中小型LNG立式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì).doc

中小型立式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)雙擊自動(dòng)滾屏作者：張 杰 毛雪東 王明富 周凱崧【字體：大 中 小】 中小型立式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì) 張 杰 毛雪東 王明富 周凱崧 （北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076） 摘 要：從總體和局部結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)計(jì)算以及工程圖紙等幾個(gè)方面對(duì)立式儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，總結(jié)了一些相關(guān)方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，并對(duì)低溫立式儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和當(dāng)前研究熱點(diǎn)做了一定展望。 關(guān)鍵詞：儲(chǔ)罐；設(shè)計(jì)計(jì)算；應(yīng)力分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào)：TE626.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 概述 天然氣作為一種新興燃料，其主要成分是甲烷，由于燃燒后對(duì)空氣的污染非常小，而且燃燒熱值大，被公認(rèn)是地球上最干凈的能源。（ ，液化天然氣）是將天然氣凈化深冷液化而成的液體，其體積約為氣態(tài)時(shí)體積的。液化了的天然氣更有利于進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、儲(chǔ)存，使天然氣的應(yīng)用方式更靈活、范圍更廣。尤其是在工業(yè)中心和人口稠密地區(qū)，的應(yīng)用更具優(yōu)越性，也被稱為最有前景的能源，日本等一些國家已將其作為進(jìn)口能源的主要形式。目前，工業(yè)相關(guān)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，已形成穩(wěn)定可靠的工業(yè)鏈（見圖）。工業(yè)鏈中無論是液化工廠到裝船海運(yùn)，還是接收站到各中轉(zhuǎn)站（加注站或汽化站），基本都離不開低溫儲(chǔ)存設(shè)備儲(chǔ)罐（槽）。雖然壓力容器在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面已經(jīng)非常成熟，但是在具體的設(shè)計(jì)計(jì)算和局部結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)方面還是有一些值得總結(jié)的地方，特別是的低溫、易燃易爆等危險(xiǎn)性，決定了設(shè)計(jì)儲(chǔ)存設(shè)備時(shí)考慮要更全面，筆者就此對(duì)用于儲(chǔ)存的立式儲(chǔ)罐（中小型）在設(shè)計(jì)中經(jīng)常碰到的問題和容易忽視的細(xì)節(jié)作一個(gè)歸納，以期對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)有所幫助。 總體結(jié)構(gòu) 外形 考慮到單位容積的表面積較小，能節(jié)省材料；在預(yù)冷時(shí)能減少冷量損失等優(yōu)點(diǎn)，低溫容器一般做成球形或者圓筒形。從制造工藝方面考慮，球形只適用于杜瓦瓶和大型固定式儲(chǔ)槽，因此中小型貯罐選用圓筒形，外容器兩端封頭用碟形封頭，內(nèi)容器兩端封頭用橢圓形封頭，具體結(jié)構(gòu)如圖所示。 材料選用 選用金屬材料時(shí)應(yīng)考慮材料在低溫深冷條件下的強(qiáng)度和韌性，內(nèi)容器還須同時(shí)考慮材料與液化天然氣的相容性。奧氏體不銹鋼（）在低溫條件下有較好的韌性和強(qiáng)度性能，且與天然氣能很好相容，因此內(nèi)容器和管路均可選用；外容器由于在常溫和真空條件下工作，故可選用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的碳鋼。 絕熱方式及材料選用 絕熱方式和材料在選用時(shí)主要從以下幾方面來考慮：絕熱的效果、是否經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)是否牢固、重量和體積的影響、制作加工是否方便，以及技術(shù)上是否能夠?qū)崿F(xiàn)等。目前比較常見的方式有以下幾種： （）高真空絕熱：也稱為單純真空絕熱。一般要求絕熱的封閉空間（夾層中）保持以下壓強(qiáng)的真空度，才能消除對(duì)流換熱和絕大部分的氣體導(dǎo)熱。但是要獲得和保持這樣的高真空是比較困難的，所以一般稍大型的裝置很少使用。 （）真空多孔介質(zhì)絕熱：是一種在真空空間充填多孔介質(zhì)絕熱材料的絕熱形式，一般的多空介質(zhì)材料為粉末和纖維，真空空間的真空度一般維持在 。真空多孔介質(zhì)的應(yīng)用，不但克服了高真空不適宜制作大型容器的缺點(diǎn)，且絕熱性能有所提高，要求的真空度有所降低。 （）真空多層絕熱：絕熱結(jié)構(gòu)是由許多層輻射屏及其間的間隔物組成，將其置于夾套中，再將夾套空間抽至高真空。相比較于單純高真空絕熱方式，由于輻射漏熱的大大降低，真空多層絕熱方式絕熱性能有很大提高；而其絕熱層厚度（夾套厚度）相對(duì)于真空多孔介質(zhì)方式降低很多，設(shè)備整體十分輕便，主要用于移動(dòng)式低溫液體設(shè)備和小型杜瓦容器。 綜合考慮絕熱性能、設(shè)備的制造成本以及加工難易程度等因素，立式儲(chǔ)罐（槽）絕熱方式應(yīng)選用真空多孔介質(zhì)絕熱方式。 