低溫液體立式儲罐的設計計算

邱國洪，錢紅華

低溫液體立式儲罐的設計計算

邱國洪，錢紅華

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司，江蘇 張家港 215632）

針對采用內外裙座的組合支撐形式的低溫液體立式儲罐的結構特點，對此類產品的內容器、外殼以及內、外裙座在滿載及地震工況條件下的設計載荷等方面展開詳細深入研究，探索較為可靠、合理的計算方法，保證設備整體的安全性和經濟性。

內裙座；外裙座；內容器; 外殼

儲存液氧、液氮、液氬介質的立式儲罐采用的是雙層殼體結構，設計其夾層和外部的支撐結構時，應綜合考慮內容器、外殼和內外支撐結構的強度，選擇合適的夾層支撐和外部支撐形式。行業內對這類產品采用的支撐形式一般有以下兩種：一種是夾層內部采用側壁鋼管和橫拉帶組合的支撐形式，外部采用支承式支座的支撐形式；另一種是夾層內部采用橫拉帶和豎吊帶組合的支撐形式，而外部則采用裙座的支撐形式。近幾年隨著國民經濟的高速發展，存儲規模越來越趨于大型化，公司每年均會承接到容積達到200 m3以上的低溫液體立式儲罐訂單30余臺，用戶對于設備的抗震和抗風設計的指標要求也比較高，顯然，常規的內外支撐結構形式已不能滿足這些大型儲罐的承載要求。因此，選取了承載能力較高的裙座作為這些設備的夾層支撐和外部支撐元件。由于低溫液體立式儲罐的結構與單層殼體容器存在較大差異，設計人員對于容器殼體和裙座的受力分析和計算方法不能很好地把握。本文基于張家港中集圣達因低溫裝備有限公司某項目200 m3立式儲罐，提出較為科學合理的設計計算方法。

1 儲罐結構形式介紹

200 m3立式儲罐結構為立式雙層金屬殼體結構，內容器、外殼之間填充了膨脹珍珠巖，內容器主體由圓形的內筒體和兩端的標準橢圓形封頭組成，外殼主體由圓形的外筒體和兩端的THA碟形封頭組成。內容器通過內裙座支撐在外殼的外底封頭內壁上，內容器的內底封頭與內裙座的連接采用對接焊接形式，內裙座殼體的內徑與相連的內底封頭內徑相等，內裙座殼與內底封頭之間為連續焊，且為全焊透結構。外裙座支承在外底封頭外壁上，且外裙座殼體的中徑與內裙座殼體的中徑對齊。外裙座殼底部設置有墊板、環形蓋板、筋板、基礎環板。儲罐整體結構見圖1。

圖1 儲罐結構示意圖

2 儲罐壁厚計算

用戶提供的儲罐設計條件如表1所示。

設計時，根據內容器的幾何容積及夾層管線的規格確定了比較合理的長徑比和夾層空間，將內容器和外殼的尺寸分別設計為DN 3 300 mm×22 205 mm、DN 3 900 mm×24 905 mm。為了降低產品成本，對內筒體采用了分段設計的方法，按照ASME第Ⅷ卷第1冊的規定，得到內容器每一元件的設計壓力、設計厚度和殼體壁厚，各元件的厚度數據見表2。

表1 儲罐設計條件

表2 殼體壁厚

3 水壓試驗時內筒體的應力校核

基于ASME第Ⅷ卷第1冊UG-99的規定，按內壓設計的內容器在進行水壓試驗時，任一點的壓力至少應等于最大許用工作壓力的1.3倍[1]。因此，內容器與外殼組裝前，立置時內容器的水壓試驗壓力至少應為0.58 MPa。對于立式儲罐采用臥置進行水壓試驗時，水壓試驗壓力還需計入立置試驗時的液柱靜壓力0.24 MPa[2]，因而臥置進行水壓試驗的試驗壓力至少應為0.82 MPa。

同時，根據用戶要求，立置水壓試驗條件下內容器底部的壓力載荷不得低于其在內容器氣相空間壓力達到爆破片裝置的設計爆破壓力時承受的壓力，按公式（1）計算得到該壓力為0.87 MPa。為了不降低各受壓元件的任一點在試驗條件下的應力水平，臥置進行水壓試驗的試驗壓力也應不低于0.87 MPa。

