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1、书书书 大型储罐加强圈设计 张艳春 于国杰 杜国强 李东芳 邓记松 邓 婷 ( 海洋石油工程股份有限公司) 摘 要 大型储罐是液化天然气储运过程中的重要设备, 加强圈是大型储罐的重要组成 部分, 它们能提高和保证大型储罐的安全性与抗失稳能力。而与 大型储罐加强圈相关的设 计在国内的工程实例较少。本文借鉴常用的国际标准, 讨论 大型储罐不同部位加强圈的设 计方法, 为以后在大型储罐加强圈设计方面提供参考依据。运用所讨论的设计方法并结合国内某 接收终端项目的基础数据, 对 储罐加强圈进行设计计算, 得出的结果与参考项目吻合较 好。 关键词 液化天然气( ) 大型储罐 加强圈 惯性矩 设计方法 :
2、随着 产业的发展, 储罐的安稳运行 是保持整个 接收站正常运行的关键。加强圈 是 储罐极为重要的一部分, 如何针对不同因 素的影响, 进行合理设计, 对于储罐整体的安全运作 有着至关重要的作用。对于大型 储罐, 当罐 内为空时, 在储罐内部安装加强圈可以抵抗罐外的 挤压, 减小圆筒的计算长度,提高抗失稳能力。此 外减小计算长度的方法比增加壁厚更能节省材料, 同时还可减轻储罐整体重量 。本文将分析大型储 罐加强圈的设计方法, 并结合国内某 接收终 端项目, 验证本文讨论方法的可靠性, 为今后 储罐加强圈设计提供参考依据。 加强圈设计 大型 储罐, 一般直径 , 高度 , 容积达十几万立方米左右,
3、 对于这样 的大型储罐, 由于罐壁较薄, 并且主容器和次容器之 间装有保温材料, 当 储罐空时, 对内罐形成挤 压, 造成局部失稳变形。在储罐内部安装加强圈可 以抵抗罐外形成的挤压, 提高储罐的抗失稳能力。 加强圈应有足够的抗拉强度, 常用扁钢、 角钢、 工字钢、型钢或者其他型钢制成, 最基本的要求就 是加强圈的实际惯性矩大于所需最小惯性矩。本文 研究储罐为双容器储罐, 加强圈位于内罐, 不考虑风 速影响。对于大型敞口式全容积罐, 其包括顶部加 强圈, 中间筒体设置中间加强圈, 在罐底处有底部加 强圈, 其中采用的加强圈材质为 钢。本文将 逐一介绍各部位的加强圈的设计方法。 上部加强圈设计 选
4、择加强圈初定截面尺寸, 计算比较所需惯性 矩 与组合惯性矩,然后反复试算, 直至, 且较接近为止。 中间加强圈的设计 加强圈个数的确定 加强圈的数量可通过分析风力和内部负压确定 罐体当量计算长度来确定。在大多数情况下, 加强 圈位于罐壁顶圈板, 或位于具有相同厚度的圈板上, 如果不在这些位置, 应将当量罐壁板高度转换为实 际值来确定。根据 石油工业立 式钢制焊接油罐( 对接焊壳体) 推荐的方法 : 式中:为系数; 为设计风速,;为设 石 油与天然气化工 第 卷 第期 计真空度, ;为最小壁厚时加强圈最大允许 间距,; 为罐直径,; 为顶圈壁板厚度,; 为当量筒体总长度,。 由于 (), 所需加
5、强圈数量 个。 加强圈当量计算长度的确定 中间加强圈的间距: 罐壁厚度变化时, 可以使用 罐壁反变形换算法确定不同壁厚中间环形加强圈的 间距。加强圈之间的等效高度( 间距) 按以下公式计 算: ( ) 槡 式中: 为依次排定的每圈壁板的厚度,; 为排在最上一圈壁板的厚度,;为每圈壁 板的厚度为 时的等效稳定高度,;为每圈 壁板的高度,。 加强圈位置的确定 依据准则: ( )两个加强圈之间的距离小于允许的最大加 强圈间距; ( )加强圈与水平焊缝之间的最小距离应为 。 中间加强圈截面选择 ( )中间加强圈所需惯性矩 : () 式中: 为安全系数;为外压;为与两侧 相邻的加强圈间距之和的一半; 为
6、筒体外径;为 弹性模量;为节点数。 ( )组合惯性矩 矩形截面加强圈与壳体有效段组合截面见图 。以为组合截面中性轴, 则组合惯性矩为: () 式中: , 为加强圈惯性矩, ; 为圆筒起加强作用部分的惯性矩, ; 为圆筒起加强作用部分( 组合段) 的面积, ; 为加强圈有效截面积, ; 为加 强圈截面有效高度; 为加强圈有效厚度;为壳 体的有效厚度; 为形心轴矩;为组合截面 的形心轴矩。 ( ) , 为加强圈两侧筒 体有效段宽度之和, 以上单位均为 。若加强圈 中心线两侧壳体的有效段宽度相重叠, 则该壳体的 有效段宽度中相重叠部分每侧按一半计算。 ( )组合截面形心轴矩。 () ( )选择加强圈
7、初定截面尺寸, 计算横截面积 和实际组合惯性矩, 按照( ) 、 () 中公式计算比较 与,然后反复试算, 直至, 且较接近为 止。 底部加强圈设计 大型储罐加强圈设计 在设计底部加强圈时, 先考虑筒体以及环形边 缘板能提供的惯性矩是否满足所需惯性矩要求, 如 果满足, 则不需要增设加强圈; 如果不满足, 需要设 置加强圈, 其计算方法同样为: 选择加强圈初定截面 尺寸, 计算比较所需惯性矩 与组合惯性矩, 经 过反复试算, 直至 , 且较接近为止。图为环 形边缘板的截面形式。 设计实例 设计参数 例子: 国内某 接收终端内罐顶敞开式储 罐加强圈设计计算, 示意图如图所示。基本参数: 储罐的直