常用的多孔介質(zhì)材料有珠光砂、氣凝膠、蛭石、硅膠粉等。根據(jù)填充、抽取真空等要求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，裝填珠光砂。好處主要如下：材料易于獲得，價(jià)格低廉；珠光砂本身具有一定能力的吸附性，能有效吸附夾套空間內(nèi)剩余氣體，同時(shí)珠光砂的存在能阻止剩余氣體的流動(dòng)，保持真空度的同時(shí)能有效降低氣體對(duì)流煥熱；珠光砂較好的反射作用能有效減弱輻射換熱。 計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 確定適當(dāng)設(shè)計(jì)壓力 根據(jù)鋼制壓力容器定義：名義厚度為設(shè)計(jì)厚度加負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度。處于以下兩種情況時(shí)，可在滿足設(shè)計(jì)條件要求，且不提高設(shè)備成本的前提下（即不增加材料用量），可以適當(dāng)提高設(shè)計(jì)壓力，從而在總體上提高設(shè)計(jì)要求。（）有些尺寸在計(jì)算并圓整后提高很大的；例如在設(shè)計(jì) 立式儲(chǔ)罐時(shí)，給定設(shè)計(jì)條件為：內(nèi)容器工作壓力 ，安全閥開啟壓力 ，內(nèi)徑 ，內(nèi)容器采用，若取設(shè)計(jì)壓力為 （液重小于，忽略），則計(jì)算厚度為（）：=8.4加上厚度附加量后為，向上圓整為。此時(shí)若將設(shè)計(jì)壓力提高至 ，計(jì)算厚度為，加上厚度附加量為，圓整后仍為。 （）工作壓力不高，材料的最小標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)的名義厚度。 優(yōu)化設(shè)計(jì)管路 儲(chǔ)罐的管路由于要直接與低溫液體接觸，如果形狀設(shè)計(jì)不合理，就有可能出現(xiàn)以下問題：管路由于驟冷而收縮，從而產(chǎn)生應(yīng)力集中或彎曲變形；液體能自行流入絕熱結(jié)構(gòu)管段中，因?yàn)槁釟饣?，再將汽化的蒸汽壓回?nèi)容器中，也即所謂的“穿透”現(xiàn)象。設(shè)計(jì)優(yōu)化管路形狀，就能解決以上問題。一般在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)將管路在夾套絕熱層設(shè)計(jì)成型、型、環(huán)形或螺旋形。具體要考慮伸縮量大小以及“氣封”與否的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。 合理布置放散管口 根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)定，易燃易爆物不能就地放散或放空，必須集中處理或引至高空進(jìn)行集中排放。作為易燃易爆物如果就地放散就有可能遇明火而著火，或者聚集到一定濃度而引起爆炸。因此在設(shè)計(jì)安全閥的泄放口、放空口以及殘液排放口等放散管口時(shí)就要合理布置其位置和方位，將管口盡量相對(duì)集中布置在一起，便于放空氣體集中排放或處理。 其他注意事項(xiàng) （）生產(chǎn)圖紙對(duì)加工生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量起著重要的導(dǎo)向作用，在出圖時(shí)應(yīng)考慮加工工序問題、生產(chǎn)上能否實(shí)現(xiàn)等。有序地劃分圖紙部件，以免在生產(chǎn)中產(chǎn)生誤導(dǎo)。 （）設(shè)計(jì)時(shí)考慮到進(jìn)液口經(jīng)常插拔，一般將進(jìn)液口固定在其中一個(gè)支座上（見圖）。但同時(shí)也有可能會(huì)帶來管路、管件和閥的布置困難，特別是當(dāng)罐體直徑不大時(shí)，此時(shí)可以考慮將進(jìn)液口用固定板固定在兩支座之間的外下封頭上（見圖）或其他方法。具體布置應(yīng)綜合考慮進(jìn)液口使用頻率、罐體大小以及操作方便等因素。 （）在運(yùn)輸和使用過程中，由于顛簸和振動(dòng)等因素的影響，珠光砂會(huì)有沉降現(xiàn)象，從而影響夾套絕熱性能?？梢钥紤]將內(nèi)外上封頭間距適當(dāng)調(diào)大，使其略大于內(nèi)外下封頭間距以及筒體間距。 （）當(dāng)儲(chǔ)罐容積較大、載重過大時(shí)，應(yīng)對(duì)支座與外下封頭連接處的局部應(yīng)力進(jìn)行分析，并考慮合理的局部加強(qiáng)。 結(jié)語與展望 立式儲(chǔ)罐在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面已經(jīng)相對(duì)純熟，局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)方面也積累了許多成熟的經(jīng)驗(yàn)。目前儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和研究熱點(diǎn)主要集中在局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，特別是相關(guān)模擬分析軟件的出現(xiàn)，為分析設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大而有力的工具。儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)將朝著更科學(xué)、更嚴(yán)謹(jǐn)、更安全、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn) 敬加強(qiáng)，梁光川，蔣宏業(yè)液化天然氣技術(shù)問答M北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 顧安忠，魯雪生，汪榮順，