淺談大型低溫液體臥式貯罐的設計

朱國忠 施喜昌 王雪菲 顧春虎 薛林 尤亞鋒 楊陽

摘要：本文是通過多年的設計經驗，對先前設計的產品在經驗上進行歸納和總結，旨在解決對大型低溫液體臥式貯罐設計迷茫的同仁提供幫助，探索合理的、可靠的設計及計算方法，保證設備的安全可靠及經濟性。

關鍵詞：大型低溫液體臥式貯罐 內外支撐結構 強化設計 鞍座設計

Abstract： This article is based on many years of design experience to summarize and conclude the past product design experience， in order to solve the doubts of large cryogenic horizontal liquid tank from colleagues. This discussion provides reasonable mapping、reliable design、and calculation methods to ensure the safety and economic of the equipment.

Key words： large cryogenic liquid horizontal storage tank、internal and external support structure、 reinforcement design、saddle design.

導言：隨著國民經濟的高速發展，目前市場上需求的大型低溫液體貯罐逐漸增多，但是大型低溫液體貯罐的設計、工藝、制造經驗缺乏。在設計方面，缺乏大規格管線柔性設計、鞍座設計、支撐結構的設計經驗;在制作方面，缺乏大型貯罐的強化試驗、套裝、填砂等制作經驗，本文基于我司350立方臥式貯罐為例，講述大型臥式低溫液體貯罐設計及計算方法、難點及創新點。

1.350m?LNG液罐概況

350m?LNG液罐是由一個碳鋼真空外殼和一個置于其中的壓力容器組成，內容器由圓形筒體與兩個標準橢圓形封頭組成，外殼主體由圓形筒體和兩個THA蝶形封頭組成，內容器與外殼之間夾層內充填了膨脹珍珠巖，之間依靠八個玻璃鋼支撐進行定位及固定，外殼外玻璃鋼支撐位置處安裝兩個固定式鞍座用于貯罐的運輸、安放固定，此罐主要用于裝載LNG液化天然氣，是我司目前開發最大的應變強化貯罐，此罐基本參數如下：

2 貯罐的主體設計

此罐的設計、制造及驗收按照ASME 鍋爐及壓力容器規范 Ⅷ卷 第一冊、附錄44并同時符合相關行業標準的要求。

設計時，內容器及外殼直徑選擇了比較合理的長徑比，為了降低產品成本，對內容器采用了應變強化的技術，根據ASEM規范附錄44選用SA-240 304選用的許用應力，根據ASME規范 UG27、 UG32公式進行計算內容器的壁厚，應變強化技術使內容器的壁厚減少很多，使貯罐整體成本下降，外殼按照ASEM規范常規設計計算。

3 貯罐的強化設計

按照ASME 鍋爐及壓力容器規范 Ⅷ卷 第一冊、附錄44要求，強化試驗壓力為1.5倍的設計壓力，強化壓力值為1.32MPa。此罐的關鍵設計就在與于強化試驗，試驗時有如下困難：強化試驗時需要將內容器充滿水，不包括容器的重量光試驗介質水的重量就需要350噸，在試驗前首先需要考慮試驗場地是否可以承受這么大的載重量，后通過理論計算在壓力試驗場地鋪設60mm碳鋼板材，保證壓力試驗時不會存在地基塌陷風險。強化試驗時，試驗鞍座的放置位置是否合理，內筒體由于與壁厚薄，支撐位置局部用力問題，利用應力分析軟件，對350立方貯罐應變強化水壓試驗模擬建模，進行應力分析計算，理論計算應變強化試驗，再根據實際情況合理布置鞍座，包括鞍座的設置間距、材質及數量要求，保證了試驗的正常進行。校核各受壓元件在水壓試驗條件下的應力水平時，各受壓元件的厚度應取最小成型厚度，在計算時，所取壓力應考慮計入液注靜壓力，計算的薄膜應力不得超過材料的屈服強度的90%。如下現場強化圖片1與應力分析圖片2

