大型卧式LPG覆土压力储罐设计技术研究及仿真分析

姜珊 马强 王成 谢超 杜亮坡 邓鑫

中国石油天然气管道工程有限公司

液化石油气(liquefied petroleum gas, LPG)作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们的重视。在化工生产方面，LPG是乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等产品的重要原料，其制成品广泛用于生产合成塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品；在燃料应用方面，LPG还广泛应用于有色金属冶炼、民用燃气以及汽车燃料等[1]。LPG主要来自于炼油、原油及天然气开采，所占比例分别为41%、24%和35%，2014年全球LPG产量预计为2.75×108t。中国是全球LPG行业发展较快的国家之一[2-3]，产量已从2004年的1 399×104t增长到2013年的2 324×104t，年复合增长率达6.55%。

LPG覆土储罐相比其他罐型具有更多优点，可安装在炼厂、化工厂、天然气加工厂和能源补给站。若干LPG覆土储罐可以并排放置在同一覆土层。带压常温贮存LPG的储罐主要包括球罐、地上LPG覆土储罐、船罐，也可选用常压低温储罐如单容罐、双容罐和全容罐。与球罐和地上卧式储罐相比，LPG覆土储罐安全系数更高[4-6]。LPG覆土储罐具有以下优势：覆土可保护储罐不受热辐射、爆炸压力波、飞行物冲击、破坏活动的影响；满足环境和审美要求；降低场地面积要求；显著降低安全间距[7-8]。其中，LPG覆土储罐最大优势在于可完全消除沸腾液体扩展蒸气爆炸的可能性。19世纪末期，欧美等发达国家开始采用卧式覆土LPG压力储罐代替球形储罐来储存LPG[9-10]，覆土LPG压力储罐在安全性、工程造价等方面具有明显优势[7，10]。进入21世纪以来，欧美等发达国家如德国、法国等，开始禁止再建造大型球形储罐，卧式覆土LPG压力储罐已成为LPG的主要存储设备[11-12]。

在国内，卧式覆土LPG压力储罐技术研究设计处于起步阶段[13-14]，缺少设计和使用经验，也没有相关的设计、制造和检验标准[15-16]。因此，该设计的实施丰富了国内设计技术经验，为今后卧式覆土LPG压力储罐设计奠定了基础。

1 设计原则

卧式LPG覆土储罐的主要设计依据是ASME VIII Div1&2[17]和EEMUA190[18]。同时，部分设计内容需满足PD5500[19]的相关要求。施加在卧式LPG覆土压力储罐上的载荷共9种，分别为罐体自重载荷、储液自重载荷、罐体设计压力、罐体设计负压、覆土压力、因罐体不均匀支撑导致的剪切力、罐体轴向载荷、地震载荷、爆炸气体冲击载荷。初始水压试验时并不会覆盖土壤，因此不用考虑土壤载荷，但在运行一段时间后，复测时需要考虑覆土载荷。

根据EEMUA190规定[18]，覆土埋深深度为0.5 m。本设计中埋深最浅处按0.5 m考虑，腐蚀裕量定为3 mm。

2 结构设计

2.1 设计条件

本研究以3 000 m3LPG储罐为例进行设计计算，设计条件如表1所列。

表1 3 000 m3 LPG覆土储罐设计条件序号名称参数1储罐公称容积/m33 0002设计压力/MPa23设计温度/℃-42～704充装系数0.855腐蚀裕量/mm36压力试验类型水压7覆土深度/m0.58设计雪载-9地震加速度/g0.2

2.2 结构尺寸

根据设计条件计算得到3 000 m3LPG储罐设计尺寸，如表2所列。

表2 3 000 m3 LPG覆土储罐结构尺寸序号名称参数1筒内直径/mm8 0002筒体总长/mm64 3403筒体壁厚/mm544筒体质量/kg685 4655封头厚度/mm366封头质量/kg28 4107其他部件质量/kg191 9158单台质量/kg934 200

3 000 m3LPG覆土储罐直径选取8 m，此时筒体长度64.34 m，罐体总长72.412 m。由于长径比>8，储罐需考虑因弯曲和摩擦力导致的轴向应力，这也将成为决定罐壁厚度的主要因素。考虑到目前国内钢板加工能力，筒体由17个3 800 mm的筒节组成，筒节中间设置加强圈，材料采用SA516.Gr70正火钢板[20]。封头采用内径为8 m的半球形封头，连接处筒体削边，封头材料采用SA516.Gr70正火钢板[20]。本设计中LPG覆土储罐直径8 m，需考虑加强圈，加强圈材料采用A516.Gr70[20]；根据文献[21]中“焊接在罐体上的接管应尽量少”的原则，设置气室封头，所有接管设置在封头上，气室材料为A516.Gr70[20]和A350.LF2 Cl[22]；LPG覆土储罐设置两个DN900人孔，人孔处设置内梯；气室接管与人孔设置高分子材料制成的衬套。

2.3 计算结果

根据2.1～2.2节参数及要求，对3 000 m3LPG储罐相关参数进行计算，计算结果如表3所列。

表3 3 000 m3LPG储罐设计参数计算结果序号名称结果/kN1罐体自重载荷(Q1)492.091 552单位长度罐体自重载荷(Q1L')129.497 783单位长度罐体自重载荷(Q1V')161.872 224储液自重载荷(Q2S) 995.156 025地震载荷(Q2E) 1 243.945 06水压试验下(Q2)1 910.088 37单位长度储液自重载荷(Q2L')261.883 168单位长度储液自重载荷(Q2V')327.353 959加强圈的法相载荷(Q3)5 636.761 610加强圈质量(w)0.704 595 211压缩载荷(Q4)-140.91912单个加强圈的覆土质量(Q5)1 180.920 113单位长度覆土质量(Q5')212.923 2114罐体上的剪切力(Q6)880.495 3315 最大摩擦力(Q7)32 585.56716地震载荷(Q8)3 344.245 817天然气爆炸导致的外部压力(Q9)940.518Q '=Q1L'+Q2V'+Q5'702.149 3819Q=1.33(Q1+Q2+Q5)4 765.523

