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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

矩形儲(chǔ)罐與拱頂儲(chǔ)罐在海洋平臺(tái)上應(yīng)用對(duì)比分析

趙剛，胡曉明

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

以拱頂儲(chǔ)罐和矩形儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，結(jié)合海洋石油平臺(tái)的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)比分析了拱頂儲(chǔ)罐和矩形儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)、制造、成本管理以及質(zhì)量控制等方面的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，從而對(duì)其進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出拱頂儲(chǔ)罐性價(jià)比明顯優(yōu)于矩形儲(chǔ)罐的結(jié)論。通過實(shí)際工程案例分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了在海洋平臺(tái)上使用拱頂儲(chǔ)罐取代矩形儲(chǔ)罐作為主要的常低壓橇塊產(chǎn)品具有廣泛的應(yīng)用前景。

拱頂儲(chǔ)罐； 矩形儲(chǔ)罐； 成本管理； 質(zhì)量控制； 對(duì)比

矩形儲(chǔ)罐是海上油氣生產(chǎn)設(shè)施中常用的常低壓橇塊產(chǎn)品，主要用來儲(chǔ)存柴油、原油、淡水、開排等介質(zhì)，具有形狀規(guī)整、便于擺放及占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對(duì)空間要求嚴(yán)格的海洋平臺(tái)。然而，因矩形儲(chǔ)罐承壓主體為矩形平板結(jié)構(gòu)，而且側(cè)板連接焊縫較多，必然導(dǎo)致其承壓性能遠(yuǎn)低于拱頂儲(chǔ)罐，特別是對(duì)于設(shè)計(jì)內(nèi)壓大于2.7 kPa(G)的常低壓容器。在設(shè)計(jì)過程中，矩形儲(chǔ)罐上不僅需要增加大量的內(nèi)部拉桿和外部加強(qiáng)筋，而且過多的焊縫會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生熱變形以致影響了容器的外觀和使用。

拱頂儲(chǔ)罐是指罐頂為球冠狀、罐體為圓柱形的一種鋼制容器，是我國(guó)使用范圍最廣泛、制作安裝技術(shù)最成熟的常低壓容器之一，具有制造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的顯著特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)拱頂儲(chǔ)罐的最大體積已經(jīng)達(dá)到19萬(wàn)m3。

截止到目前，矩形儲(chǔ)罐相對(duì)于拱頂儲(chǔ)罐在海洋平臺(tái)上應(yīng)用更為廣泛。筆者通過對(duì)比分析二者在設(shè)計(jì)方法、質(zhì)量控制、費(fèi)用控制、安全裕量、生產(chǎn)制造以及占用空間等各方面的綜合性能，卻發(fā)現(xiàn)拱頂儲(chǔ)罐具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)。尤其是對(duì)于空間要求緊湊的海洋平臺(tái)，拱頂儲(chǔ)罐的應(yīng)用前景同樣值得關(guān)注。

矩形儲(chǔ)罐、拱頂儲(chǔ)罐的外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 兩種常用儲(chǔ)罐外形示圖

1 設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

矩形儲(chǔ)罐主要零部件包括長(zhǎng)側(cè)板、短側(cè)板、頂板、底板、外部加強(qiáng)筋、內(nèi)部加強(qiáng)筋、梯子、操作平臺(tái)、底座、人孔及接管等；拱頂儲(chǔ)罐主要零部件包括罐壁、罐頂、罐底、頂部抗風(fēng)圈、中間抗風(fēng)圈、梯子、操作平臺(tái)、底座、人孔及接管等。因拱頂儲(chǔ)罐與矩形儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)不同，故其設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)也存在著明顯的區(qū)別。

矩形儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》[1]和JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]。拱頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47003.1—2009 《鋼制焊接常壓容器》、SY/T 0608—2006《大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造》[3]以及GB 50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]。

2 結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

以某橇塊項(xiàng)目中的1臺(tái)乙二醇儲(chǔ)罐和1臺(tái)注水緩沖罐為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比分析。

