液化石油气球罐设计注意问题.pdf

第 4 O卷第 3期 2 0 1 1年 5月 石油化工设各 P ETR0一 CHEMI CAL EQUI P MENT Vo 1 ． 4 0 NO ． 3 M a v 20 11 文章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 1 0 3 0 0 3 3 0 5 液化石 油气 球罐设计 注意 问题 王 萍 上 海 寰 球 石 油 化 学 工 程 有 限公 司 ，上 海 2 0 0 0 3 2 摘 要 结合 TS G RO O O 4 -- 2 0 0 9 固定 式压 力容 器安全技 术监察 规 程 的 实施 ， 围绕液 化 石 油 气球 罐 设计 时应 注 意 的 问题 进行 了阐述 ， 并通 过 实例 加 以分析 说 明 。 关键 词 球罐； 液化石油气； 设计 ；问题 中 图分类 号 TE 9 7 2 ． 0 2 文 献标 志码 B Pr o b l e m s i n t h e Li qu e f i e d Pe t r o l e u m Ga s S p h e r i c a l Ta n k De s i g n W ANG Pi ng Ch i n a Hu a n q i u Co n t r a c t i n g En g i n e e r i n g C o ． ，S h a n g h a i 2 0 0 0 3 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e i mp l e me n t a t i o n o f TS G RO 0 0 4 -- 2 0 0 9 Fi x e d S a } e T e c h n i q u e o f t h e T y p e Pr e s s u r e Co n t ai n e r t o I ns pe c t t h e Rul e s Di s t an c e wa s t a ke n i n t o c on s i de r a t i o n a nd t h e p o i nt s ，whi c h s h o u l d b e p a i d a t t e n t i o n t o，we r e d e s c r i b e d ．The p r a c t i c a l e x a mp l e s we r e a n a l y z e d a nd e l uc i d a t e d ． Ke y wo r d s s p h e r i c a l t a n k；l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s ；d e s i g n；p r o b l e m 随着我 国石 油 化 学 工 业 的迅 速 发展 ， 液 化 石 油 气 作 为一种 化 工基 本 原 料 和 新 型 燃 料 ， 使 用 范 围愈 来 愈广 ， 使用 量 随之 增大 ， 盛 装液 化石 油气 储 罐 的需 求 也在 不断 增加 。球 形储 罐 以受 风 面积小 、 耗 材 少 、 受力 均 匀 、 造 价 较低及 基 础 简单 等优 势 ， 被 诸 多化 工 企业 和储 配 站所 采 用 。液 化 石 油气 易燃 易爆 ， 因 此 盛装 液化 石 油气 的球 罐是 具有 爆 炸危 险 的特 种承 压 设备 。为 了球 罐 的 安 全 运 行 ， 必 须 从 各 方 面 严 格 把 关 ， 文 中对液 化石 油 气 球 罐 设 计 时 需 注 意 的 问 题进 行简 要 阐述 。 l 压 力 确 定 分有 机混 合物 。在 确定 球 罐 压 力 之 前 ， 必 须 明确 介 质 的主要 成分 ， 因为 不 同的 成 分所 对 应 的压 力 是 有 所不 同 的 。 