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知识分享(石化储罐):立式圆筒形钢制储罐(二、常温储罐发展史)

作者:电仪智汇
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大陆常温储罐的发展,概括起来可归纳为积累、发展和飞跃

1 积累

建国初期,国内工业生产还处于贫穷落后的状况,国民经济百废待兴,石油工业的发展也不例外,工业应用的储罐不仅数量极少而且容积也小,基本上都是固定顶储罐,罐的容积达到1000m3(内径~11m、罐壁高~14.5m)都算大型储罐,设计和施工基本是仿照前苏联的模式来进行。罐壁和罐底均为搭接形式,罐顶为锥顶或拱顶结构,主体材料基本上是A3F和A3等3号甲类钢(老牌号),施工方法有卷装法、正装法和气吹顶升倒装法。卷装法施工来自前苏联,此法是将罐壁和罐底分别焊接成卷,运到现场后再打开安装,装上罐顶,就完成罐的施工,这种施工方法比较落后(图36)。查阅资料可以看到,当时储罐的最大容积约为5000 m3(内径~22m,罐壁高~16.5m)。

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图36 卷装法施工储罐

1962年9月,国内五人专家组(图37)赴古巴考察炼油工艺装置的同时,也“引进”了一些常规的储罐资料,其资料实际上是来自于技术比较先进的美国,拓宽了我们的视野,对当时国内储罐的设计帮助很大。固定顶罐为柱支撑式锥顶或悬链式无力矩顶储罐,内浮顶为钢制敞口浮舱式或浅盘式储罐(图38、39),外浮顶罐为钢制单盘或双盘式储罐(图40、41)。柱支撑式储罐就是这个时间段发展起来的。储罐的施工方法基本采用正装法或倒装法。

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图37 五人专家组洛阳留念

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图38 敞口浮舱式内浮顶

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图39 浅盘式内浮顶

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1--罐底 2—罐壁 3—刮蜡机构(浮盘限位器)4—一次密封 5—二次密封 6—泡沫挡板

7--中间抗风圈 8--抗风圈 9—量油管 10—顶平台 11—浮顶支柱 12—静电导出装置

13—转动浮梯 14—排水系统 15--转动浮梯轨道 16—双盘浮顶 17—导向管 18—导向管平台 19 罐底边缘防水设施 20—加热器

图40 单盘式外浮顶储罐

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1--罐底 2—罐壁 3—刮蜡机构(浮盘限位器)4—一次密封 5—二次密封 6—泡沫挡板

7--中间抗风圈 8--抗风圈 9—量油管 10—顶平台 11—浮顶支柱 12—静电导出装置

13—转动浮梯 14—排水系统 15--转动浮梯轨道 16—双盘浮顶 17—导向管 18—导向管平台 19罐底边缘防水设施 20—加热器

图41 双盘式外浮顶储罐

值得关注的是,以美国为代表的储罐技术较为先进的国家,对10000 m3以上的固定顶罐顶基本采用柱支撑式锥顶盖(图42),这是我们接触国外项目时经常会遇到的。柱支撑式锥顶盖基本不用预制,现场可直接铺设。因罐顶坡度小,易于实现“弱连接”结构,日常操作或检维修时人行走非常方便。尤其在储罐内直径相同时,由于气相空间较拱顶小,所以“小呼吸”时损耗也少,但相比拱顶耗钢量要大,承受的内压力要低些,不适用于基础不均匀沉降量大和地震频发的地区。

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图42 柱支撑式锥顶储罐

20世纪60年代中期,受古巴考察的启发,国内第一台单盘外浮顶储罐在抚顺石油二厂建成投产,容积为20000m3。从此便拉开了国内对储罐基础工作研究的序幕。主要在带筋顶壳、储罐风力稳定计算、单盘浮顶计算、储罐抗震设防及计算等方面做了大量的试验和研究工作。

1963年,以原北京石油设计院刘以宏、郭迥为代表的老前辈,经过大量的计算研究,结合球壳的特点,巧妙地把建筑结构用带筋薄壳移植到罐顶上,形成了我们特有的带筋顶壳(图43)的结构及其计算方法。从此以后,国内用带筋薄壳顶逐步取代了国外的柱支撑式锥顶,这就是柱支撑式储罐在国内基本消失的原因所在。此结构绝对属于我们中国人的专有技术,带筋薄壳顶的结构及其计算方法一直延用到今天。

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1—瓜皮版 2—中心顶板 3—罐顶加强筋

图43 带筋顶壳

其次,中国科学院力学研究所在1965年和1974年,参考50000 m3外浮顶油罐的设计尺寸制成了敞口油罐的模型,并在风洞中进行了一系列的试验,为我们储罐设计规范中的风力稳定计算方法提供了依据。

