LNG大型储罐加强圈设计
Outline:
张艳春
,
于国杰
,
杜国强
,
李东芳
,
邓记松
,
邓婷
收稿日期：2011-07-15
作者简介：
张艳春：女，1977年生，工程师，部门室主任。现在海洋石油工程股份有限公司从事机械工作。电话：022-66909377(办公)，13672089158(手机)。E-mail：
zhangyc@mail.cooec.com.cn。地址：(300451)天津市塘沽区丹江路1078号海洋石油工程股份有限公司设计公司机械设计部.
摘要：LNG大型储罐是液化天然气储运过程中的重要设备，加强圈是大型储罐的重要组成部分，它们能提高和保证大型储罐的安全性与抗失稳能力。而与LNG大型储罐加强圈相关的设计在国内的工程实例较少。本文借鉴常用的国际标准，讨论LNG大型储罐不同部位加强圈的设计方法，为以后在大型储罐加强圈设计方面提供参考依据。运用所讨论的设计方法并结合国内某LNG接收终端项目的基础数据，对LNG储罐加强圈进行设计计算，得出的结果与参考项目吻合较好。
关键词：液化天然气(LNG) 大型储罐 加强圈 惯性矩 设计方法
Design of Stiffening Ring for Large LNG Tanks
Outline:
Zhang Yanchun
,
Yu Guojie
,
Du Guoqiang
, et al
Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300451, China
Abstract: Large scale liquefied natural gas (LNG) storage tanks are key facilities for storage and transportation of LNG. Stiffening rings are important parts of large tanks, and they can improve and ensure their safety and anti-buckling capability. But there are few application examples of stiffening rings in large LNG storage tanks in China. Stiffening ring design methods of different parts in large LNG storage tank are discussed by referencing common international standards. Stiffening rings are designed and calculated with the discussed method and the basic data coming from a domestic LNG receiving terminal project, and the calculated results agree well with the referenced project.
Key words:
liquefied natural gas (LNG) large storage tank stiffening ring inertia moment design method
随着LNG产业的发展，LNG储罐的安稳运行是保持整个LNG接收站正常运行的关键。加强圈是LNG储罐极为重要的一部分，如何针对不同因素的影响，进行合理设计，对于储罐整体的安全运作有着至关重要的作用。对于大型LNG储罐，当罐内为空时，在储罐内部安装加强圈可以抵抗罐外的挤压，减小圆筒的计算长度, 提高抗失稳能力。此外减小计算长度的方法比增加壁厚更能节省材料，同时还可减轻储罐整体重量[1]。本文将分析大型储罐加强圈的设计方法，并结合国内某LNG接收终端项目，验证本文讨论方法的可靠性，为今后LNG储罐加强圈设计提供参考依据。
1 加强圈设计
大型LNG储罐，一般直径70 m~80 m，高度30 m~40 m，容积达十几万立方米左右，对于这样的大型储罐，由于罐壁较薄，并且主容器和次容器之间装有保温材料，当LNG储罐空时，对内罐形成挤压，造成局部失稳变形。在储罐内部安装加强圈可以抵抗罐外形成的挤压，提高储罐的抗失稳能力。
加强圈应有足够的抗拉强度，常用扁钢、角钢、工字钢、T型钢或者其他型钢制成，最基本的要求就是加强圈的实际惯性矩大于所需最小惯性矩。本文研究储罐为双容器储罐，加强圈位于内罐，不考虑风速影响。对于大型敞口式全容积罐，其包括顶部加强圈，中间筒体设置中间加强圈，在罐底处有底部加强圈，其中采用的加强圈材质为9%Ni钢。本文将逐一介绍各部位的加强圈的设计方法。
1.1 上部加强圈设计
选择加强圈初定截面尺寸，计算比较所需惯性矩Ir与组合惯性矩Is, 然后反复试算，直至Is＞Ir，且较接近为止。
1.2 中间加强圈的设计
1.2.1 加强圈个数的确定
加强圈的数量可通过分析风力和内部负压确定罐体当量计算长度来确定。在大多数情况下，加强圈位于罐壁顶圈板，或位于具有相同厚度的圈板上，如果不在这些位置，应将当量罐壁板高度转换为实际值来确定。根据EN 14015 2004 9.3石油工业立式钢制焊接油罐(对接焊壳体)推荐的方法[2-3]：
式中：K为系数；Vw为设计风速，m/s；Pv为设计真空度，kPa；Hp为最小壁厚时加强圈最大允许间距，m；D为罐直径，m；emin为顶圈壁板厚度，m；HE为当量筒体总长度, m。
由于nHp＜HE＜(n+1)Hp，所需加强圈数量n个。
1.2.2 加强圈当量计算长度的确定
中间加强圈的间距：罐壁厚度变化时，可以使用罐壁反变形换算法确定不同壁厚中间环形加强圈的间距。加强圈之间的等效高度(间距)按以下公式计算：
式中：e为依次排定的每圈壁板的厚度，mm；emin为排在最上一圈壁板的厚度，mm；He为每圈壁板的厚度为emin时的等效稳定高度，mm；h为每圈壁板的高度，mm。
1.2.3 加强圈位置的确定