对 于常 温 盛 装 液 化 石 油 气 的 球 罐 ， 根 据 TS G R O O O 4 --2 O O 9 固定 式 压力 容 器 安全 技 术 监 察规 程 中第 3 ． 9 ． 3条 款 的规 定 ， 常 温储 存 液 化 石 油 气 压 力 容 器 规定 温度 下 的工作 压 力 ， 按 照不 低 于 5 0℃ 时混 合 液化 石 油气组 分 的实 际饱 和蒸 汽压 来确 定 _ 1 ] 。设 计 单位 应 当在 图样 上 注 明 限 定 的组 分 和 对 应 的压 力 。如 果 没有 实 际组 分 数 据 或 者 不 做组 分 分 析 ， 在 有 保冷 措施 和无 保 冷 措 施 2种 情 况 下 ， 其 规 定 温度 下 的工 作压 力不 得 低于 表 1中所 列 的对 常温储 存混 液化 石油 气是 以丙 烷 或 丁烯 为主要 成 分 的多组 合 液化 石油 气压 力 容器 工作 压力 的要 求 。 表 1 规定温 度下常温储存混合 液化 石油气压力容器的工作压 力 混合 液化 石油气 5 0℃饱和蒸汽压力 p 规定温度下工作压力／ MP a 无保冷措施 有保冷措施 收 稿 日期 2 0 1 0 - 1 2 1 0 作者简介 王萍 1 9 5 7 一 ， 女 ， 上海人 ， 工程师 ， 长期从事化工非标 设备设计 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1 年第 4 O卷 由此 可见 ， 必须 根 据 液 化 石油 气 组 分 来确 定 工 作压 力 。需要 强调 的是 ， 通 过 成分 确 定 的是 工作 压 力 ， 而不是 设计 压力 ， 这 与 压力 容 器 安 全 技术 监 察 规程 1 9 9 9版 有 很 大 的 不 同_ 2 ] ， 务 必 引 起 注 意 。 丙烯 、 丙 烷 和 异 丁 烷 5 0 ℃ 饱 和 蒸 汽 压 力 分 别 为 2 ． 0 5 M P a 、 1 ． 7 1 M P a和 0 ． 6 9 MP a E 。 在正确选取工作压力 的基础上 ， 才可 以确定液 化石 油气球 罐 的设计 压 力 ， 这 对 于 设 计 球罐 的安 全 可靠 至关重 要 。 2充液高度计算 液 化石 油气在 平衡 状态 时 的饱 和蒸 汽压 随温 度 的升高 而增 大 ， 其 液体 的膨胀 性较 强 ， 因此储存 液 化 石油气的球罐内必须 留有一定的气相空间， 以防止 由于温度 升 高而导致 球 罐 内的压力 剧增 。球罐 的储 存 量直接 影 响到球 罐 的 工 作压 力 ， 关 系到 球 罐 的设 计 和使用 安全 。 按照文献[ 1 ] 第 3 ． 1 3条款 的规定 ， 储存液化气 体 的压力容器应 当规定设计储存量 ， 装量系数不得 大于 0 ． 9 5 。可见文献[ 1 ] 只在原则上规定了装量系 数 ， 具 体 的还需设 计人 员确定 。根据 以往经 验 ， 盛 装 液化石油气球罐的装量系数一般在0 ． 9 ， 因此球罐储 存 量按 下式 计算 W 一 X 1 0 一。 1 式 中 ， 为 储存 量 ， t ； 为 装量 系 数 ； V 为压 力 容 器 体 积 ， m。 为设计 温度 下 的饱 和 液体密 度 ， k g ／ m。 。 确定了装量 系数 和储存 量后 ， 就 可得 出球罐 的充 液 高 度 H。在 球 罐 ， 特 别 是 大 型 球 罐 的 设 计 中 ， 充 液 高度 极 为 重 要 。经 过 推 导 计 算 ， 得 到 以下 计 算公 式 _ 4 ] H ，， a r c t g 兀 令K】 一2 c o s竺 __一 则 HK R 式 中 ， R 为球罐 半径 ， I T I 。 从 式 3 可 以看 出 ，K 只 与装 量 系数 有 关 ， 给出不同的 ， 即可得到相对应 的 K ， 然后再代入 式 2 中便可算 出球罐充液 高度 H。经 过计算整 理 后 得 出 的 K 与装 量 系 数 的 部 分 对 应 数 据 见 表 2 。 