液化石油气(liquefied petroleum gas, LPG)作为一种化工基本原料和新型燃料,已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面,LPG是乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等产品的重要原料,其制成品广泛用于生产合成塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品;在燃料应用方面,LPG还广泛应用于有色金属冶炼、民用燃气以及汽车燃料等[1]。LPG主要来自于炼油、原油及天然气开采,所占比例分别为41%、24%和35%,2014年全球LPG产量预计为2.75×108 t。中国是全球LPG行业发展较快的国家之一[2-3],产量已从2004年的1 399×104 t增长到2013年的2 324×104 t,年复合增长率达6.55%。
LPG覆土储罐相比其他罐型具有更多优点,可安装在炼厂、化工厂、天然气加工厂和能源补给站。若干LPG覆土储罐可以并排放置在同一覆土层。带压常温贮存LPG的储罐主要包括球罐、地上LPG覆土储罐、船罐,也可选用常压低温储罐如单容罐、双容罐和全容罐。与球罐和地上卧式储罐相比,LPG覆土储罐安全系数更高[4-6]。LPG覆土储罐具有以下优势:覆土可保护储罐不受热辐射、爆炸压力波、飞行物冲击、破坏活动的影响;满足环境和审美要求;降低场地面积要求;显著降低安全间距[7-8]。其中,LPG覆土储罐最大优势在于可完全消除沸腾液体扩展蒸气爆炸的可能性。19世纪末期,欧美等发达国家开始采用卧式覆土LPG压力储罐代替球形储罐来储存LPG[9-10],覆土LPG压力储罐在安全性、工程造价等方面具有明显优势[7, 10]。进入21世纪以来,欧美等发达国家如德国、法国等,开始禁止再建造大型球形储罐,卧式覆土LPG压力储罐已成为LPG的主要存储设备[11-12]。
在国内,卧式覆土LPG压力储罐技术研究设计处于起步阶段[13-14],缺少设计和使用经验,也没有相关的设计、制造和检验标准[15-16]。因此,该设计的实施丰富了国内设计技术经验,为今后卧式覆土LPG压力储罐设计奠定了基础。
卧式LPG覆土储罐的主要设计依据是ASME VIII Div1 & 2[17]和EEMUA190[18]。同时,部分设计内容需满足PD5500[19]的相关要求。施加在卧式LPG覆土压力储罐上的载荷共9种,分别为罐体自重载荷、储液自重载荷、罐体设计压力、罐体设计负压、覆土压力、因罐体不均匀支撑导致的剪切力、罐体轴向载荷、地震载荷、爆炸气体冲击载荷。初始水压试验时并不会覆盖土壤,因此不用考虑土壤载荷,但在运行一段时间后,复测时需要考虑覆土载荷。
根据EEMUA190规定[18],覆土埋深深度为0.5 m。本设计中埋深最浅处按0.5 m考虑,腐蚀裕量定为3 mm。
本研究以3 000 m3LPG储罐为例进行设计计算,设计条件如表 1所列。
根据设计条件计算得到3 000 m3 LPG储罐设计尺寸,如表 2所列。
3 000 m3 LPG覆土储罐直径选取8 m,此时筒体长度64.34 m,罐体总长72.412 m。由于长径比>8,储罐需考虑因弯曲和摩擦力导致的轴向应力,这也将成为决定罐壁厚度的主要因素。考虑到目前国内钢板加工能力,筒体由17个3 800 mm的筒节组成,筒节中间设置加强圈,材料采用SA516.Gr70正火钢板[20]。封头采用内径为8 m的半球形封头,连接处筒体削边,封头材料采用SA516.Gr70正火钢板[20]。本设计中LPG覆土储罐直径8 m,需考虑加强圈,加强圈材料采用A516.Gr70[20];根据文献[21]中“焊接在罐体上的接管应尽量少”的原则,设置气室封头,所有接管设置在封头上,气室材料为A516.Gr70[20]和A350.LF2 Cl[22];LPG覆土储罐设置两个DN900人孔,人孔处设置内梯;气室接管与人孔设置高分子材料制成的衬套。
根据2.1~2.2节参数及要求,对3 000 m3 LPG储罐相关参数进行计算,计算结果如表 3所列。
LPG覆土储罐为中心轴对称结构,结构在沿轴向方向的受力是不均匀的,故需要建立三维立体模型,LPG覆土储罐实体模型及网格划分见图 1。考虑到需要计算LPG覆土储罐在软土、硬土非均匀地基条件下的受力情况,建立1/2模型,较全模型更加节省计算成本。罐体结构材料力学参数为:材料密度为ρ=7 850 kg/m,弹性模量E=2.06×105 MPa,泊松比ν=0.3。本研究采用弹性分析,计算出来的壳体和梁上应力分别与许用应力校核,从而来判断整个LPG覆土储罐的强度问题。
边界条件:①覆土压力作用在储罐上半部分,且在储罐顶部土壤作用力最大,在储罐上下部分相接处最小,并呈非线性变化;②重力是以惯性力加载方式加载上去的,因此,重力加载方向与加速度的方向相反,重力加速度g=9.8 m/s2;③关于地基支撑考虑120°倾斜角,模拟结果显示当夹角为120°时,沙床支撑为0;④储液静水压:正常操作条件下,介质按照LPG计算;水压试验时,按照水的密度计算;⑤内压:根据LPG覆土储罐计算,设计压力为2.0 MPa,因此,在罐内壁上施加2.0 MPa的内压。
LPG覆土储罐用于存放高压LPG,存放高压气体时不仅受到内压作用,且由于罐埋于地下,储罐会受到来自土壤的外压。根据不同工作条件、土壤作用和储罐运行状况,本研究对12种工况分别进行考虑,具体工况如表 4所列。
(1) 工况1:空罐(中间沉降)
工况1考虑了空罐(中间沉降)的情况,此时需要考虑罐体自重、不均匀的覆土压力、不均匀沉降(罐体中间沉降比两端多)、罐体由于热胀冷缩会与土壤产生摩擦力,特别在热胀的时候,轴向膨胀量很大,这样会在封头上产生较大土壤阻力。LPG覆土储罐垂直位移、应力云图及加强圈应力云图如图 2所示。
根据计算结果可知,中间沉降较多,比两边多沉降12 mm,这样会在罐体中间底部产生较大的拉应力,同时中间底部也是应力最大的地方。如图 2(b)所示,该应力为根据第四强度理论计算出的应力,即Mises应力。从图中可知,罐体上最大应力为10.2 MPa,加强圈上的应力最大为9.2 MPa。
同理,针对表 4中其他工况进行模拟,具体结果如图 3~图 13所示。
本研究对以上12种工况进行逐一分析,从分析结果可以看出:罐内加强圈的作用主要用于平衡覆土压力和地基支撑,能够较好地增强罐体刚度,吸收来自土壤和地基的外部作用力;封头受到来自覆土的压力,在热胀时中间下沉较为明显;正常和水压实验情况下,未达到材料的屈服应力,证明该设计合理可行。地震对罐体沉降有较大的影响,而对罐体影响较小。
(1) 该设计的完成丰富了国内大型卧式LPG覆土压力储罐设计技术经验,可为今后的设计奠定基础。
(2) 针对本研究3 000 m3卧式LPG覆土压力储罐结构模拟可知:热膨胀时罐体沉降较为明显;地震情况下储罐沉降也较为明显,但对储罐的应力影响较小;正常操作工况下和水压试验下,罐体材料均未达到材料屈服点,并有部分余量,表明罐体设计合理。