矩形儲罐與拱頂儲罐在海洋平臺上應用對比分析

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

矩形儲罐與拱頂儲罐在海洋平臺上應用對比分析

趙剛，胡曉明

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

以拱頂儲罐和矩形儲罐為研究對象，結合海洋石油平臺的應用環境，對比分析了拱頂儲罐和矩形儲罐在設計、制造、成本管理以及質量控制等方面的優勢與劣勢，從而對其進行了綜合評價，得出拱頂儲罐性價比明顯優于矩形儲罐的結論。通過實際工程案例分析，進一步驗證了在海洋平臺上使用拱頂儲罐取代矩形儲罐作為主要的常低壓橇塊產品具有廣泛的應用前景。

拱頂儲罐； 矩形儲罐； 成本管理； 質量控制； 對比

矩形儲罐是海上油氣生產設施中常用的常低壓橇塊產品，主要用來儲存柴油、原油、淡水、開排等介質，具有形狀規整、便于擺放及占地面積小等優點，尤其適用于對空間要求嚴格的海洋平臺。然而，因矩形儲罐承壓主體為矩形平板結構，而且側板連接焊縫較多，必然導致其承壓性能遠低于拱頂儲罐，特別是對于設計內壓大于2.7 kPa(G)的常低壓容器。在設計過程中，矩形儲罐上不僅需要增加大量的內部拉桿和外部加強筋，而且過多的焊縫會導致熱應力集中，從而產生熱變形以致影響了容器的外觀和使用。

拱頂儲罐是指罐頂為球冠狀、罐體為圓柱形的一種鋼制容器，是我國使用范圍最廣泛、制作安裝技術最成熟的常低壓容器之一，具有制造簡單、造價低廉的顯著特點。目前，國內拱頂儲罐的最大體積已經達到19萬m3。

截止到目前，矩形儲罐相對于拱頂儲罐在海洋平臺上應用更為廣泛。筆者通過對比分析二者在設計方法、質量控制、費用控制、安全裕量、生產制造以及占用空間等各方面的綜合性能，卻發現拱頂儲罐具有更為明顯的優勢。尤其是對于空間要求緊湊的海洋平臺，拱頂儲罐的應用前景同樣值得關注。

矩形儲罐、拱頂儲罐的外形結構見圖1。

圖1 兩種常用儲罐外形示圖

1 設計、制造標準對比

矩形儲罐主要零部件包括長側板、短側板、頂板、底板、外部加強筋、內部加強筋、梯子、操作平臺、底座、人孔及接管等；拱頂儲罐主要零部件包括罐壁、罐頂、罐底、頂部抗風圈、中間抗風圈、梯子、操作平臺、底座、人孔及接管等。因拱頂儲罐與矩形儲罐的結構形式和受力特點不同，故其設計和制造標準也存在著明顯的區別。

矩形儲罐的設計、制造標準為NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》[1]和JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設計標準》[2]。拱頂儲罐的設計、制造標準為NB/T 47003.1—2009 《鋼制焊接常壓容器》、SY/T 0608—2006《大型焊接低壓儲罐的設計與建造》[3]以及GB 50341—2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》[4]。

2 結構對比分析

以某橇塊項目中的1臺乙二醇儲罐和1臺注水緩沖罐為例進行結構對比分析。

乙二醇儲罐和注水緩沖罐的設計壓力均為-2.0/35.0 kPa，設計溫度為90 ℃。另外，業主根據工藝條件對體積的需求以及海洋平臺的空間限度，要求乙二醇儲罐按矩形儲罐設計的內壁尺寸為(長度×寬度×高度)5 600 mm×5 000 mm×6 500 mm，材質為S31603不銹鋼(腐蝕余量0 mm)；要求注水緩沖罐按矩形儲罐設計的內壁尺寸為(長度×寬度×高度)16 500 mm×5 200 mm×3 700 mm，材質為Q235B(腐蝕余量3 mm)。

2.1矩形儲罐

按矩形儲罐形式分別對乙二醇儲罐和注水緩沖罐進行設計。鑒于二者設計壓力均為-2.0/35.0 kPa，不能按照文獻[1]進行設計，需要采用有限元分析方法對其強度進行數值分析，才能保證其安全性和可靠性[5-11]。