表 2 系数 Kl 与装量系数 关 系 K 1 充液 高度 确定 后 ， 便 能 得 知 每 带球 壳 所 承 载 的 液柱 压力 ， 球 罐计 算 压 力 随之 确 定 。由计 算 压 力就 能准 确计 算 出球 壳 的厚度 。 3材料选用 液化石油气球罐用钢的选用原则是在满足强度 要求的前提下 ， 还应具有足够的塑性 ， 尤其是优 良的 低温韧 性及 焊接性 能 。 根 据我 国钢 材 状 况 ， 1 6 Mn R 以其 强 度 高 、 焊 接 性 能好 而成 为制造 液化 石 油气 球罐 的钢 种 之一 ， 但 1 6 Mn R板材 的 冲击 韧 性 指 标 较 低 。为 适 应 用 钢需 求 ， 国家 质量监 督 检验检 疫 总局 、 国家标 准化 管理委 员会对 GB 7 1 3 1 9 9 7 锅炉用钢板 和 GB 6 6 5 4 ～ 1 9 9 6 { 压力 容 器 用 钢 板 进 行 合 并 修 改 ] ， 发 布 了 G B 7 1 3 -- 2 0 0 8 { 锅炉 和压 力 容 器用 钢 板 ] ， 其 中将 1 6 Mn R、 1 6 Mn g与 1 9 Mn g合 并 为 Q3 4 5 R。从 化 学 成分 看 ， Q3 4 5 R 中 的 S 、 P质 量 分 数 要 求 比 1 6 Mn R 更严 ， 也更 为 纯净 。在 力 学 性 能 方 面 ， Q3 4 5 R 的 冲 击韧性 指标 也有 一定 程度 的提 高 。 武 汉钢铁 公 司生 产 的高 韧性 1 6 Mn R WH5 1 0 ， 虽然 目前 尚未 收 录在 GB 1 2 3 3 7 ～ 1 9 9 8 钢 制球 形 储 罐 之 中 ] ， 但 在实践 中已经有 了 比较 多的应用 实例 。 从生产 企业提 供 的信 息 看 ， 由于采 用 了脱 硫 、 转炉 吹 炼 、 真 空处理等手段 ， 使 得高韧性 1 6 Mn R WH5 1 0 的 化学 成 分 同 样 达 到 叫 s ≤ 0 ． 0 1 5 和 W P ≤ 0 ． 0 2 5 ， 而且冲击韧性指标有大幅度提高， 标准冲击 功为 4 7 J ， 实际 检测 值 大 多超 过 1 0 0 J 。通 过进 行 系 统 的恒 负荷 拉 伸 、 简 支 梁 和恒 位 移 WO L等 试 验 ， 表 明该材料具有 优 良的抗 H。 S 应 力腐蚀性 能_ 9 ] 。 3种钢材的化学成分和力学性能分别见表 3和 表 4 。 在 我 国 ， 由于液化 石油 气产 品中所 含 的 H S量 较高 ， 不 同气 源 产 地 的产 品组 分 差别 很 大 。因此 在 选用盛装液化石油气球罐的材质时， 除要求具有足 够 的强 度外 ， 钢材 的抗 H s应 力腐 蚀性 能 也是 不 可 忽 视 的因素 ， 只有 选择化 学成 分适 宜 、 力 学性 能优 良 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 土 萍 液 化 油 气 球 罐 设 计 注 意 问题 ．3 5 ． 及耐 H S应 力腐 蚀 的优 良钢 种 ， 才 能保 证 球 罐 的 安 全运 行 。 4 应 力腐 蚀 应力 腐蚀 是 材料 在拉 应力 和腐 蚀 的共 同作 用 下 发生 的破 坏 ， 这种 破坏 没 有 明显 的预 兆 ， 很 容 易造 成 灾难 性 的事故 。 我 国的液 化石 油 气介 质 中通 常含有 一定 的水 分 和 H S等物 质 ， 当盛装 液 化石 油 气 球罐 的材 料处 在 裂纹 极为 敏感 的湿 H S环 境 时 ， 随 着裂 纹 的不 断扩 展 ， 就 会发 生破 裂 。生 产 实 践 中大 量 的事 故分 析 及 开罐 检查 的结 果 表 明 ， 应 力 腐 蚀 是 导致 球 罐 发生 事 故 的重要 因素 之一 ， 而 应 力 腐 蚀 往往 产 生 于 焊接 接 头部 位 。 为 了改善 这种 状况 ， 保 证球 罐 的安 全运 行 ， 在设 计 中应 当考 虑 采 用 ① 对 液 化 石 油 气 进 行 精 制 、 脱 硫 、 脱 水等 处理 ， 从 根本 上消 除应 力腐 蚀破 环 的可 能 性 。