乙二醇儲(chǔ)罐和注水緩沖罐的設(shè)計(jì)壓力均為-2.0/35.0 kPa，設(shè)計(jì)溫度為90 ℃。另外，業(yè)主根據(jù)工藝條件對(duì)體積的需求以及海洋平臺(tái)的空間限度，要求乙二醇儲(chǔ)罐按矩形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的內(nèi)壁尺寸為(長(zhǎng)度×寬度×高度)5 600 mm×5 000 mm×6 500 mm，材質(zhì)為S31603不銹鋼(腐蝕余量0 mm)；要求注水緩沖罐按矩形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的內(nèi)壁尺寸為(長(zhǎng)度×寬度×高度)16 500 mm×5 200 mm×3 700 mm，材質(zhì)為Q235B(腐蝕余量3 mm)。

2.1矩形儲(chǔ)罐

按矩形儲(chǔ)罐形式分別對(duì)乙二醇儲(chǔ)罐和注水緩沖罐進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于二者設(shè)計(jì)壓力均為-2.0/35.0 kPa，不能按照文獻(xiàn)[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要采用有限元分析方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)值分析，才能保證其安全性和可靠性[5-11]。

利用ANSYS分析計(jì)算軟件，根據(jù)所規(guī)定的矩形儲(chǔ)罐內(nèi)壁尺寸、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度和材質(zhì)，通過預(yù)先設(shè)定罐體的有效壁厚、加強(qiáng)筋規(guī)格和加強(qiáng)筋布置位置等參數(shù)，分別對(duì)乙二醇儲(chǔ)罐與注水緩沖罐進(jìn)行了強(qiáng)度分析計(jì)算，可以求解出滿足以上設(shè)計(jì)參數(shù)的儲(chǔ)罐名義壁厚及加強(qiáng)筋規(guī)格和布置形式等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1。

表1 矩形儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)參數(shù)

乙二醇儲(chǔ)罐及其內(nèi)、外部加強(qiáng)筋的有限元模型見圖2，注水緩沖罐及其內(nèi)、外部加強(qiáng)筋的有限元模型見圖3。

圖2 乙二醇儲(chǔ)罐及其內(nèi)、外部加強(qiáng)筋有限元模型

圖3 注水緩沖罐及其內(nèi)、外部加強(qiáng)筋有限元模型

2.2拱頂儲(chǔ)罐[12-15]

海洋平臺(tái)上空間受限是影響容器尺寸和使用的關(guān)鍵因素之一。因此，為了對(duì)比矩形儲(chǔ)罐與拱頂儲(chǔ)罐在相同使用條件下的性價(jià)比，筆者將上述乙二醇儲(chǔ)罐與注水緩沖罐再次按等面積、等高(儲(chǔ)罐側(cè)壁高度)的拱頂儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在保證相同體積的情況下，對(duì)比分析采用不同的容器結(jié)構(gòu)形式時(shí)，容器的設(shè)計(jì)、制造以及鋼材使用情況。此時(shí)，按照前述拱頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的公式進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算即可，無需再使用有限元軟件進(jìn)行分析，降低了設(shè)計(jì)難度的同時(shí)，也降低了對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求。

2.2.1乙二醇拱頂儲(chǔ)罐

將乙二醇儲(chǔ)罐按等底面積、等高(罐壁高度為6 500 mm)、同材質(zhì)(S31603)的拱頂儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)后，可以得到拱頂儲(chǔ)罐在相同設(shè)計(jì)條件下的內(nèi)徑為5 970 mm，其罐頂厚度、罐壁厚度和罐底厚度均為12 mm，且無需增加抗風(fēng)圈。

2.2.2注水緩沖罐拱頂儲(chǔ)罐

由于矩形注水緩沖罐的長(zhǎng)、寬比過大，在按拱頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的過程中將其等化為3臺(tái)完全一樣的拱頂儲(chǔ)罐。同時(shí)，保證這3臺(tái)拱頂儲(chǔ)罐的底面積和為原注水緩沖罐的底面積，高度、材質(zhì)也與原注水緩沖罐高度相同。