依据准则：
(1) 两个加强圈之间的距离小于允许的最大加强圈间距；
(2) 加强圈与水平焊缝之间的最小距离应为150 mm。
1.2.4 中间加强圈截面选择
(1) 中间加强圈所需惯性矩[4]：
式中：SF为安全系数；Pe为外压；Ls为与两侧相邻的加强圈间距之和的一半；D为筒体外径；E为弹性模量；N为节点数。
(2) 组合惯性矩
矩形截面加强圈与壳体有效段组合截面见图 1。以x-x为组合截面中性轴，则组合惯性矩为：
式中：I0=he3be/12, 为加强圈惯性矩，mm4；I′0=lδe3/12为圆筒起加强作用部分的惯性矩，mm4；A′s=lδe为圆筒起加强作用部分(组合段)的面积，mm2；As=hebe为加强圈有效截面积，mm2；he为加强圈截面有效高度；be为加强圈有效厚度；δe为壳体的有效厚度；z0=he/2为形心轴矩；a为组合截面的形心轴矩。I′=1.10(D0δe)0.5，为加强圈两侧筒体有效段宽度之和，以上单位均为mm。若加强圈中心线两侧壳体的有效段宽度相重叠，则该壳体的有效段宽度中相重叠部分每侧按一半计算。
(3) 组合截面形心轴矩。
(4) 选择加强圈初定截面尺寸，计算横截面积和实际组合惯性矩，按照(1)、(2)中公式计算比较Ir与Is, 然后反复试算，直至Is＞Ir，且较接近为止。
1.3 底部加强圈设计
在设计底部加强圈时，先考虑筒体以及环形边缘板能提供的惯性矩是否满足所需惯性矩要求，如果满足，则不需要增设加强圈；如果不满足，需要设置加强圈，其计算方法同样为：选择加强圈初定截面尺寸，计算比较所需惯性矩Ir与组合惯性矩Is，经过反复试算，直至Is＞Ir，且较接近为止。图 2为环形边缘板的截面形式。
2 设计实例
2.1 设计参数
例子：国内某LNG接收终端内罐顶敞开式储罐加强圈设计计算，示意图如图 3所示。基本参数：储罐的直径为80 m，高度为35.43 m，有10圈高度为3.543 m的壁板，壁厚分别为12 mm、12 mm、12 mm、12 mm、12.2 mm、14.7 mm、17.3 mm、19.8 mm、22.4 mm和24.9 mm，设计风速为0 m/s，设计真空度Pv=2.5 kPa，－160 ℃时弹性模量为204 000 MPa，内部加强圈的许用压力0.001 25 MPa。
2.2 上部加强圈计算
上部加强圈采用T型加强圈，离储罐顶部距离为300 mm，表 1为顶部加强圈计算结果。
表 1
|
表 1 上部加强圈计算结果
|
由表 1计算结果可知，T型加强圈截面尺寸为：加强圈腹板宽度650 mm，加强圈腹板厚度12 mm，加强圈翼板宽度360 mm，加强圈翼板厚度24.9 mm，经计算校核加强圈与壳体惯性矩设计值大于所需惯性矩，因此设计合格。
2.3 中间加强圈计算
2.3.1 中间加强圈当量计算长度的计算
由1.2.2中的当量计算长度的公式，在不同壁厚情况下，计算所得当量计算长度如表 2所示。
表 2
|
|
表 2 圈壁板当量计算长度
|
2.3.2 中间加强圈个数计算
K=6.522，Hp=4.567 m，HE=ΣHe=23.19 m，由于5Hp＜HE＜6Hp，故需5个加强圈。
2.3.3 中间加强圈位置
(1) 中间加强圈位置。加强圈分别位于
、
、
、
和
，经计算分别位于距等效罐壁顶端3 855 mm、7 710 mm、11 565 mm、15 419 mm和19 274 mm的位置。
(2) 位置合理性的验算：依据1.2.3加强圈位置确定依据准则，经过验算之后，经圆整取各加强圈与顶端高度分别为：4 300 mm，7 900 mm，12 300 mm，16 500 mm，20 830 mm。表 3为中间加强圈位置。
表 3
|
|
表 3 中间加强圈位置
|
2.3.4 中间加强圈截面选择
利用1.2.4中的计算方法，其中SF=2，N=10得到的各个加强圈相关计算值如表 4所示。
表 4
|
|
表 4 各个加强圈相关计算值
|
由表 4中的计算值可知，所得Is＞Ir，因此所选的加强圈截面尺寸合适。考虑到筒体材料的壁厚，选取扁钢的截面尺寸形式如表 5所示。
表 5
|
|
表 5 扁钢截面尺寸
|
2.4 底部加强圈计算
底部所需惯性矩：
其中, SF=2，Q=11.072 N/mm，N=10。底部边缘板的截面布置形式如图 2所示，其自身所能提供的惯性矩Is=12481 cm4＞Ir，因此不需要格外增设加强圈。
3 结论
(1) 分析讨论大型LNG储罐不同部位加强圈的设计方法。对诸如LNG储罐加强圈的个数、安装位置、截面形状以及惯性矩等进行设计校核，得出合理设计的加强圈。
(2) 以国内某大型LNG接收终端项目的基础数据为例，运用本文讨论的设计方法进行设计计算，计算结果与参考项目的计算结果吻合较好，证明该设计方法的可靠性。
| [1] |
刘志军, 喻建良, 李志义. 过程机械[M]. 北京: 中国石化出版社, 2002.
|
| [2] |
BS EN 14015-2004 Specification for the design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed, above ground, welded, steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above[S].
|
| [3] |
BS EN 146200-2-2006 Design and manufacture of site built, vertical, cylindrical, flat-bottomed steel tanks for the storage of refrigerated, liquefied gases with operating temperatures between 0 ℃and -165 ℃[S].
|
| [4] |
API 650-2007 Welded steel tanks for oil storage[S].
|
2011, Vol. 40