利用ANSYS分析計算軟件，根據所規定的矩形儲罐內壁尺寸、設計壓力、設計溫度和材質，通過預先設定罐體的有效壁厚、加強筋規格和加強筋布置位置等參數，分別對乙二醇儲罐與注水緩沖罐進行了強度分析計算，可以求解出滿足以上設計參數的儲罐名義壁厚及加強筋規格和布置形式等關鍵結構參數，見表1。

表1 矩形儲罐結構參數

乙二醇儲罐及其內、外部加強筋的有限元模型見圖2，注水緩沖罐及其內、外部加強筋的有限元模型見圖3。

圖2 乙二醇儲罐及其內、外部加強筋有限元模型

圖3 注水緩沖罐及其內、外部加強筋有限元模型

2.2拱頂儲罐[12-15]

海洋平臺上空間受限是影響容器尺寸和使用的關鍵因素之一。因此，為了對比矩形儲罐與拱頂儲罐在相同使用條件下的性價比，筆者將上述乙二醇儲罐與注水緩沖罐再次按等面積、等高(儲罐側壁高度)的拱頂儲罐進行設計。

在保證相同體積的情況下，對比分析采用不同的容器結構形式時，容器的設計、制造以及鋼材使用情況。此時，按照前述拱頂儲罐設計標準中的公式進行強度計算即可，無需再使用有限元軟件進行分析，降低了設計難度的同時，也降低了對設計人員的要求。

2.2.1乙二醇拱頂儲罐

將乙二醇儲罐按等底面積、等高(罐壁高度為6 500 mm)、同材質(S31603)的拱頂儲罐進行設計后，可以得到拱頂儲罐在相同設計條件下的內徑為5 970 mm，其罐頂厚度、罐壁厚度和罐底厚度均為12 mm，且無需增加抗風圈。

2.2.2注水緩沖罐拱頂儲罐

由于矩形注水緩沖罐的長、寬比過大，在按拱頂儲罐設計的過程中將其等化為3臺完全一樣的拱頂儲罐。同時，保證這3臺拱頂儲罐的底面積和為原注水緩沖罐的底面積，高度、材質也與原注水緩沖罐高度相同。

通過計算，可以得到這3臺拱頂儲罐在相同設計條件下的內徑均為6 035 mm，其罐頂厚度、罐壁厚度和罐底厚度均為12 mm，并且無需增加抗風圈。

以乙二醇拱頂儲罐為例，其結構尺寸示意圖見圖4。

圖4 乙二醇拱頂儲罐結構示圖

3 綜合對比分析

3.1

設備質量

無論是矩形儲罐，還是拱頂儲罐，底座、接管、梯子、操作平臺等作為容器的附屬結構，質量并不會發生較大變化。因此，通過計算可以得出矩形儲罐和拱頂儲罐分別作為乙二醇儲罐與注水緩沖罐時主體結構的質量，結果見表2。

表2 乙二醇儲罐與注水緩沖罐采用兩種不同類型儲罐時質量對比 kg

對于乙二醇儲罐而言，拱頂儲罐的質量比矩形儲罐的質量節約將近15 t鋼材。對于注水緩沖罐而言，3臺拱頂儲罐的質量總和為36.78 t，比按照矩形儲罐設計節約將近14 t鋼材。這不僅降低了采購及制造成本，而且對于整個平臺的質量控制也是非常有利的。

3.2占用空間

乙二醇矩形儲罐與拱頂儲罐的布置方案對比見圖5， 圖中實線部分為矩形儲罐， 虛線部分為拱頂儲罐。

圖5 乙二醇矩形儲罐與拱頂儲罐布置方案對比

將乙二醇矩形儲罐的成橇布置圖與拱頂儲罐相比，發現若按拱頂儲罐進行設計，其整橇長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?，拱頂儲罐整橇所占空間增量并不明顯，能夠滿足海洋平臺的使用要求。