通過計(jì)算，可以得到這3臺(tái)拱頂儲(chǔ)罐在相同設(shè)計(jì)條件下的內(nèi)徑均為6 035 mm，其罐頂厚度、罐壁厚度和罐底厚度均為12 mm，并且無需增加抗風(fēng)圈。

以乙二醇拱頂儲(chǔ)罐為例，其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖見圖4。

圖4 乙二醇拱頂儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)示圖

3 綜合對(duì)比分析

3.1

設(shè)備質(zhì)量

無論是矩形儲(chǔ)罐，還是拱頂儲(chǔ)罐，底座、接管、梯子、操作平臺(tái)等作為容器的附屬結(jié)構(gòu)，質(zhì)量并不會(huì)發(fā)生較大變化。因此，通過計(jì)算可以得出矩形儲(chǔ)罐和拱頂儲(chǔ)罐分別作為乙二醇儲(chǔ)罐與注水緩沖罐時(shí)主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，結(jié)果見表2。

表2 乙二醇儲(chǔ)罐與注水緩沖罐采用兩種不同類型儲(chǔ)罐時(shí)質(zhì)量對(duì)比 kg

對(duì)于乙二醇儲(chǔ)罐而言，拱頂儲(chǔ)罐的質(zhì)量比矩形儲(chǔ)罐的質(zhì)量節(jié)約將近15 t鋼材。對(duì)于注水緩沖罐而言，3臺(tái)拱頂儲(chǔ)罐的質(zhì)量總和為36.78 t，比按照矩形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)節(jié)約將近14 t鋼材。這不僅降低了采購(gòu)及制造成本，而且對(duì)于整個(gè)平臺(tái)的質(zhì)量控制也是非常有利的。

3.2占用空間

乙二醇矩形儲(chǔ)罐與拱頂儲(chǔ)罐的布置方案對(duì)比見圖5， 圖中實(shí)線部分為矩形儲(chǔ)罐， 虛線部分為拱頂儲(chǔ)罐。

圖5 乙二醇矩形儲(chǔ)罐與拱頂儲(chǔ)罐布置方案對(duì)比

將乙二醇矩形儲(chǔ)罐的成橇布置圖與拱頂儲(chǔ)罐相比，發(fā)現(xiàn)若按拱頂儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)，其整橇長(zhǎng)度方向幾乎沒有變化，而整橇寬度增加百分比近似為6.2%，整橇底面積增加百分比也近似為6.2%?？梢钥闯?，拱頂儲(chǔ)罐整橇所占空間增量并不明顯，能夠滿足海洋平臺(tái)的使用要求。

注水緩沖罐的矩形儲(chǔ)罐與拱頂儲(chǔ)罐布置方案對(duì)比見圖6，圖中實(shí)線部分為矩形儲(chǔ)罐，虛線部分為拱頂儲(chǔ)罐。

圖6 注水緩沖罐3臺(tái)拱頂儲(chǔ)罐相連與矩形儲(chǔ)罐對(duì)比布置方案

對(duì)于注水緩沖罐，將其矩形儲(chǔ)罐的成橇布置圖與3臺(tái)相同的拱頂儲(chǔ)罐布置圖相比，可以發(fā)現(xiàn)若按照3臺(tái)拱頂儲(chǔ)罐進(jìn)行設(shè)計(jì)，其整橇長(zhǎng)度的增加百分比近似為11.11%，整橇寬度的增加百分比近似為6.78%，整橇底面積的增加百分比為18.64%。雖然拱頂儲(chǔ)罐成橇所占的空間略微有所增長(zhǎng)，但若能優(yōu)化總體布局，依然能夠充分發(fā)揮拱頂儲(chǔ)罐降本增效的主要優(yōu)勢(shì)。

