大型低温液体贮罐设计制造.pdf
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1、?: 2006202209 ?:张 敏(1960 ) , 男,高级工程师, 1982年毕业于湖南大学机械系内燃机专业,现任中国空分设备公司 副总经理。 大型低温液体贮罐设计制造 ? (中国空分设备公司,杭州市东新路462号 310004) ?:介绍了大型低温液体贮罐的结构特点,以及结构尺寸、内罐、外罐、保温和基础等设 计要点,阐述了大型低温液体贮罐抗震设计、施工安装、清洗和试验等有关问题。 ?:低温液体贮罐;结构;设计要点;抗震计算;安装 ?: TQ658 ?: B ?: 100929425 (2006) 0320022205 Design and fabrication of a large
2、 scale cryogenic liquid tank Zhang Min ( China National Air Separation Plant Corporation ,462 Dongxin Road ,Hangzhou 310004 ,Zhejiang , P1R1China) Abstract : The structural characteristics and the design outlines (dimensions , inner tank , outer tank , insulation and foundation) are introduced. The
3、aseismic design , construction and installation , cleaning , test of a large scale cryogenic liquid tank are also expounded. Keywords : Cryogenic liquid tank; Configuration; Design outline ; Aseismic calculation; Installation 由于大型立式圆柱形平底拱顶双壳低温贮罐 (以下简称:大型低温液体贮罐)具有贮存容积大、 蒸发损失小、造价低、占地面积小和安全可靠等诸 多优点,在液体
4、贮运蓬勃发展的今天,市场前景日 渐广阔。本文结合大型低温液体贮罐的设计与施工 实践,对有关问题做一阐述。 1 大型低温液体贮罐结构 大型低温液体贮罐为立式常压平底双壳金属 罐。内罐由奥氏体不锈钢材料制造,外罐由碳钢制 造。内罐用来贮存低温液体,外罐构成一个保冷空 间(夹层)。内、外罐均为平底结构,罐顶为自支 承拱形顶。内罐底部采用泡沫玻璃砖绝热,环形空 间及顶部采用珠光砂绝热,通过良好的保冷设计, 可使贮罐低温液体的蒸发损失与粉末真空绝热贮槽 相媲美。 大型低温贮罐内罐保持常压,顶部气相空间的 压力一般为几十千帕。顶部设有紧急放空阀及压力 /真空安全阀,压力超高时,通过压力控制从放空 阀泄压,
5、一旦负压超过设计真空值时,即通过压力 /真空安全阀将气体引入内罐,保持罐内压力稳定 在一定范围内。大型低温液体贮罐系统一般均有低 温液体泵,在液体泵开启后,为避免罐内出现负 压,贮罐设置气体增压回路。低温液体泵预冷过程 产生的低温气体通过管路返回贮罐,被回收利用。 贮罐还设有溢流安全阀及液位计管口,以就地观测 液位并可向中控室实现液位高低限报警。 外罐与内罐之间珠光砂夹层充密封氮气,使其 维持微正压,保持珠光砂干燥。外罐顶部设置呼吸 阀,将夹层空间压力设定在一定范围内。 贮罐基础一般为架空式高台基础。内、外罐采 用锚栓(带)锚固在基础上。平底低温液体贮罐典 型结构如图1所示,流程图如图2所示。
