臥式埋地油罐設(shè)計(jì)

1、臥式埋地油罐設(shè)計(jì)王立平(大慶油田工程有限公司)臥式埋地油罐經(jīng)常用來(lái)儲(chǔ)存汽油、柴油、煤油等燃料被廣泛應(yīng)用于油庫(kù)、加油站、職工食堂等相關(guān)場(chǎng)所同地上普通臥式罐相比具有施工快、消防設(shè)備簡(jiǎn)單、有可靠的防火防爆能力、節(jié)省土地資源、降低工程造價(jià)等特點(diǎn)。但由于臥式埋地罐在地下要承受覆土的壓力、地下水的浮力以及土壤腐蝕等不利因素的影響因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了要遵循普通地上臥罐的設(shè)計(jì)規(guī)范外還要對(duì)臥式埋地罐進(jìn)行穩(wěn)定性核算和抗浮驗(yàn)算。11結(jié)構(gòu)和材料的選擇由于臥式埋

2、地油罐安裝在地下具有滲漏不易發(fā)現(xiàn)、維修不便等缺點(diǎn)因此在設(shè)計(jì)臥式埋地油罐時(shí)要盡量減少罐體上的焊接接管。設(shè)計(jì)中通常在罐體上開(kāi)設(shè)較大的兩個(gè)管口其中一個(gè)作為人孔必要時(shí)內(nèi)設(shè)爬梯供維修使用另一個(gè)加孔蓋后在孔蓋上開(kāi)設(shè)油罐必需的各個(gè)管口包括進(jìn)出油口、放空口、量油口及液位傳送口等。對(duì)各種焊接接頭的檢測(cè)要遵循《承壓容器無(wú)損檢測(cè)(JBT47302005)》相關(guān)規(guī)定要求進(jìn)行射線檢測(cè)達(dá)到Ⅲ級(jí)合格。臥式埋地油罐的材料選擇要考慮以下因素:①設(shè)計(jì)溫度②設(shè)計(jì)壓力③所儲(chǔ)存

3、介質(zhì)的性質(zhì)④耐腐蝕性能⑤容器材料的力學(xué)性能如強(qiáng)度、剛度、韌性、耐疲勞性能等⑥高溫和低溫對(duì)容器材料力學(xué)性能的影響等。因此對(duì)于埋在凍土中的臥式埋地油罐鋼板的允許使用溫度應(yīng)適合當(dāng)?shù)氐臏囟葪l件建議采用壓力容器專用鋼板(如20R等)。21強(qiáng)度設(shè)計(jì)為了安全起見(jiàn)通常將設(shè)計(jì)壓力選為011MPa設(shè)計(jì)溫度為當(dāng)?shù)貧v年來(lái)月平均最低溫度。211受力分析臥式埋地油罐的罐體所承受的作用力包括:罐內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓P0、罐體四周砂土給予的外壓P1、地下水對(duì)其產(chǎn)生的向上浮

4、力等。根據(jù)無(wú)力矩理論:筒體壁厚與直徑之比很小則認(rèn)為壁厚很薄中徑D≈內(nèi)徑Di只承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力不承受彎矩而且罐體內(nèi)應(yīng)力沿壁厚均勻分布。當(dāng)油罐正常工作時(shí)罐體所受的作用力是平衡的。(1)總軸向力平衡。πD2P4=πDδσhF1由此產(chǎn)生的軸向應(yīng)力σh:速度的約束條件015fts≤v≤8fts管程速度的約束條件01001fts≤vi≤160fts殼程直徑的約束條件Di≤40in等其中涉及獨(dú)立變量的約束可以歸為定義域整個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的非變量約束條件有

5、20個(gè)。利用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化從初始點(diǎn)位0處開(kāi)始求解用8步運(yùn)行。最初7步的運(yùn)行使用給定的迭代界限而當(dāng)達(dá)到默認(rèn)的運(yùn)行時(shí)間界限100s時(shí)第8步運(yùn)算停止。對(duì)于相同數(shù)目的迭代每次運(yùn)行會(huì)得到不同的最終目標(biāo)函數(shù)值這是因?yàn)樵谕蛔兒碗s交操作中使用了隨機(jī)機(jī)理且任意選取初始群體最佳值712157并不是在使用最多的迭代或計(jì)算時(shí)間的運(yùn)行中獲得的而是在10000次迭代運(yùn)行中得到的。由遺傳算法求解程序求得的最終目標(biāo)值見(jiàn)表1。當(dāng)投資總成本為最佳目標(biāo)函數(shù)值時(shí)其它設(shè)計(jì)變量