关于单盘式外浮顶(图44)的计算,各国规范只提出了设计要求而没有给出计算方法,世界各国的工程公司在工程项目中是八仙过海,各显神通。

1974年,中国科学院力学研究所对单盘式外浮顶的结构计算进行了大量的理论研究,从理论上推导出单盘外浮顶的计算公式,给我们的设计工作提供了极大地帮助。

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1—边缘浮舱 2—单盘板

图44 单盘式外浮顶

1976年10月,国内先后在两座50000 m3单盘外浮顶上通过灌水进行了沉没试验,对理论计算方法进行了修正。

1975年后,以原石油部天津工程技术研究所项忠权教授、大连工学院邬瑞锋教授、北京石油设计院金维昂高工等为代表的前辈们,对储罐在地震作用下的失效做了深入细致的研究,并在震动试验台上,输入地震波模拟水平地震进行试验,为大陆储罐的抗震设防及计算打下了坚实的基础。图45为地震作用下罐壁轴向失稳(象足)

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图45 地震作用下罐壁轴向失稳(象足)

1980年,以北京石油设计院金维昂老前辈为代表的设计人员,参考美国石油学会API650、日本工业协会JIS B8501 、英国石油储罐标准BS 26549-1989, British Standard Specification For《Manufacture Of Vertical Steel Welded non-Refrigerated Storage Tanks With Butt-Welded Shells for The Petroleum Industry》等标准,并结合我们的试验与研究工作,编制了大陆第一部油罐设计规范SYJ1016-8210《立式圆筒形钢制焊接油罐设计技术规定》(图46),为设计者使用提供了方便。

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图46 大陆第一部油罐设计规范

综上所述,我们在罐顶结构与计算、罐壁不等厚薄壁圆筒的风力稳定计算、储罐的抗震计算、单盘外浮顶的结构计算等方面,具有独到的见解,形成了我们独特的方法,经多年的工程实践证明,这些计算方法行之有效,安全可靠。

2 发展

随着国民经济的不断发展,尤其是1978年后国家实施了改革开放的重要举措,储罐技术也伴随国民经济前进的步伐在不断发展。

下面从几个方面来回顾大陆储罐的发展。

2.1外浮顶储罐

随着石油工业的发展,与之配套的油品储存技术也在进步。1975年,国内大型外浮顶储罐的建造有了较大进展。首先在原上海的陈山油库建成了国内第一台30000m3(直径46m、罐壁高19.35m)和第一台当时国内最大容积--50000 m3 (直径60m、罐壁高19.35m)的单盘外浮顶油罐,其所用主体材料分别为国产16MnR、A3R和A3F,设计由我们自己独立完成,为国内以后大型外浮顶储罐的设计与建造打下了良好的基础。

30000m3和50000 m3单盘外浮顶(图44)油罐,罐壁采用“一英尺”法即定点法进行强度计算,按照我们自己研究的方法进行了风力稳定和抗震计算。浮舱为桁架结构,确保其在平面内和平面外均不会失稳,单盘采用了大挠度理论计算等。密封和排水系统等重要附件全部为国内生产。更难能可贵的是,在充水试验期间,对其中的一台50000 m3储罐罐壁、罐底边缘板和清扫孔的应变做了现场测试,为以后的工程设计积累了第一手数据。

在总结实际运行经验的基础上,原石油部北京石油设计院于1976年根据自己的实战经验,将外浮顶罐(图47)、固定顶罐和内浮顶罐的主要参数各自系列化,在规范国内的储罐设计、提高设计效率、节约材料、方便现场施工等方面,做了大量富有成效的工作,具有积极的现实意义。

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图47 大陆第一个外浮顶油罐系列表

1978年12月,石油工业部炼油设备设计中心站出版发行了“1000m3~50000m3浮顶油罐通用图系列”(图48),为全国外浮顶油罐设计提供了技术支撑,从此便拉开了国内外浮顶油罐设计与建造的序幕。

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图48外浮顶油罐通用图系列

2.2 内浮顶储罐

为减少罐内储存介质的挥发损耗,达到节能减排和保护环境的目的,内浮顶是国内外公认和普遍采用且行之有效的措施之一。

1978年3月,北京石油设计院和东方红炼油厂合作,将一台3000 m3固定顶储罐改造为敞口浮舱式内浮顶储罐,这是大陆使用的第一台内浮顶储罐(图38)。

此后设计与建造的内浮顶基本以浅盘式结构为主(图39)。浅盘式内浮顶结构简单,施工方便,但受结构限制,一旦出现局部泄漏,因没有隔舱,就会造成整个浮盘存油,天长日久,浅盘式内浮顶就会发生沉盘。

