大型球罐設計要點分析

李彩霞，付慶端

（眾一阿美科福斯特惠勒工程有限公司廣西分公司，廣西北海 536000）

近年來我國石油生產規(guī)模逐步提高，生產以及儲運過程中對原材料以及成品油和相關產品的儲運規(guī)模需求逐步加大，傳統(tǒng)儲存罐受其占地規(guī)模較大、制造成本高以及儲存效率較低限制，不能滿足現(xiàn)有生產需求，而儲存效率更高以及占地面積更小的大型球罐優(yōu)勢得以體現(xiàn)。本文針對油田常用大型球罐設備的結構展開研究，分析其設計中存在的難點和關鍵點，并進行了出總結。

1 球殼的特點

現(xiàn)階段油田生產儲運過程中使用的大型球罐球殼結構種類較多，但應用最為廣泛的主要分為足球瓣式、桔瓣式和混合瓣式三種。不同類型的球殼具有不同的特性，應用于不同的使用環(huán)境以及介質儲存工作中。其中，足球瓣式球殼結構一般應用于體積和額定容量較小的球罐設備中，在我國油田中此類結構應用較少。桔瓣結構是利用經線將球體分割，在相鄰的兩條經線進一步分割為球殼板。該結構有效解決了足球瓣球殼結構球罐在制造中焊接混亂，焊接工藝要求高的弊端，桔瓣結構焊縫規(guī)則，組裝難度低，也適用于大型球罐的制造。但其弊端也十分明顯，大量不規(guī)則的拼裝結構決定了其制造尺寸難以統(tǒng)一，在后期的維護維修工作中，配件更換難度較高，鋼板利用率也較低，因此此類結構在我國應用較少。混合瓣式結構是我國油田中現(xiàn)階段應用最為廣泛的大型球罐結構之一，混合瓣式結構是結合足球瓣結構和桔瓣結構的優(yōu)點，并對其主要弊端進行了優(yōu)化，上下級板采用足球瓣式，而赤道和溫帶選擇桔瓣結構，在滿足維護維修以及強度需求前提下，最大限度地簡化了球體的焊接結構。目前我國在混合瓣式球罐的制造中積累了豐富的經驗和研究成果，綜合技術水平十分成熟。

2 球罐支座形式和其特點

球罐支座是球罐的承載結構也是基礎結構，用于支撐球罐本體重量以及儲存介質的重量，現(xiàn)階段使用較多的結構有支柱型結構、裙座式結構、半埋式結構和v 型支撐結構四種，不同的結構有不同的承載范圍以及適用球罐類型。其中，支柱型結構應用最為廣泛，該結構采用赤道位置正切支柱型的承載結構，根據球罐大小以及承載需求由多根承載柱分布于球罐的赤道周圍，其中心線與球殼內壁相切，同時為了提高支撐結構的穩(wěn)定性以及應對臺風、地震等自然災害的需求，承載柱中間由拉桿進行二次連接和加固，該結構受力均勻，熱脹冷縮的承受空間較大，同時調節(jié)工作十分便捷，但受其整體結構重心較高決定，其穩(wěn)定性相比其他結構較差。該結構根據支柱與球體連接處是否存在墊板結構細分為帶板連接和無板連接兩種，其中墊板結構可以分散支柱位置的應力，但其進一步增加了支撐高度，穩(wěn)定性也有所降低，因此無墊板結構的柱形支撐座應用最為廣泛。大型球罐支柱型支座結構以及實物如圖1、圖2所示。

圖1 大型球罐支柱型支座結構設計圖

圖2 大型球罐支柱型支座實例圖

3 大型球罐設計的技術要點總結

3.1 選材

傳統(tǒng)儲油罐大量使用Q345R 低合金鋼板，但其許用應力較低，不能滿足大型儲油罐設備的強度設計需求，同時抗硫化氫腐蝕能力較弱的弊端也決定了其在油田生產過程中應用的局限性。因此，大型儲油罐的儲存介質中若含微量或無硫化氫推薦采用 07MnMoVR 鋼材，07MnMoVR 是高強鋼，能夠有效降低球殼板的厚度，設備整體成本造價比較低；采用07MnMoVR 材料時，應根據 GB12337—2014的要求來增加對該板的各項檢測和試驗技術要求，相應地，上支柱與支柱蓋選用07MnMoVR 鋼板，接管和法蘭選用08MnNiMoVD 鍛件，焊接材料選用良好的低溫韌性和抗裂性能的超低氫堿性焊條J607RH。但對于含有硫化氫介質的大型油罐，建議選用低合金鋼Q370R，Q370R的強度比Q345R高，耐硫化氫腐蝕性能又比07MnMoVR好，而且Q370R具有良好的焊接性能，因此是在此工況下的一種比較理想的材料；對于Q370R殼體的球罐，上支柱與支柱蓋采用 Q370R，接管和法蘭采用強度與之相匹配的20MnMo 鍛件，焊接材料推薦采用J557RH。

3.2 結構設計

3.2.1 總體結構設計

球罐的結構設計應基于球罐的實際用途以及預期儲存容量進行設計，在滿足上述要求的前提下最大限度減少焊縫長度從而實現(xiàn)球罐設備的使用安全性以及使用穩(wěn)定性。其中分帶數和分帶角度是設計要點，首先根據球罐的性能需求以及確定鋼板材料長度以及柔韌性需求，球心角應選擇最大的赤道帶，同時球殼板的寬度應設定統(tǒng)一嚴格的標準，確保球殼板尺寸合規(guī)一致，提高材料的利用率。根據以往我國油田大型球罐的設計經驗，一般5000m3以上的球罐應最細選擇4帶10柱的設計結構，以確保其使用安全性，10000m3以上的球罐應選擇4帶14柱的結構，15000m3的特大型球罐應選擇5帶16柱的設計方案。

3.2.2 支柱及支柱上零部件的設計

其一，在支柱軸向穩(wěn)定性的核對考量工作中，應基于球罐的實際使用環(huán)境判斷最終的受力參數，充分考慮球體的軸向作用力也要考慮彎矩作用。其二，為了提高球罐設備的強度和使用穩(wěn)定性，同時提高球罐的預期使用壽命，在支柱厚度的設計中應在滿足強度和安全性需求的前提下，最大限度降低支柱厚度；其三，支柱帽厚度不用過高，一般取支柱壁厚的一半為最佳厚度。其四，支柱重心與翼板中心距離設計時，在考慮其整體的承重結構外，也應對其防火層的厚度進行充分考量后制定。

3.2.3 人孔、接管及附件的設置

在球罐制造過程中，受制造工藝以及后期維護維修工作需求考慮，一般會在上下級板位置各設置一個人孔，以便工作人員進入球罐內部，同時球罐上下部性需要安裝安全閥門以及淋噴裝置應對火災的發(fā)生。淋噴裝置的型號選擇以及安裝位置選擇應充分考慮球罐形狀，確保淋噴范圍和淋噴量滿足防火救火以及冷卻需求。同時為了便于工藝操作以及控制，接管的位置盡量集中在上下極板位置。

4 結束語

大型球罐的設計中，首先要充分考量球罐的性能標準和安全級別，其次應考慮建設成本，很多設計單位采用應力分析軟件來分析支柱對球殼的局部應力，而確定最終壁厚，因此，在進行大型球罐設計時，材料選擇、結構選擇、球殼壁厚和支柱零部件尺寸的確定都是極其關鍵的。