注水緩沖罐的矩形儲罐與拱頂儲罐布置方案對比見圖6，圖中實線部分為矩形儲罐，虛線部分為拱頂儲罐。

圖6 注水緩沖罐3臺拱頂儲罐相連與矩形儲罐對比布置方案

對于注水緩沖罐，將其矩形儲罐的成橇布置圖與3臺相同的拱頂儲罐布置圖相比，可以發現若按照3臺拱頂儲罐進行設計，其整橇長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%。雖然拱頂儲罐成橇所占的空間略微有所增長，但若能優化總體布局，依然能夠充分發揮拱頂儲罐降本增效的主要優勢。

3.3設計方法

NB/T 47003.1—2009《鋼制焊接常壓容器》中的矩形儲罐計算方法只適用于設計壓力為0的情況。而多年來海洋平臺上的矩形容器由于工藝要求(如需要氮氣密封等原因)，很多情況下要求其設計壓力為35 kPa(G)。這就要求采用有限元分析方法對矩形儲罐的強度進行計算和校核，致使設計成本增高，且時間較長。

而拱頂儲罐在內部存在微正壓時(例如35 kPa(G))，可以在標準規范中找到常規的計算方法，可以方便地做出標準化計算書，設計時間較短，設計成本低。

3.4質量控制

由于矩形儲罐采用矩形承壓結構，受力狀態不理想。因此，為滿足整體強度與剛度，不僅需要較大的壁板厚度，而且需要設置大量的內外部加強筋和拉筋。尤其是對于設計壓力高于2.7 kPa的常低壓容器以及跨度較長的大型儲罐，在設計工況及水壓試驗工況下，極易在側板下1/3的位置產生較大的撓度區間，并在垂直于撓度區間的加強筋兩端產生較大的應力區間。

通用的解決辦法就是調整加強筋位置或者增加加強筋數量、增大加強筋規格。而拱頂儲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置加強筋(抗風圈)。

通過前述分析計算結果可知，對于大型常低壓儲罐，若按拱頂儲罐設計，單臺可以減少質量十幾噸。尤其對于較高內壓的儲罐及大型儲罐，質量控制效果更為明顯。有效地降低質量，不僅可以節約成本、符合低碳理念，而且能夠優化平臺質量分布。

3.5成本控制

單從節約鋼材質量來看，以每噸鋼材單價數千元計，按照拱頂儲罐設計后，單臺設備可以節約成本近數萬元。而實際上，由于矩形儲罐本體上的焊縫數量較多，不僅需要大量的焊材，而且還要考慮人工成本、檢測成本等因素。尤其是對于運輸、吊裝困難，需要現場建造的大型矩形儲罐，將其分解成若干個等體積的拱頂儲罐后，將極大地降低容器的制造成本。

3.6安全裕量

矩形儲罐由于結構的特殊性，很難使設備本體在設計工況和試驗工況下保持較低的應力值。而且伴隨著加強筋的腐蝕，會使設備的整體強度和剛度隨之降低，應力值卻逐漸升高，不利于長期使用。而拱頂儲罐則不存在加強筋腐蝕的問題，且圓筒形的罐壁結構會使應力較好分布，因此不會存在較高的局部應力點。通過計算也可以發現，拱頂儲罐的應力值往往很低，所以保留了很大的設計裕量，安全可靠性較高。

3.7生產與制造

矩形儲罐焊縫較多，焊接工作量大。如果在施焊過程中焊接控制不利，極易產生焊接變形，從而產生焊接應力，影響結構強度。6個壁板間的組對焊縫以及加強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，同時也加大了容器泄漏的風險。

相比之下，拱頂儲罐的焊接工作量較小，且焊縫多可采用自動焊方法施工，工人勞動強度低且不會產生較大的焊接變形，焊接質量易于保證。

4 結語

通過對矩形儲罐與拱頂儲罐在各方面進行的綜合對比分析可以看出，拱頂儲罐在設計、制造、成本及質量控制等方面都存在著明顯的優勢。在海洋平臺上，若采用拱頂儲罐來替代較大內壓及大跨距的矩形儲罐，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)，鋼制壓力容器——分析設計標準[S]．

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

[3] SY/T 0608—2006，大型焊接低壓儲罐的設計與建造[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計規范[S]．

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

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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中的壓力容器設計及往復式壓縮機成橇設計工作。