3.3設(shè)計(jì)方法

NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》中的矩形儲(chǔ)罐計(jì)算方法只適用于設(shè)計(jì)壓力為0的情況。而多年來海洋平臺(tái)上的矩形容器由于工藝要求(如需要氮?dú)饷芊獾仍?，很多情況下要求其設(shè)計(jì)壓力為35 kPa(G)。這就要求采用有限元分析方法對(duì)矩形儲(chǔ)罐的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核，致使設(shè)計(jì)成本增高，且時(shí)間較長(zhǎng)。

而拱頂儲(chǔ)罐在內(nèi)部存在微正壓時(shí)(例如35 kPa(G))，可以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中找到常規(guī)的計(jì)算方法，可以方便地做出標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算書，設(shè)計(jì)時(shí)間較短，設(shè)計(jì)成本低。

3.4質(zhì)量控制

由于矩形儲(chǔ)罐采用矩形承壓結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)不理想。因此，為滿足整體強(qiáng)度與剛度，不僅需要較大的壁板厚度，而且需要設(shè)置大量的內(nèi)外部加強(qiáng)筋和拉筋。尤其是對(duì)于設(shè)計(jì)壓力高于2.7 kPa的常低壓容器以及跨度較長(zhǎng)的大型儲(chǔ)罐，在設(shè)計(jì)工況及水壓試驗(yàn)工況下，極易在側(cè)板下1/3的位置產(chǎn)生較大的撓度區(qū)間，并在垂直于撓度區(qū)間的加強(qiáng)筋兩端產(chǎn)生較大的應(yīng)力區(qū)間。

通用的解決辦法就是調(diào)整加強(qiáng)筋位置或者增加加強(qiáng)筋數(shù)量、增大加強(qiáng)筋規(guī)格。而拱頂儲(chǔ)罐則能夠均勻承受壓力，尤其適用于帶壓工況，且通常情況下不需要設(shè)置加強(qiáng)筋(抗風(fēng)圈)。

通過前述分析計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于大型常低壓儲(chǔ)罐，若按拱頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)，單臺(tái)可以減少質(zhì)量十幾噸。尤其對(duì)于較高內(nèi)壓的儲(chǔ)罐及大型儲(chǔ)罐，質(zhì)量控制效果更為明顯。有效地降低質(zhì)量，不僅可以節(jié)約成本、符合低碳理念，而且能夠優(yōu)化平臺(tái)質(zhì)量分布。

3.5成本控制

單從節(jié)約鋼材質(zhì)量來看，以每噸鋼材單價(jià)數(shù)千元計(jì)，按照拱頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)后，單臺(tái)設(shè)備可以節(jié)約成本近數(shù)萬(wàn)元。而實(shí)際上，由于矩形儲(chǔ)罐本體上的焊縫數(shù)量較多，不僅需要大量的焊材，而且還要考慮人工成本、檢測(cè)成本等因素。尤其是對(duì)于運(yùn)輸、吊裝困難，需要現(xiàn)場(chǎng)建造的大型矩形儲(chǔ)罐，將其分解成若干個(gè)等體積的拱頂儲(chǔ)罐后，將極大地降低容器的制造成本。

3.6安全裕量

矩形儲(chǔ)罐由于結(jié)構(gòu)的特殊性，很難使設(shè)備本體在設(shè)計(jì)工況和試驗(yàn)工況下保持較低的應(yīng)力值。而且伴隨著加強(qiáng)筋的腐蝕，會(huì)使設(shè)備的整體強(qiáng)度和剛度隨之降低，應(yīng)力值卻逐漸升高，不利于長(zhǎng)期使用。而拱頂儲(chǔ)罐則不存在加強(qiáng)筋腐蝕的問題，且圓筒形的罐壁結(jié)構(gòu)會(huì)使應(yīng)力較好分布，因此不會(huì)存在較高的局部應(yīng)力點(diǎn)。通過計(jì)算也可以發(fā)現(xiàn)，拱頂儲(chǔ)罐的應(yīng)力值往往很低，所以保留了很大的設(shè)計(jì)裕量，安全可靠性較高。