② 选 用抗 H S应力 腐 蚀 的材 料 ， 对材 料 质 量进 行 严格 控 制 ， 避 免 其 存 在 夹 杂 、 分 层 及 裂纹 等缺 陷 。 ③ 通过 焊后 整 体热 处 理 的方 法 ， 消除 和 降 低 焊 接过 程 中产 生 的应 力 ， 避免 焊接 结构 产生 裂纹 ， 同时也 可 恢 复 因冷 作和 时效 作 用 而 损 失 的 材 料 的力 学 性 能 ， 改善焊 接 接头及 热 影 响 区的 塑 性 和 韧性 ， 提 高抗 应 力 腐蚀 的 能力 。 由于 各 种原 因 ， 一 般 情 况下 通 常采 用 方 法③ 来 预 防应 力腐 蚀 。 5 结构设计 球 壳结 构 可分 为纯 桔瓣 式 、 足球瓣 式 和混 合式 ， 这 3 种 结构 形式 各 有特 点 ， 见表 5 。 表 5球 壳 结 构 形 式 和 特 点 从 表 5所列 球 壳 不 同结 构 的优 缺 点 可 以看 出 ， 混合 式 结构从 根 本上 减 少 了焊缝 或母 材产 生 微裂 纹 的根源 ， 也 降低 了应 力腐 蚀 的频率 ， 而且 制造 工作 量 小 ， 施 工 进度 加快 ， 特 别适 合 大型盛 装液 化石 油气 球 罐 的建造 。 管法 兰接 头 的设 计也 是球 罐结 构设 计 中非 常重 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1年第 4 O卷 要 的环节 之一 。有很 多事故 是 源于法 兰或 者其 它接 头 的密封 失效 ， 造 成介 质泄 漏而 引起 的 。因此 ， 在设 计盛 装 液 化 石 油 气 的球 罐 时 ， 其 管 法 兰 应 当 按 照 HG ／ T 2 0 5 9 2 ～ 2 0 6 3 5 --2 0 0 9 { 钢 制 管法 兰 、 垫 片 、 紧 固件 的相 关 规 定 进 行 设计 ， 至 少 应 采 用 高 颈 对 焊法 兰 、 带 加强环 的金 属 缠绕 垫 片 和 专用 高 强 度 螺 栓组合口 。 6 制造要求 液化 石 油气球 罐 的制造 质量是 保证 球罐 安全运 行 的重要 因素 。因此 ， 设 计 人 员 还 应重 点 提 出保证 球 罐制造 质量 的要 求 ， 如钢 板 检 测 、 焊 缝 要 求 、 焊接 试板 要求 、 球罐 热 处 理 时 的要 求 等 。这 些 要 求不 应 低 于 T S G R o o o 4 -- 2 o o 9 { 固定式 压 力 容器 安 全技 术 监察 规程 、 GB 1 2 3 3 7 -- 1 9 9 8 钢 制 球 形 储 罐 以及 G B 5 0 0 9 4 -- 1 9 9 8 { 球 形 储 罐 施 工及 验 收 规 范 等 的 相关规 定 _ 1 Ⅲ] 。 7 实例说明 笔 者为某 石 油天然 气项 目设计 了 2台 1 0 0 0 m。 丙 烷／ 液 化 石 油 气 球 罐 ， 该 球 罐 直 径 1 2 3 0 0 mm， 工作压 力为 1 ． 6 MP a ， 最高 工作 温 度为 5 0℃ ， 设计 基本 风压 0 ． 6 1 k N／m。 ， 抗震 设 防烈度 为 7度 设备 安装 地 。 按 照 TS G R O O 0 4 -- 2 O O 9 { 固定 式 压力 容 器 安全 技术监察规程 中的相关规定 ， 压力选取原则为工作 压力 应 当不低 于 5 o℃饱 和蒸汽 压力 。因此 ， 根 据介 质种类 以及 最 高工 作 温度 ， 选 取球 罐 的工 作压 力 为 1 ． 7 1 MP a ， 并确定 安 全 阀开启 压力 为 1 ． 7 9 MP a ， 设 计压力为1 ． 8 MP a 。设计温度考虑为 一1 0 ～5 0℃。 选取充装 系数 为 0 ． 9 ， 计算 出的球罐 充液 高度 为 9 8 9 2 mm，自 上 而 下 每 带 的 液 柱 高 度 分 别 是 3 2 5 mm、 7 1 5 8 mm、 9 8 9 2 mm。