1983年、1985年和1987年,大陆原荆门炼油厂、南京炼油厂和茂名炼油厂等先后从原西德VACONO公司引进了VACONODECK 5000 m3铝制井字形内浮顶(图49)。

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图49 原西德 VACONODECK浮筒式内浮顶资料

1987年上海金山石化又从美国引进了上下夹梁形的铝制内浮顶,随后国内两大设计单位—中国石化北京设计院和中国石化集团洛阳石油化工工程公司分别联合上海喷嘴厂和辽阳东方铝制品厂等单位进行了消化与吸收,并先后于1985年和1986年分别在原上海炼油厂和燕化东方红炼油厂的5000 m3汽油罐和汽柴油混合罐上首次使用了国产铝制内浮顶。1987年8月在北京通过了原中国石油化工总公司科技发展部组织的技术鉴定,并获得石化总公司八七年度科技进步二等奖。(图50~52)

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图50 技术鉴定证书

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图51 获奖证书

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图52 国家科技成果证书

1990年后,国产铝制内浮顶如雨后春笋般蓬勃发展,先后出现了装配式三角形内浮顶和其他形式的内浮顶,如浮箱式内浮顶等。内浮顶的材质也延伸到奥氏体不锈钢、玻璃钢等。国内使用的内浮顶逐渐由装配式取代了现场组焊式。

装配式内浮顶的最大优点是能将预制好的内浮顶零部件,通过罐壁人孔直接送入罐内进行组装,大小容积的罐平均10天就可以完成整个内浮顶的安装,比现场组焊式内浮顶节省四十天左右,大大缩短了施工周期,在经济建设快速发展的今天,意义十分重大。

装配式内浮顶还特别适用于固定顶储罐改为内浮顶储罐,加之铝合金重量轻、铝合金和奥氏体不锈钢都耐腐蚀,投资费用也低,很快便得到了用户的认可,从90年代中后期到现在,国内的内浮顶基本都采用了装配式铝制或不锈钢制内浮顶,新技术的应用,提升了我们储罐的整体技术水平。

2001年,中国海洋石油总公司惠州炼油厂与欧洲的壳牌(shell)公司合作,建造了五台目前国内最大的100000 m3内浮顶储罐,罐内径78m,罐壁高22.3m,内浮顶材料为玻璃钢,现场在罐内浇注成型,罐顶为铝网壳结构(图53)。各型装配式内浮顶见图54~62。

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图53 惠州100000m3玻璃钢制内浮顶储罐

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图54 装配式铝制内浮顶储罐

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图55 装配式井字形铝制内浮顶

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图56装配式井字形不锈钢制内浮顶

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图57 装配式三角形不锈钢制内浮顶

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图58 装配式三角形铝制内浮顶

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图59 整体加强模块式不锈钢双盘内浮顶

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图60 浮箱式铝制内浮顶

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图61金属蜂巢式内浮顶

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图62玻璃钢内浮顶

随着装配式内浮顶使用数量的剧增,内浮顶的质量越来越让人堪忧,为了规范市场,遏制内浮顶质量不断下降的状况,中石化广州(洛阳)工程有限公司同辽阳石化设备有限公司、中石化北海炼化有限责任公司、中石化销售有限公司、上海浦东伸钢机械有限公司、镇海石化工程有限公司、天津华浮石化设备工程有限公司、保定市新华石化设备制造有限公司组成编制组,完成了国内第一部内浮顶规范的编制工作,规范标准号SH/T319411-2017 《石油化工储罐用装配式内浮顶工程技术规范》2018年1月1日正式实施,对指导内浮顶的选型、设计、材料选取、制造与安装,此规范荣获中石化工程建设管理部工程建设标准化优秀成果奖(图63),避免因无规范可依而造成的质量下降,具有重要的指导意义。

2015年后,国内陆续出现了装配式全液面接触内浮顶(图59~62),并在工程项目中开始试用,这些内浮顶包括整体加强模块式不锈钢双盘内浮顶、浮箱式内浮顶、金属蜂巢式内浮顶和玻璃钢内浮顶,全液面接触内浮顶的最大优点是浮顶和液面之间不存在气相空间,但箱体之间连接缝的毛细渗漏和箱体安装拆卸的方便程度还需通过实际运行后进一步完善。

文章来源:大型储罐

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