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马来西亚球罐设计计算综述

来源:专题范文 时间:2024-02-01 16:19:01

张楠 程鹏 张浩 赵翠玲 钟翔

(1.中国石油北京项目管理公司天津设计院,天津300457)

(2,中国石油塔里木油田分公司, 库尔勒841010)

随着我国国际化的步伐加快,越来越多的企业进入马来西亚油气市场。例如中国石油天然气管道局2016年进入马来市场,现已承接几个重大项目,其中RAPID项目是其承揽马来国家石油公司的一个重大工程。球罐是重要的储存容器。我国有专门的球罐设计标准GB12337<<钢制球形储罐》[1]用来指导储罐的设计与制造工作。GB12337从球壳、支柱、拉杆、耳板、垫板等几乎球罐的每个部分考虑,分析了其受力,并给出了相应的计算公式或经验取值。但马来西亚同许多国家一样并没有专门的球罐标准。而且部分马来业主并不承认我国标准的有效性。所以采用马来标准本土化设计方法就显得尤为重要。

PTS标准是马来石油公司编制的标准,涵盖了油气处理的各个方面。它参考了美国标准与欧盟标准,形成了独特的标准体系。对于压力容器来说,主要遵循马油标准PTS31.22.20.31<<压力容器技术要求》[2],本技术要求是基于ASME VIII上(PTS31.22.20.31部分章节直接指向ASME VIII条款),提出了马油的特有要求。

本文以马来RAPID项目为例,介绍以PTS标准设计的6000m3丙烯球罐的设计计算过程。

球罐需要分析的部分包括:壳体、接管、耳板、支柱与拉杆等[1]。需要注意的是,与我国常规设计不同,马来球罐拉杆并不设置调节螺母(国内常规做法:拉杆设置调节螺母),而是拉杆相互焊接或通过钢板连接(见图1-1)。壳体与接管由于结构简单,RAPID项目中马方要求采用ASME VIII DIV2中相关公式进行校核。而支柱由于其与球壳连接处结构复杂,并承受自重、压力、地震、风载等组合载荷,且无相应公式计算,故马方要求采用有限元校核。

图1-1 马来球罐拉杆连接结构

球壳与接管计算因为ASME VIII DIV2[3]中有相关公式,本文将不再赘述。本文将重点对支柱与拉杆的有限元设计方法要求进行描述。

本工程丙烯球罐考虑到海运对钢板长度的限制,球壳采用五带结构,支柱与球壳连接处是球罐设计中需要考虑的重点部分。对于支柱与球壳连接,目前GB12337中列出了三种推荐结构:直连型、U型托板与长圆型。本次球罐设计中,为减少应力,支柱与球壳连接采用了U型托板改进型:径向托板结构。

2.1 设计基础条件

丙烯球罐具体设计基础参数见表2-1.

表2-1 设计基础条件

2.2 载荷工况

按PTS 31.22.20.31 中4.4&4.5节要求,球罐设计中需要考虑八种组合载荷工况。如下:

● Case 1=L1+L6

● Case 2=L1+L2+L4+L6

● Case 3=L1+L2+L31+L4+L6

● Case 4=L1+L2+L4+L7

● Case 5=L1+L2+L31+L4+L7

● Case 6=L1+L2+1.43xL32+L5+0.25xL6

● Case 7=L1+L2+1.43xL31+L5+0.25xL6

● Case 8=L1+L2+L33+L6

符号意义:

L1 :设备质量;

L2 :最大操作液位下介质质量;

L31:设计压力;

L32: 最大许用压力;

L 33:放空工况下压力载荷。一般取0.2 bar(0.02MPa);

L4: 操作温度由限制热膨胀引起的载荷;
L5: 水压试验下设备充水质量;

L6 :按ASCE7计算;

L7:地震载荷,本工程SDS=0.29g。

1)风载荷计算

风载荷根据ASCE7风载公式

Fw=qzG CfAf

qz=0.613kzkztkdv2

阵风影响因子G ,本工程 取0.85

载荷系数Cf,本工程取1.00

其余参数符号定义见ASCE7。

2) 载荷工况选择

考虑到荷载组合中最严重的情况,对8种组合工况进行了分析。工况3、工况5和工况6被视为最严重工况,应分别进行校核。下表列出了3种工况组合下的基本载荷参数。

表2-2 工况载荷表

考虑到篇幅的限制,本文将只对工况5的校核进行详细描述,其余工况分析与工况5类似。

3.1 分析模型

球壳板与上支柱材质选用 SA-537 Cl.1,下支柱和拉杆采用SA36。材料性能见表3-1。因为要分析地震与风载,故在分析模型中采用SHELL 181单元建立了完整的有限元模型,包括壳瓣、上柱、下柱和交叉拉杆。

表3-1 材料性能表

图3-1 支柱结构

图3-2 球罐受力模型

3.2 分析云图

图3-3 球壳应力云图

分析模型建立后应对模型施载,每个施载模型(包括自重、压力、地震、风载、热载等)均按施加步骤列于计算书中。本球罐受力总模型结构不连续处网格密度为20mm,单支柱模型网格密度为5mm。分析受力云图应包括球壳、上支柱、下支柱与拉杆。为减少篇幅,本文受力结果云图只罗列了各部分PL+Pb+Q的云图(Unit: MPa)。从得到应力数值后,采用ASME VIII DIV2中的方法对应力评估,本次工况的评估结果见表3-2

表3-2 应力评估结

图3-4 上支柱应力云图

图3-5 下支柱应力云图

图3-6 拉杆应力云图

3.3 结果分析

本文以马来RAPID项目中球罐为例,论述了马来球罐的计算与注意要点。马来球罐计算主要基于ASME VIII DIV2, 接管补强采用DIV2中公式法。而支柱与拉杆的计算,采用有限元方法分析。与国内球罐标准不同的是,马来球罐载荷工况分为8个,设计时应对8个工况中最严重的几个工况进行分别校核。

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