。

覆土式子弹罐筒体壁厚与直径之比应不应小于1/400;外径与内径之比不应超过1.3,而在工程实践中该比值通常远低于1.3,如肯尼亚蒙巴萨LPG存储设施项目所采用的覆土式子弹罐,壁厚为 38 mm,外径与内径之比为1.005。覆土式子弹罐封头壁厚不应小于 12 mm,同时半球形端部的壁厚与筒体直径之比不应小于0.002或超过0.16。

根据覆土式子弹罐受力模型,其轴向载荷主要由壳体承受,非轴对称载荷引起的弯曲应力则由加强筋承受。对于直径不小于3.5 m的覆土式子弹罐,通常需要在内部设置加强圈。加强圈之间的最大距离由罐板的周向屈曲应力决定。加强圈大小取决于覆土式子弹罐上的载荷和加强圈之间的距离。加强圈厚度不应超过筒体厚度。出于经济性考虑,加强圈一般与壳体具有相同的材料等级和厚度。加强圈设置间距与覆土式子弹罐直径的比例应该是1∶2～1∶1。罐内加强圈顶部设有透气孔,便于水压试验时气体的排出;底部设有多个流通孔,以便罐内LPG流出或积液排尽。

2.3.2 设计条件

覆土式子弹罐罐体的设计温度一般为45 ℃,最高不超过55 ℃,最低设计温度为LPG在常压下的饱和蒸气温度。比如存储LPG(符合GB 11174《液化石油气》标准)的覆土式子弹罐,设计温度55 ℃时最大允许工作压力为1.66 MPa。覆土式子弹罐内、外部的腐蚀裕量一般均为1.5 mm。覆土式子弹罐的设计寿命不少于25 a[6]。

2.3.3 材料选择

覆土式子弹罐的选材原则是在满足强度要求的前提下,具有良好的塑性、韧性和焊接性[14]。ASME VIII Div.2并未明确覆土式子弹罐罐体材质,EEMUA 190对覆土式子弹罐罐体材质有明确要求:罐板材质为ASTM A 516 Gr.60,接管材质为ASTM A 333 Gr.6,锻件材质为ASTM A 350 LF2[9],若其他材质的最小夏比冲击值满足PD 5500Specification for unfired fusion welded pressure vessels中表D.2要求,也可用于覆土式子弹罐。因此,覆土式子弹罐材质可以选用推荐的ASTM A 516 Gr.60,也可根据经济适用性选择较为常用的ASTM A 516 Gr.70或ASTM A 537 CL1/CL2。

按照ASME VIII Div.2相关规定,若罐板厚度不大于38 mm,覆土式子弹罐并不需要焊后热处理,仅需将焊缝两侧钢板采用火焰预热至95 ℃即可[15]。考虑到大型覆土式子弹罐内燃法焊后热处理费用一般不低于10万美元,在设计过程中大型LPG覆土式子弹罐材质往往会选择ASTM A 537 CL2以确保罐板厚度不大于38 mm,从而提高其建造的经济性。

2.3.4 附属设施

为提高覆土层的保护作用,应尽量减少直接与覆土式子弹罐罐壁相连的接管数量。进出料管、气相平衡管以及仪表接管等可全部集中设置在覆土式子弹罐顶部气室的封头或人孔盖板上。

为给覆土式子弹罐底部卸料管检查和维修活动提供足够和安全的通道,应在覆土式子弹罐底部接管处设置检查室。水不得从外部环境进入检查室,对此,检查室推荐采用整体浇筑形式建造;若使用混凝土盖板,接缝处应进行防水密封;检查室应向远离罐体的方向倾斜。考虑到覆土式子弹罐沉降可能会造成检查室内底部接管断裂,覆土式子弹罐底部接管采用可调节式管道吊架,接管井上端与覆土式子弹罐底部采用O型橡胶圈柔性连接。覆土式子弹罐罐底检修通道见图5。

