埋地式液化石油氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

齊曉娣 崔曉云 楊翠娟 張玉平 何燕彬 李建平 李昆東

（石家莊工大化工設(shè)備有限公司)

埋地式液化石油氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

齊曉娣*崔曉云 楊翠娟 張玉平 何燕彬 李建平 李昆東

（石家莊工大化工設(shè)備有限公司)

介紹了埋地式液化石油氣儲(chǔ)罐的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了論述。

液化石油氣 儲(chǔ)罐 地埋罐 設(shè)計(jì) 壓力容器

0 前言

以往液化石油氣 （LPG）站的儲(chǔ)罐都安放在地面上，但隨著人們對(duì)安全、環(huán)保等意識(shí)的增強(qiáng)，埋地罐 （也稱地埋式罐）將越來越廣泛地得到應(yīng)用。由于儲(chǔ)罐是埋在地下的，比地面罐受力狀況好，因此其防火、防爆性可靠，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，具有材料省、成本低等優(yōu)點(diǎn)。此外，還可使貯罐與貯罐之間及貯罐與相鄰建筑物之間的安全距離大大縮短，既減少了占地面積，也更安全。本文就地埋罐設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行論述。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

1.1 設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度

設(shè)計(jì)壓力是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下用以確定容器殼體壁厚的壓力，一般取設(shè)計(jì)壓力等于或略高于最高操作壓力。地埋罐由于其置于地面以下用沙土覆蓋，外部不加絕熱層，其操作溫度取決于環(huán)境溫度。環(huán)境溫度越低則操作壓力越低，反之亦然。對(duì)同一地區(qū)，地埋罐的環(huán)境最高溫度低于地面罐，其設(shè)計(jì)壓力也應(yīng)低于地面罐，因此其計(jì)算壁厚也比地面罐薄，從而可以節(jié)省原材料，降低制造成本。某地埋罐的操作參數(shù)如表1所示。

表1 操作參數(shù)

《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 （TSG R0004—2009）中的 “3.9.3常溫儲(chǔ)存液化氣體壓力容器的設(shè)計(jì)壓力”第 （2）條規(guī)定： “常溫儲(chǔ)存液化石油氣壓力容器規(guī)定溫度下的工作壓力，按照不低于50℃時(shí)混合液化石油氣組分的實(shí)際飽和蒸汽壓來確定，設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)圖樣上注明限定的組分和對(duì)應(yīng)的壓力；若無實(shí)際組分?jǐn)?shù)據(jù)或者不做組分分析，其規(guī)定溫度下的工作壓力不得低于表3-5的規(guī)定”。按上述規(guī)定，可取地埋式液化石油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為1.77 MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃。

1.2 腐蝕裕量

液化石油氣介質(zhì)為輕微腐蝕性介質(zhì)，按均勻腐蝕速率不超過0.1 mm/a考慮，設(shè)計(jì)使用壽命為10年，則腐蝕裕量定為1 mm。

1.3 裝量系數(shù)

《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（第3.13節(jié)）規(guī)定：儲(chǔ)存液化氣體的壓力容器應(yīng)當(dāng)規(guī)定設(shè)計(jì)儲(chǔ)存量，裝量系數(shù)不得大于0.95。故取裝量系數(shù)為0.9。

1.4 容器材料

根據(jù)液化石油氣地埋罐的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、介質(zhì)特殊性和操作特點(diǎn)以及材料的焊接性能、設(shè)備制造工藝、設(shè)備的經(jīng)濟(jì)合理性等，主材選用Q345R熱軋鋼板，符合GB 713—2008標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 容器類別

液化石油氣為易燃、易爆介質(zhì)，根據(jù) 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》附件A “壓力容器類別及壓力等級(jí)、品種的劃分”可知，液化石油氣屬于第一組介質(zhì) （A1.1（1）第一組介質(zhì)，毒性程度為極度危害、高度危害的化學(xué)介質(zhì)，易爆介質(zhì)，液化氣體。）；故按該監(jiān)察規(guī)程的 “A1.3.1圖A-1”，可確定該壓力容器類別為Ⅲ類 （P=1.77 MPa，V=40 000 L）。

1.6 最大允許工作壓力

該設(shè)備裝有安全閥，且需要進(jìn)行氣密試驗(yàn)。根據(jù) 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（第3.24節(jié)）規(guī)定：對(duì)于帶有安全閥、爆破片等超壓泄放裝置的壓力容器，如果設(shè)計(jì)時(shí)提出氣密性試驗(yàn)要求，則設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)給出該壓力容器的最高允許工作壓力。

GB 150附錄B“超壓泄放裝置”中第B2.1條對(duì)最大允許工作壓力做出了定義： “最大允許工作壓力系指在設(shè)計(jì)溫度下，容器頂部所允許承受的最大表壓力。該壓力是根據(jù)容器各部分殼體的有效厚度計(jì)算所得，且取最小值”。

該設(shè)備經(jīng)SW6—1998（過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件包）計(jì)算得:筒體厚度為16 mm，封頭厚度為18 mm，鋼板負(fù)偏差為0.3 mm。因此，筒體最大允許工作壓力Pw為：