8、径为 , 高度为 , 有 圈高度 为 的壁板, 壁厚分别为 、 、 、 、 、 、 、 、 和 , 设计风速为, 设 计真空度 , 时弹性模量为 , 内部加强圈的许用压力 。 上部加强圈计算 上部加强圈采用 型加强圈, 离储罐顶部距离 为 , 表为顶部加强圈计算结果。 由表计算结果可知,型加强圈截面尺寸为: 加强圈腹板宽度 , 加强圈腹板厚度 , 加强圈翼板宽度 , 加强圈翼板厚度 , 经计算校核加强圈与壳体惯性矩设计值大于 所需惯性矩, 因此设计合格。 表 上部加强圈计算结果 计算数据表单符号单位输入值 加强圈腹板宽度 加强圈腹板厚度 加强圈翼板宽度 加强圈翼板厚度 加强圈与壳体组合段所需惯
9、性矩 加强圈与壳体的惯性矩设计计算值 中间加强圈计算 中间加强圈当量计算长度的计算 由 中的当量计算长度的公式, 在不同壁 厚情况下, 计算所得当量计算长度如表所示。 表 圈壁板当量计算长度 圈板编号圈壁板高度,壁厚, , 中间加强圈个数计算 , , , 由于 , 故需个加强圈。 中间加强圈位置 ( ) 中间加强圈位置。加强圈分别位于 、 、 、 和 , 经计算分别位于距等效 罐壁顶端 、 、 、 和 的位置。 表 中间加强圈位置 加强圈编号 加强圈与顶端距离, 加强圈所在圈板编号 ( ) 位置合理性的验算: 依据 加强圈位置 确定依据准则, 经过验算之后, 经圆整取各加强圈与 石 油与天然气
10、化工 第 卷 第期 顶端高 度 分 别 为: , , , , 。表为中间加强圈 位置。 中间加强圈截面选择 利用 中的计算方法, 其中, 得到的各个加强圈相关计算值如表所示。 表 各个加强圈相关计算值 计算数据表单符号单位加强圈加强圈加强圈加强圈加强圈 加强圈惯性矩 圆筒起加强作用 部分的惯性矩 加强圈所需惯性矩 组合惯性矩 由表中的计算值可知, 所得, 因此所选 的加强圈截面尺寸合适。考虑到筒体材料的壁厚, 选取扁钢的截面尺寸形式如表所示。 表 扁钢截面尺寸 加强圈编号 加强圈 加强圈 加强圈 加强圈 加强圈 截面形式, 底部加强圈计算 底部所需惯性矩: () 其中, , , 。底部 边缘板
11、的截面布置形式如图所示, 其自身所能提 供的惯性矩 , 因此不需要格外 增设加强圈。 结 论 ( ) 分析讨论大型 储罐不同部位加强圈 的设计方法。对诸如 储罐加强圈的个数、 安 装位置、 截面形状以及惯性矩等进行设计校核, 得出 合理设计的加强圈。 ( ) 以国内某大型 接收终端项目的基础 数据为例, 运用本文讨论的设计方法进行设计计算, 计算结果与参考项目的计算结果吻合较好, 证明该 设计方法的可靠性。 参 考 文 献 刘志军, 喻建良, 李志义 过程机械 北京: 中国石化出版社, , , , , , , , , , , 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 作 者 简 介 张艳
12、春:女, 年生, 工程师, 部门室主任。现在海洋石油工 程股份有 限 公 司 从 事 机 械 工 作。 电 话: ( 办 公) , ( 手机) 。 : 。地 址: ( ) 天津市塘沽区丹江路 号海洋石油工程股份有限公 司设计公司机械设计部 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 。 收稿日期: ;编辑: 康 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 莉 下 期 要 目 高温高压凝析气藏气相中水含量计算新方法 基于 模型的苯乙烯邻二甲苯体系汽液相平衡 数据的预测 铜片腐蚀原因分析及解决方案研究 焦化蜡油络合脱氮催化裂化组合工艺研究 清洁汽油生产工艺 技术及其操作要点与先进性探讨 重
13、质原油电脱盐影响因素分析及操作条件优化研究 连续重整装置的标定 聚合物吸附滞留规律及性能变化研究 石南 井区低渗透油藏弱冻胶深部调剖技术的研究 含聚污水对驱油效率影响实验评价 环江油田抗高矿化度压裂液体系研究 新型注水用杀菌剂的研制与应用 氮气泡沫驱油用起泡剂的筛选与评价 锦州原油降凝剂的研究 耐高温降失水剂的合成及性能 研究 汽油的化学组成与理化性质的定量关系研究 粉末射线衍射法鉴定德士古重油气化炉炉渣中晶体物 相 三元复合驱污水动力学稳定性机理研究 电导率对钻井液抑制及环保性能影响分析 榆林某气田污水回注井堵塞原因分析 浅析酸性天然气集输管道失效特性 广西石化公司节能降耗初探 大型储罐加强圈设计 书书书 , , , ( , , , ) , , , , ( , ) : ( ) , , : ( ) ; ; ; ; , ( , ( ), , ) , , , , ( , ) : , , , , , , , ( ) : ; ; , ( , , ) , , , , ( , ) : , : ; ; , ( , ) , , , , ( , ) : , , , , : ; ; ; , ( , , ) , , , , ( , ) :
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