式中：p—立置水壓試驗條件下內容器底部的壓力載荷，MPa；

—爆破片裝置的設計爆破壓力，MPa，=0.456 MPa（用戶PID設定值）；

△—額定充滿率時液氬的液柱靜壓力，MPa，△=0.31 MPa。

臥置進行水壓試驗時的液柱靜壓力按公式（2）計算：

p=×1 000×9.81÷106（2）

p≈0.033 MPa

式中：—內容器內直徑，=3 300 mm。

校核各受壓元件在水壓試驗條件下的應力水平時，內筒體所取得壁厚應扣除鋼板的壁厚偏差0.3 mm及腐蝕裕量，內封頭所取的壁厚應為封頭最小成型厚度，所取的壓力還應計入液柱靜壓力0.033 MPa，即0.903 MPa。按照UG-27及UG-32內壓殼體的壁厚計算公式，得到表3所列的內容器各受壓元件在水壓試驗時的最大總體薄膜應力值，該薄膜應力不得超過材料Rp0.2的90%。

表3 各受壓元件的最大總體薄膜應力

針對水壓試驗時上段內筒體的環向薄膜應力水平超標的情況，對材料的屈服強度作了合理的調整。鑒于PV Elite軟件允許由用戶在材料特性窗口中手動輸入材料的屈服強度和水壓試驗時材料的許用應力[3]，且內容器用鋼板是同時滿足SA-240M 304、GB/T 24511和EN10027-8三個標準的材料，因此在PV Elite軟件中將上段內筒體材料的屈服強度提高至GB/T 24511—2017的Rp0.2規定值220 MPa，水壓試驗時的許用應力也相應地提高至198 MPa，據此判定上段內筒體的壁厚能滿足水壓試驗工況。

4 外筒體下端應力校核方法

外筒體下端的壓應力由真空-0.1 MPa軸向應力、該截面以上的操作質量和垂直地震力引起的軸向應力以及該截面處的地震彎矩引起的軸向應力疊加而成。在應用PV Elite軟件進行外筒體應力校核時，首先按習慣做法，采用與單層容器的地震載荷計算方法一樣，將內容器質量及液氬質量全部加載進參與地震載荷計算的質量中去，這時外筒體下端的組合壓應力超過了許用軸向壓應力，導致外筒體下端的壓應力校核無法通過。

為了解決這一問題，對該儲罐的內容器和外殼的設計載荷和壓應力計算結果進行了分析。研究發現，外筒體下端的地震彎矩引起的軸向應力占據了組合壓應力的大部分，對參與外筒體地震載荷計算的質量考慮得過于保守。由于該產品在結構上與單層殼體容器（如塔式容器）存在較大的差異，內容器與外殼是兩個獨立的殼體，因此，不必將內容器和液氬的質量計入參與外筒體地震載荷計算的質量中。當PV Elite的外殼模型中移除這兩部分質量后，外筒體下端截面處地震彎矩引起的軸向應力則得到了明顯下降，其壓應力被有效控制在許用軸向壓應力范圍內。

5 外裙座殼等元件的強度計算

與外筒體不同的是，外裙座殼承載了整臺設備上所有零部件和液氬的質量。對于外底封頭以下的外裙座殼體、基礎環、蓋板、筋板和地腳螺栓的強度計算，需在PV Eliet軟件中另外建立模型，并考慮內容器和介質的質量。

6 結論

殼體應力校核和裙座殼、基礎環、蓋板和地腳螺栓的強度校核是裙座式支撐低溫液體儲罐計算內容的重要組成部分。從事儲罐設計的工程技術人員只有較準確地對儲罐各個零部件的受力情況作出正確的判斷，才能更好地保障儲罐的安全性和經濟性。

［1］Feldstein J G, Chair, et al. ASME Boiler and Pressure Vessel Code An International Code Ⅷ RULES FOR CONSTRUCTURE OF PRESSURE VESSELS Division 1［S］. ASME Boiler and Pressure Vessel Committee on Pressure Vessels，2019．

［2］壽比南，李世玉，楊國義，等．GB/T 150.1~150.4—2011壓力容器［S］. 中國國家標準化管理委員會，2012.

Design Calculation of Cryogenic Liquid Vertical Storage Tank

,

(Zhangjiagang CIMC Sanctum Cryogenic Equipment Co., Ltd., Zhangjiagang Jiangsu 215632, China)

In view of the structure characteristics of the cryogenic liquid vertical storage tank with the combination of internal and external skirt supports, the design loadsof container, shell and internal and external skirt under the working conditions and earthquake condition were in-depth studied, and more reliable and reasonable calculation method was explored to ensure the overall safety and economy.

Inner skirt; Outer skirt; Inner container ;Shell

2020-08-03

邱國洪（1976-），男，工程師，江蘇省張家港市人，1998年畢業于西安理工大學，研究方向：低溫容器及配套設備研發。

TQ050.2

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1004-0935（2020）12-1519-03