式中 δe——圓筒或封頭的有效厚度，mm；

[δ]t——設(shè)計(jì)溫度下圓筒或封頭材料的許用

應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)；

Di——圓筒的內(nèi)直徑，mm。代入數(shù)值得：

同理，封頭的最大允許工作壓力Pw為：

式中K——橢圓封頭的形狀系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)封頭K=1.0。

代入數(shù)值得：

本設(shè)備所選管法蘭公稱壓力為25 MPa，材質(zhì)為20Ⅱ，查得在50℃時(shí)法蘭材料的最大允許工作壓力為2.25 MPa。

經(jīng)比較，取液化石油氣儲(chǔ)罐的最大允許工作壓力Pw=2.125 MPa。

然后，再次用SW6在最大允許工作壓力下對(duì)容器強(qiáng)度進(jìn)行全面校核。

1.7 安全閥的動(dòng)作壓力

根據(jù) 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（第3.9.2款）規(guī)定，對(duì)于設(shè)計(jì)圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器，允許超壓泄放裝置的動(dòng)作壓力不高于該壓力容器的最高允許工作壓力，故取安全閥的動(dòng)作壓力為1.9 MPa。這樣取值可以充分利用壓力容器的實(shí)際承載能力，在保證安全的基礎(chǔ)上，避免超壓泄放裝置頻繁動(dòng)作，既利于穩(wěn)定生產(chǎn)，又不浪費(fèi)物料，還避免了環(huán)境污染。

2 埋地臥式容器的設(shè)計(jì)計(jì)算

埋地臥式容器與一般臥式容器相比，除承受介質(zhì)內(nèi)壓和物料質(zhì)量的作用外，還受到地面混土層質(zhì)量或混土層上鋪有的混凝土面層質(zhì)量的作用，以及可能有的地下水浸沒對(duì)筒體產(chǎn)生的浮力作用。由客戶提供的資料可知，該埋地臥式容器由干粗砂直接填埋，干粗砂上無混凝土面層；且容器填埋位置在最高水位之上，故不必考慮被水浸沒時(shí)的浮力作用。

2.1 混土層對(duì)圓筒體的靜壓力

埋地臥式容器上的混土層 （干粗砂）的質(zhì)量將增加圓筒體及支座的負(fù)荷，使圓筒體承受附加外壓。在距地面以下深H的a-a水平截面上，混土層質(zhì)量對(duì)圓筒體作用的豎向壓力為：

式中 γ——干粗砂層密度，kg/m3；

H——容器上任一點(diǎn)A到地面的距離，m；H=H0＋Ro（1-sinθ）

H0——圓筒頂至地面的距離，m；

Ro——圓筒外徑，m。

在深度H上同時(shí)還存在由混土層質(zhì)量引起的作用于圓筒體上的側(cè)向壓力為：

式中K0——混土層的側(cè)壓系數(shù)，K0=0.25～0.33。

對(duì)半徑為Ro的臥放圓筒體，在距地面深H點(diǎn)A處筒體表面的法向壓力為P，它是由Pv、Ph產(chǎn)生的 （見圖1）。

令該點(diǎn)三角單元體的斜邊長(zhǎng)為d1，則有：

由上式可見，最大法向壓力發(fā)生在θ=90°的圓筒頂點(diǎn)。

為計(jì)算方便，取該法向壓力乘以1.2～1.4系數(shù)作為埋地臥式容器受土體重力作用而產(chǎn)生的外壓，即：

在埋地外壓為P0的情況下對(duì)臥式容器進(jìn)行全面強(qiáng)度校核，該設(shè)備校核合格。

2.2 混土層 （干粗砂）對(duì)圓筒體的附加載荷

把埋地臥式容器上方的干粗砂等質(zhì)量視為附加載荷作用在臥式容器上，計(jì)算軸向彎矩及支座反力。

由混土層的質(zhì)量引起的支座附加反力為：

式中L——封頭切向間距，m，L=6.6 m；

h1——封頭曲面高度，m，h1=0.65 m。將數(shù)據(jù)代入上式得：

在進(jìn)行鞍座強(qiáng)度計(jì)算時(shí)要考慮此力的影響。

3 結(jié)束語

本文主要就埋地式液化石油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)的確定以及混土層對(duì)圓筒體產(chǎn)生的靜壓力和附加載荷的計(jì)算等問題進(jìn)行了詳細(xì)的說明。由于尚無完整的設(shè)計(jì)資料，本文只是結(jié)合現(xiàn)有資料進(jìn)行了闡述總結(jié)，希望引起同仁的注意，使埋地式儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)更進(jìn)一步完整化、規(guī)范化。

埋地式液化石油氣儲(chǔ)罐對(duì)盛裝的易燃、易爆介質(zhì)具有可靠的防火、防爆能力。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，節(jié)約材料，節(jié)約占地面積，因而制造成本有所降低。此外，埋地式儲(chǔ)罐比地面儲(chǔ)罐受力狀況好，更安全可靠。

[1]TSG R0004—2009.固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2]GB 150—1998.鋼制壓力容器 [S].

[3]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程 [M].北京：新華出版社，2005.

Design of Underground LPG Tank

Qi XiaodiCui Xiaoyun Yang Cuijuan Zhang Yuping He Yanbin Li Jianping Li Kundong

This paper introduces the characteristics and design of underground LPG tanks,and discusses some promblems that should be paid attention to during design.

LPG;Tank； Underground tank； Design;Pressure vessel

TQ 053.2

*齊曉娣，女，1979年生，工程師。石家莊市，050031。

2011-07-27）