计算 确定 球壳 板 的 名义厚度为 4 0 mm。 球壳结构采用三带八支柱混合式结构 图 1 。 该结 构 的极板 尺寸 大 ， 赤 道板数 量少 ， 充分 利用 了板 材 的长度 与宽 度 ， 因而减 少 了焊缝 长度 。 管法 兰 接 头 采 用 HG／ T 2 0 5 9 2 2 0 0 9 钢 制 管 法 兰 P N 系 列 的 带 颈 对 焊 法 兰 、 HG ／ T 2 0 6 1 O 一 2 0 0 9 { 钢 制管 法 兰用 缠绕 式 垫 片 P N 系 列 中带 加 强环 的金 属 缠 绕 垫 片 以及 HG／ T 2 0 6 1 3 -- 2 0 0 9 { 钢 制管 法兰用 紧 固件 P N 系 列 中专 用 高 强 度 螺 栓 组合。 球 壳 材 料 选 用 高 韧 性 1 6 Mn R W H5 1 0 板 材 正火 ， 其化 学成 分及力 学 性 能符 合 表 3 、 表 4中 的 有 关要 求 。 图 1球 罐 结 构 不 图 为 了保证 球罐 的制 造质 量 ， 除常规 要求 外 ， 在 图 样 中还 着重提 出了如下 要求口 。 ①球 壳 用板 应 每 批 取一 张进行 一2 0℃夏 比 V 型缺 口 低 温 冲 击试 验 ， 以确保 韧塑 性 能 。② 球 壳 用 板需 逐 张进 行 超声 波检 测 ， 按 J B ／ T 4 7 3 0 ． 3 2 O O 5 承 压 设 备 无 损 检 测 第 3 部分 超 声检 测 规定 l_ 1 ， 合格 等级 不低 于 Ⅱ 级 。③ 每块 球 壳 板 不 得 拼 接 ， 沿 壳 板 周 边 1 0 0 mm 范围内按文献[ 1 7 ] 规定进行超声波检测 ， Ⅱ级合格。 ④对球壳板坡 口和背面清根后焊板表面进行磁粉检 测 ， 不得 有裂 纹 和 分层 等 缺 陷存 在 。⑤ 上 支座 与 赤 道 板 的组焊 以及 人孔 、 接 管 与极 板 的组 焊应 在 制 造 厂 内进 行 ， 并 应 进行 消 氢 处 理 。⑥ 应 当 分别 在 热 处 理 之前 和压 力试 验之后 对所 有焊 缝 的 内外 表面进 行 1 0 0 的磁粉 检测 ， I级 合格 。磁 粉检测 之前 将受 检 表 面打磨 至露 出金 属 光 泽 ， 并 且 使 焊缝 与母 材 平 滑 过渡。⑦应当在球罐焊接检验合格之后 、 压力试验 之前按照文献[ 1 1 ] 中的相关规定进行焊后热处理 。 球壳 上 的垫板 以及 附 件 均 不得 覆 盖 焊 缝 ， 距 离球 壳 焊缝 应超 过 1 5 0 mm。热 处 理 后 不 得 再 施 焊 ， 并 且 不允许 在接 触介 质 一 侧 打 钢 印 。热 处 理 时 ， 应 监 测 支柱底板位移 ， 温度每变化 1 0 0℃， 支柱应 调整 1 次 。热处 理后 ， 应 测 量并 调整 支 柱 垂 直 度 。③球 壳 全部对 接焊 缝及 相焊 其它焊 缝 ， 焊前 需预 热 ， 焊后 应 立 即进 行消 氢处 理 。⑨每 台球罐 按施 焊位 置做 3块 产 品焊 接试 板 横 焊 、 立焊 和平 焊加仰 焊 ， 试板 与球 罐 一起 热处 理 。截 取试 样 进 行 试 验 ， 包 括 焊缝 金 属 及 热影 响 区的 一2 0℃夏 比 V 型 缺 口 低 温 冲 击 试 验 ， 冲击 试验 结果 不得低 于母 材要 求 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 O卷第 5 期 2 O l 1午 5月 油化上设备 PETRO CHEM I CAL EQUI PM ENT VOI ．4 0 NO． 5 M a y 2 01 1 文 章 编 号 l 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 1 0 3 0 0 3 7 0 4 长轴液 下泵轴 系设计 张巍 ，桑国平。 1 ．