3 有限元分析

3.1 网格划分及边界条件

LPG覆土储罐为中心轴对称结构，结构在沿轴向方向的受力是不均匀的，故需要建立三维立体模型，LPG覆土储罐实体模型及网格划分见图1。考虑到需要计算LPG覆土储罐在软土、硬土非均匀地基条件下的受力情况，建立1/2模型，较全模型更加节省计算成本。罐体结构材料力学参数为：材料密度为ρ=7 850 kg/m，弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3。本研究采用弹性分析，计算出来的壳体和梁上应力分别与许用应力校核，从而来判断整个LPG覆土储罐的强度问题。

边界条件：①覆土压力作用在储罐上半部分，且在储罐顶部土壤作用力最大，在储罐上下部分相接处最小，并呈非线性变化；②重力是以惯性力加载方式加载上去的，因此，重力加载方向与加速度的方向相反，重力加速度g=9.8 m/s2；③关于地基支撑考虑120°倾斜角，模拟结果显示当夹角为120°时，沙床支撑为0；④储液静水压：正常操作条件下，介质按照LPG计算；水压试验时，按照水的密度计算；⑤内压：根据LPG覆土储罐计算，设计压力为2.0 MPa，因此，在罐内壁上施加2.0 MPa的内压。

3.2 计算结果

LPG覆土储罐用于存放高压LPG，存放高压气体时不仅受到内压作用，且由于罐埋于地下，储罐会受到来自土壤的外压。根据不同工作条件、土壤作用和储罐运行状况，本研究对12种工况分别进行考虑，具体工况如表4所列。

(1) 工况1：空罐(中间沉降)

工况1考虑了空罐(中间沉降)的情况，此时需要考虑罐体自重、不均匀的覆土压力、不均匀沉降(罐体中间沉降比两端多)、罐体由于热胀冷缩会与土壤产生摩擦力，特别在热胀的时候，轴向膨胀量很大，这样会在封头上产生较大土壤阻力。LPG覆土储罐垂直位移、应力云图及加强圈应力云图如图2所示。

根据计算结果可知，中间沉降较多，比两边多沉降12 mm，这样会在罐体中间底部产生较大的拉应力，同时中间底部也是应力最大的地方。如图2(b)所示，该应力为根据第四强度理论计算出的应力，即Mises应力。从图中可知，罐体上最大应力为10.2 MPa，加强圈上的应力最大为9.2 MPa。

同理，针对表4中其他工况进行模拟，具体结果如图3～图13所示。

表4 不同模拟工况序号工况载荷1空罐(中间沉降)罐体自重+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头2正常工作(中间沉降)罐体自重+内压+介质静水压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头3地震下空罐(中间沉降)罐体自重+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头+水平和垂直地震载荷4地震下满罐(中间沉降)罐体自重+内压+介质静水压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头+水平和垂直地震载荷5水压试验(中间沉降)罐体自重+试验内压+静水压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头6真空(中间沉降)罐体自重+外压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头7空罐(两端沉降)罐体自重+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头8满罐(两端沉降)罐体自重+内压+介质静水压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头9地震下空罐(两端沉降)罐体自重+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头+水平和垂直地震载荷10地震下满罐(两端沉降)罐体自重+内压+介质静水压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头+水平和垂直地震载荷11水压试验(两端沉降)罐体自重+试验内压+静水压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头12真空(两端沉降)罐体自重+外压+覆土压力+不均匀沉降+罐体与土壤摩擦力+土壤作用在封头

(2) 工况2：正常工作(中间沉降)

(3) 工况3：地震下空罐(中间沉降)

(4) 工况4：地震下满罐(中间沉降)

(5) 工况5：水压试验(中间沉降)

(6) 工况6：真空(中间沉降)

(7) 工况7：空罐(两端沉降)

(8) 工况8：满罐(两端沉降)

(9) 工况9：地震下空罐(两端沉降)

(10) 工况10：地震下满罐(两端沉降)

(11) 工况11：水压试验(两端沉降)

(12) 工况12：真空(两端沉降)

本研究对以上12种工况进行逐一分析，从分析结果可以看出：罐内加强圈的作用主要用于平衡覆土压力和地基支撑，能够较好地增强罐体刚度，吸收来自土壤和地基的外部作用力；封头受到来自覆土的压力，在热胀时中间下沉较为明显；正常和水压实验情况下，未达到材料的屈服应力，证明该设计合理可行。地震对罐体沉降有较大的影响，而对罐体影响较小。

4 结论

(1) 该设计的完成丰富了国内大型卧式LPG覆土压力储罐设计技术经验，可为今后的设计奠定基础。

(2) 针对本研究3 000 m3卧式LPG覆土压力储罐结构模拟可知：热膨胀时罐体沉降较为明显；地震情况下储罐沉降也较为明显，但对储罐的应力影响较小；正常操作工况下和水压试验下，罐体材料均未达到材料屈服点，并有部分余量，表明罐体设计合理。