6、 第3期 2006年5月 ? CRYOGENIC TECHNOLOGY No13 May 2006 ?1? ?2? 2 贮罐设计 211? 对于大型低温液体贮罐的设计,目前我国还没 有制订专门的技术标准。国外普遍采用美国石油学 会“API 620”标准作为设计和建造此类贮罐的技 术规范。“API 620”标准在使用中不断完善和补 充,当前“API 620”标准的最新版本为第十版, 其中附录Q适用于液氧、液氮和液氩平底常压贮 罐的设计,附录L用于贮罐抗震设计。 需要指出的是,“API 620”标准仅仅作为大型 常压低温贮罐设计和建造所应遵循的最基本的技术 要求,对于大型低温液体贮罐的设计、焊接工
7、艺要 求、施工方法、检验、水 气试验、清洗和吹扫等 还需要有更具体的技术要求。 212? 设计大型常压低温贮罐,首先要确定贮罐的基 本尺寸。在容积一定的条件下,如何合理选择直径 (D)和罐高(H ) , 使得贮罐既能满足低温液体顺 利输入贮罐并充满至设计液位,又能符合贮罐的经 济尺寸,节省造价,并满足工程设计设备平面布置 的要求,需要综合考虑。一般来说,液氧平底常压 贮罐的径高比(D/H)大一些,液氮贮罐的径高比 (D/H)小一些,这是由空分设备液氧抽口标高和 输液阻力决定的。 内罐设计液位以上的筒体高度必须保证地震时 液体不会飞溅到罐顶,该高度应大于抗震计算的晃 液高度或罐高的1 %。 32
8、 第3期张 敏:大型低温液体贮罐设计制造 213? 内罐的设计计算应考虑内压作用和外压作用。 内压作用为罐内所贮存介质充满至设计液位的液体 静压加上气相空间的压力。液位以上气相空间的设 计压力一般为几十千帕。壳体外压作用应考虑内、 外罐夹层最大压力值、珠光砂侧压力及内罐真空阀 设定值。罐顶外压作用应考虑夹层最大压力值、顶 部珠光砂静压以及内罐真空阀设定压力。 大型常压贮罐属于薄壁容器,“API 620”标准 规定贮罐壁厚的计算方法是基于薄壁理论建立的, 按“API 620”标准方法计算得到贮罐壁厚一般能 满足7级以下地震烈度的抗震设计要求。对于大型 低温液体贮罐内罐的设计,最好进行应力分析,特
9、 别对于安全性要求很高的贮罐,应力分析尤为重 要。在按“API 620”标准设计方法确定罐壁厚度 的基础上,建议按圆柱壳有力矩理论对罐壁进行分 析。有力矩理论考虑了实际罐壁存在的弯曲变形和 弯曲应力。 罐顶承压圈、罐底边缘板及内罐锚带设计是内 罐设计的重要环节。承压圈设计应满足抵抗压缩力 所需面积和水平投影宽度要求。底部边缘板设计应 满足抗震要求。内罐锚带设计应满足各种载荷条 件,其伸出绝热基础的长度也应满足要求。 罐底承受上方的液体压力及下方基础的支承 力,罐底的中间部分相当于一个铺在弹性基础上的 薄板,除基础有过大的沉陷外,其所受的应力是很 小的。罐底的边缘部分存在边缘应力。对于大型贮 罐
10、,应力分析计算结果表明边缘板应力水平较高。 边缘应力明显具有局部性质,它随着离开边缘 板与底圈罐壁连接处的距离的增加迅速减小。边缘 应力,是由于贮罐相邻部分薄膜变形不同以及连接 点的自身约束作用,即为了满足贮罐相邻部分之间 连续变形而产生的,因而边缘应力具有“自限性”, 即材料的局部屈服和少量变形,可使应力得到缓 和,并自动限制。因此罐底边缘板的边缘应力属于 二次应力。边缘板的强度校核可以用两倍的屈服极 限来进行校核。 罐底边缘板的径向弯曲应力不是定值,其随罐 内液位的高低而变化。边缘板与底圈壁板的连接处 由于罐内介质的装卸而存在低频高应力作用。 罐底的设计应与罐基础形式、地基条件和抗震 等因
11、素统一考虑。边缘板的宽度大小取决于地震设 计。边缘板并不是越厚越好,若边缘板相对罐壁过 厚,一方面其弯矩和剪力大大增加,对罐底受力不 利;另一方面增加了罐底造价。边缘板的厚度通常 不大于罐壁板的厚度。 用计算机进行下料排版设计,可以提高材料利 用率,精确下料,方便施工。 214? 外罐的作用是构成保温壳体。外罐设计和制造 按“API 620”标准进行,设计时考虑风载荷、雪 载荷及地震载荷,不考虑腐蚀裕度。设计内压为 015kPa加上珠光砂侧压力,设计外压为呼吸阀真 空设定值。 外罐至少应设计8只地脚螺栓。外罐底板的排 版方式以节省材料、方便施工和减少变形为原则, 可以不设置边缘板。 罐顶珠光砂
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