4 臥式貯罐的內外支撐設計

內容器與外殼之間在設計支撐時，既需要考慮能夠承重，還需要考慮支撐的材料要有好的絕熱性能，熱導率必須小才能保證不會將內容器內的低溫傳到外殼上，支撐承受內容器的總的重量包括內容器本身的重量、 絕熱材料的重量及貯存介質LNG的重量，所以選擇高強度及絕熱性能好的Z3848材質的玻璃鋼。此罐分別在底部相對于軸線30度及頂部45度位置均布共八個玻璃鋼支撐，此結構最早引進俄羅斯軍用設備轉民用設備，玻璃鋼支撐在選用時，既要考慮支撐的平行于玻璃鋼支撐的壓縮應力，還需要考慮垂直于支撐的剪切應力及重力因素引起的彎曲應力，再根據第三強度理論判定是否滿足要求。玻璃鋼支撐使用布向結構的支撐，壓縮，彎曲應力按照250MPa判定，剪切應力按照25MPa判定，此數據來源于Z3848試驗報告，考慮到不可控因素，安全系數取2，最終判定玻璃鋼支撐是否滿足要求。由于此結構為局部支撐結構，在支撐位置局部應力會較大，所以在設計時考慮使用焊接大的墊板，對局部支撐位置進行加強。由于介質及本身容器的垂直向下的重力作用，需要考慮圓筒中間橫截面上的軸線彎矩及支撐平面上的軸向彎矩。圓筒中間的橫截面上及支撐平面上，由內壓力及軸向彎矩引起的軸向應力。最高處及最低處的評判標準：σ1，σ2，σ3，σ4≤φ[σ]，則σ1，σ2，σ3，σ4≤138MPa;圓筒支撐位置最大剪切應力<0.6S=82.8 MPa。鞍座設計時，考慮地震風載，由于臥式貯罐通常比較矮，所以一般情況風載的影響會比較小，只需要考慮地震就可以滿足安全的要求，但是此項目由于地基比較高，地基有3.5m的高度，所以在考慮風載時需要將地基高度考慮進去。鞍座設計除了需要考慮夾層負壓力及軸向彎矩引起的軸向應力，還需要考慮切向剪切應力，圓筒鞍座平面的周向應力。此罐由于容積大、重量重、直徑大，所以關鍵部位鞍座處的應力特別需要加強，所以鞍座位置除了需要加墊板，還需要考慮使用多根慣性矩大的加強圈，這里推薦使用角鋼或者T型鋼加強圈加強。吊耳組件設計時，由于此罐外殼的壁厚較薄，一般推薦安裝至鞍座上，如果客戶要求安裝在筒體上，需要安裝大的吊耳墊板。

5. 大型低溫液體臥式貯罐的設計難點及創新點

由于此罐為我司最大的應變強化貯罐，在設計制造過程中遇到了很多的困難，但是還是有如下創新之處：

5.1 利用了應力分析軟件，對350立方貯罐應變強化水壓試驗模擬建模，進行了應力分析計算，通過理論計算，修改了大型低溫液體貯罐應變強化通用工藝規程;

5.2設計時，在有限的空間設計DN100的夾層管線，借助CAE軟件對管線進行管道柔性計算，使用柔性彎結構，保證管線及管口局部應力在合理范圍之內;

5.3借助PVLITE軟件，對鞍座設計進行分析計算，通過計算對鞍座進行設計，支撐位置內容器為了防止強化過度，使用了整圈墊板代替局部墊板，同時在內容器、外容器增加T型圈，防止局部應力過大;

5.4為了方便套裝，對套裝小車進行了改進，套裝小車高度比傳統的套裝小車低了約40mm;為縮短保證抽真空時間，保證良好的真空度，在容器兩邊都設置真空過濾器裝置;

5.5在容器頂部鋪設真空絕熱棉，珠光砂與絕熱棉復合絕熱避免貯罐使用時間長后珠光砂沉降及長時間日照引起的絕熱效果變差，保證貯罐的真空絕熱性能。

6.結束語

350m?LNG液罐在2018年投入使用，設備運行良好，得到了客戶的肯定。上述大型低溫液體臥式貯罐的設計方法，供同行參考。

參 考 文 獻

1 《機械設計手冊》第六版

2 ?ASME 鍋爐及壓力容器規范 Ⅷ卷 第一冊 2019、附錄44

3 《臥式容器》 NB/T 47042-2014

4 《臥式容器》標準釋義與算例 NB/T 47042-2014