中广 核工 程 没 计 公 司 ，广 东 深 圳 5 1 8 0 5 7 ； 2 ．甘肃蓝科石 化高新装备股份有 限公 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘 要 结合 液 下泵 的设 计 经历 ， 提 出了与 长轴液 下 泵轴 系设 计 有 关 的轴 承 跨 度 、 接 轴 处理 、 轴 承 选 材 、 轴 承 结构等 方 面 的设 计 建议 ， 对 长轴 液 下泵 设计 具有 参 考意 义 。 关 键词 液下泵；跨度；接轴； 轴承； 设计 中图分 类 号 TE 9 6 4 文献 标 志码 B 8 结 语 Sh a f t i ng Co mp o n e nt s De s i g n f o r t he Lo n g S h a f t S u b me r g e d Pu mp ZHANG W e i ， S ANG Gu o - p i ng 1 ． Chi n a Nuc l e a r Po we r De s i g n Co m pa ny，She n z h e n 51 8 0 57，Chi na； 2 ．La n pe c Te c h no l o gi e s I i m i t e d，La nz ho u 73 0 0 7 0，Ch i na 在设 计 液 化 石 油 气球 罐 时 ， 设 计 人 员 既 要 严格 执行 TS G R 0 0 0 4 -- 2 0 0 9 { 固定 式压 力 容 器 安 全技 术 监察 规程 、 G B 1 5 0 1 9 9 8 { 钢 制 压 力 容 器 [ 1 胡以及 G B l 2 3 3 7 -- 1 9 9 8 钢制 球 形储 罐 等相 关 标 准 ， 又 需 确定 正确 的压 力 、 适 当的 储 存 量 、 适 宜 的材 料 、 合 理 的结 构 及 相应 的制 造 要 求 。此 外 ， 在 组 装 、 焊 接 、 检 验 和试 验 等诸 多环 节 上 ， 同样 需 要 采 取质 量 保 证 措 施 ， 以确保 液 化石 油气 球罐 的安 全 性 。 参 考 文 献 [ 1 ]T S G R 0 0 0 4 - - 2 0 0 9 ， 固定 式压 力容 器安 全技 术 临察 规 程[ s ] ． [ 2 3 国家质 量技 术 监 督局， 压力 容 器 安 全技 术 监 察 规 程 [ M] ． 北京 巾国劳动社 会保障 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ] 谢铁 军 ， 寿 比南 ， 上晓雷 ， 等．固定式压 力容 器安 全技 术监察规程释 义[ M] ．北京 新华 出版社 ， 2 0 0 9 ． L 4 3 化学工业部基本建设 司 ， 中国五环化学工程 总公 司． 化 工压力容 器设 计 技 术 问答 [ M] ． 武汉 氮 肥设 计 编 辑 部 ， 1 9 9 3 ． L 5 ] G B 7 1 3 1 9 9 7 ， 锅炉用钢板 I s ] ． ． 十一十一十“”十”十一十””十一十一十”” 十- [ 6 ] G B 6 6 5 4 --1 9 9 6 ， 压力 容器用钢板I s ] ． C 7 ]G B 7 1 3 2 0 ] 8 ， 锅炉和压力容器用钢板 I s ] ． [ 8 ] G B 1 2 3 3 7 1 9 9 8 ， 钢制球形储罐 I s ] ． E g ] 余 圜平 ， 吴燕生． 高韧性 l 6 MR WH5 1 o 在球形储罐上 的应用[ J ] ． 压力 容器 ， 1 9 9 9 ， 1 6 5 1 4 ． [ 1 o ]HG／ T 2 0 5 9 2 ～2 0 6 3 5 2 0 0 9 ， 钢 制 管法 兰、 片、 紧 固 件 r s ] ． [ ] 1 ]G B 5 O o 9 4 一 l 9 9 8 ， 球形储罐施1 与验收规范[ S 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