图5 覆土式子弹罐罐底检修通道示意图

3 LPG覆土式子弹罐建造及施工方法

根据LPG覆土式子弹罐容积、陆运或海运条件、现场最大吊装能力等因素,LPG覆土式子弹罐的建造可以分为在制造厂内整体建造和分片或分段预制后现场组焊两种方式。

3.1 制造厂内整体建造

制造厂内整体建造是指钢板切割、成型、组焊、无损检测、焊前预热、焊后热处理、水压试验、防腐等全部工序都在制造厂内完成。制造厂内整体建造具有自动化程度高、建造速度快、质量控制好、对现场沙床扰动小等明显优势,但由于大型覆土式子弹罐尺寸大、重量重,如肯尼亚蒙巴萨LPG存储设施项目,覆土式子弹罐直径8 m、长度72 m,总重量超过900 t,严重依赖大型起吊及运输装备,对道路条件要求也较为严格,这是大部分项目无法采用制造厂内整体建造的最主要原因。

3.2 制造厂内分片/分段预制后现场组焊

大型LPG覆土式子弹罐若无法在制造厂内整体建造,可以考虑在制造厂内分片或分段预制,然后通过海运散货运输至现场。分片预制的现场组焊需先将片板组焊为筒节或段,再考虑在沙床上或沙床附近进行整体组焊,现场组焊位置应根据现场覆土式子弹罐转运至沙床的方法或条件确定。

若现场可以采用滑移就位法或自行式模块运输车(Self-propelled Modular Transporter,SPMT)将覆土式子弹罐转运至沙床[16-18],优先采用在沙床附近进行覆土式子弹罐的组焊,这样可以减少沙床上组焊对沙床连续性的破坏,避免罐体不均匀沉降发生。

在现场无任何覆土式子弹罐转运手段时,可以选择在沙床上组焊覆土式子弹罐,但需要在沙床上开挖沟槽,并进行分段组对、环缝焊接、无损检测、热处理、水压试验、除锈涂敷等工作[19]。为减少对连续式沙床的破坏,应结合现场吊装能力尽量控制分段数量,并在组焊过程中控制覆土式子弹罐整体的直线度。由于覆土式子弹罐要在沙床上进行水压试验,在设计排板时应避免筒体横截面底部120°弦高范围内设置纵缝,因此通常将每个筒节分为2片板进行焊接,相邻筒节之间纵缝必须错开位置前移。

4 LPG覆土式子弹罐无损检测

按照ASME VIII Div.2要求,覆土式子弹罐所有焊缝均应进行100%无损检测。覆土式子弹罐的对接焊缝通常都需要进行射线检测,但射线检测所需的放射源难以出口至海外项目现场,因此,在项目的实际执行过程中,通常采用超声波衍射时差法(Time of Flight Diffraction,TOFD)代替射线检测。

5 LPG覆土式子弹罐热处理

大型覆土式子弹罐焊后热处理通常采用内燃法。内燃法以轻柴油为燃料,在每段覆土式子弹罐的一侧设置燃烧器,柴油雾化后通过压缩空气喷入覆土式子弹罐,在内部燃烧并释放热量。通过热传导、热辐射和对流,将覆土式子弹罐加热到热处理所需温度,并保持一定时间,然后熄火降温[20]。对于段之间的对接焊缝可以采用局部热处理方式处理。

现场覆土式子弹罐焊后热处理较为复杂且费用相对较高,因此,在设计过程中会将罐板厚度控制在38 mm及以下,从而避免采用焊后热处理。以肯尼亚蒙巴萨LPG存储设施项目为例,单个覆土式子弹罐总投资约为220万美元,若采用焊后热处理,其占总投资的比例一般会超过5%。

6 结论

1)相较中国常用的地上球罐,LPG覆土式子弹罐具有安全性高、安全距离小、土地利用率高等优点。随着欧美地区逐步用LPG覆土式子弹罐替代地上球罐来存储LPG,LPG覆土式子弹罐在中国必定会受到越来越广泛的关注。

2)LPG覆土式子弹罐设计主要执行ASME VIII Div.2与EEMUA 190,其中EEMUA 190对LPG覆土式子弹罐基础、沙床、罐体结构、材料、覆土等均有一定要求,但罐板材料的选择还应考虑经济性及焊后热处理复杂性,在满足ASME VIII Div.2有限元分析的基础上,可以选用钢级高于ASTM A 516 Gr.60的材料。

3)大型LPG覆土式子弹罐的建造方案应根据项目所在地陆运或海运条件、现场最大吊装能力综合判断。根据项目经验,制造厂内分片或分段预制后现场组焊方案往往是最优方案。