3.7生產(chǎn)與制造

矩形儲(chǔ)罐焊縫較多，焊接工作量大。如果在施焊過程中焊接控制不利，極易產(chǎn)生焊接變形，從而產(chǎn)生焊接應(yīng)力，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。6個(gè)壁板間的組對(duì)焊縫以及加強(qiáng)筋與壁板間的焊縫只能采用手工電弧焊，增加了施工人員的焊接工作量，同時(shí)也加大了容器泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，拱頂儲(chǔ)罐的焊接工作量較小，且焊縫多可采用自動(dòng)焊方法施工，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低且不會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形，焊接質(zhì)量易于保證。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)矩形儲(chǔ)罐與拱頂儲(chǔ)罐在各方面進(jìn)行的綜合對(duì)比分析可以看出，拱頂儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)、制造、成本及質(zhì)量控制等方面都存在著明顯的優(yōu)勢(shì)。在海洋平臺(tái)上，若采用拱頂儲(chǔ)罐來替代較大內(nèi)壓及大跨距的矩形儲(chǔ)罐，必將利大于弊。

[1] NB/T 47003.1—2009，鋼制焊接常壓容器[S]．

(NB/T 47003.1—2009，Steel Welded Atmospheric Pressure Vessels [S].)

[2] JB 4732—1995 (2005年確認(rèn))，鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

(JB 4732—1995(2005 Confirmation) ，Steel Pressure Vessels —— Design by Analysis[S].)

[3] SY/T 0608—2006，大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造[S]．

(SY/T 0608—2006，Design and Construction of Large， Welded， Low-pressure Storage Tanks [S].)

[4] GB 50341—2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

(GB 50341—2003，Code for Design of Vertical Cylindrical Welded Steel Oil Tanks [S].)

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(許編)

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《石油化工設(shè)備》期刊系經(jīng)國(guó)家科委和新聞出版署共同審核批準(zhǔn)，蘭州石油機(jī)械研究所主辦的全國(guó)性期刊，面向全國(guó)石油化工、煉油、化工、化肥行業(yè)以及相鄰的制藥、輕工、動(dòng)力、機(jī)械等諸領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、大專院校師生、經(jīng)營(yíng)管理人員和技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)干部。開設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)化、試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)計(jì)算、專題評(píng)述、技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)述、制造技術(shù)、技術(shù)應(yīng)用、經(jīng)驗(yàn)交流等欄目，并有豐富的產(chǎn)品廣告信息。

本刊系美國(guó)化學(xué)文摘(CA)收錄期刊、荷蘭Elsevier Scopus收錄期刊，1996年入編中國(guó)學(xué)術(shù)期刊光盤版(CAJ-CD)，1998年加入中國(guó)期刊網(wǎng)。期刊先后榮獲全國(guó)機(jī)械行業(yè)優(yōu)秀科技期刊一等獎(jiǎng)和第五屆、第六屆、第八屆全國(guó)石油和化工行業(yè)優(yōu)秀期刊一等獎(jiǎng)，為首屆甘肅省“十佳”期刊(科技類)。

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ComparativeAnalysisofDomeTankandRectangularAtmosphericPressureVesselUsedonOffshorePlatform

ZHAOGang,HUXiao-ming

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Dome tank and rectangular tank used on the offshore platform were studied. They had different advantages in design, manufacture, cost and weight. Combining the particularity of offshore platform, dome tank and rectangular tank were evaluated from all aspects in the study. Then, the conclusion of that dome tank was more proper to be used on offshore platform was obtained. It was supported by the analysis of some engineering cases too. Dome tank could replace rectangular tank on offshore platform gradually and had a good future.

dome tank; rectangular tank; cost management; weight control; comparative

TQ050.2； TE972.1

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.04.003

1000-7466(2017)04-0011-06①

2017-03-01

趙 剛(1986-)，男，河北唐山人，工程師，碩士，主要從事石油化工行業(yè)中的壓力容器設(shè)計(jì)及往復(fù)式壓縮機(jī)成橇設(shè)計(jì)工作。