6、值見(jiàn)表2。利用傳統(tǒng)的罰函數(shù)增廣拉格朗日法優(yōu)化優(yōu)化后目標(biāo)函數(shù)值為734。其結(jié)果見(jiàn)表3。表1由遺傳算法求解程序求得的最終目標(biāo)值運(yùn)行次數(shù)迭代找到的最佳目標(biāo)值運(yùn)行次數(shù)迭代找到的最佳目標(biāo)值1100076919155000784199210007711776100007121573100078912371000079214745000804123828244806169表2使用遺傳算法的設(shè)計(jì)變量值t2WCA0NtLtU012011499320164

7、124115nbΔPiΔP0Dhih0121013184198125714512表3罰函數(shù)增廣拉格朗日法的設(shè)計(jì)變量值t2WCA0NtLtU0117115306193136610154110nbΔPiΔP0Dhih0119012796145125612554由此可見(jiàn)遺傳算法不僅能得到更好的優(yōu)化結(jié)果而且能大大地縮短優(yōu)化計(jì)算時(shí)間。(欄目主持張秀麗)04油氣田地面工程第26卷第6期(200716)σh=PD4δF1πDδ為滿足要求應(yīng)有σh≤[σ

8、]tψ那么:δ=PD4[σ]tψF1πD[σ]tψ式中P為油罐的設(shè)計(jì)壓力δ為筒體壁厚F1為砂土和地下水作用在封頭上的總軸向力為不均勻力[σ]t為筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力ψ為筒體焊縫系數(shù)。(2)總徑向力平衡。DLP=2LδσθF2由此產(chǎn)生的軸向應(yīng)力σθ:σθ=PD2δF12Lδ為滿足要求應(yīng)有σθ≤[σ]tψ那么:δ=PD2[σ]tψF22L[σ]tψ式中F2為砂土和地下水作用在封頭上的總徑向力L為筒體長(zhǎng)度。212確定壁厚通過(guò)上述應(yīng)力

9、分析可以得出筒體壁厚δ的計(jì)算值但由于作用在儲(chǔ)罐上的砂土及地下水的力抵消了部分軸向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力所以得到的δ值應(yīng)該是偏小的。因此按照地上臥罐的計(jì)算方法根據(jù)《鋼制壓力容器(GB1501998)》內(nèi)壓圓筒和內(nèi)壓橢圓形封頭的有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算即:內(nèi)壓圓筒:δ=PD2[σ]tψP內(nèi)壓封頭:δ=PD2[σ]tψ015P由上述公式就能得出埋地罐的壁厚經(jīng)過(guò)圓整得到名義壁厚。實(shí)踐證明運(yùn)用這種方法計(jì)算得到的壁厚δ值是安全的。31穩(wěn)定性校核從埋地罐的受力分析圖

10、可看到埋地罐除了承受內(nèi)壓外還承受罐體四周的覆土壓力這個(gè)壓力會(huì)使罐體變形失穩(wěn)所以埋地罐除了要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算外還應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核及驗(yàn)算。埋地罐的許用外壓力為[P]設(shè)計(jì)外壓力為PY穩(wěn)定性校核的條件是[P]≥PY。如果[P]PY時(shí)則應(yīng)在罐內(nèi)設(shè)置加強(qiáng)圈加強(qiáng)圈的數(shù)目、材質(zhì)、規(guī)格等按照GB1501998相關(guān)章節(jié)進(jìn)行計(jì)算、確定。41抗浮驗(yàn)算如果埋地罐全部或局部埋入最高地下水位以下就要進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。為了保證其在空罐的情況下不被地下水浮起必須滿足下列不等式:

11、GstGso≥VwγwK式中Gst為罐體單位長(zhǎng)度自重Gst=2πRδγst(其中γst為鋼材的密度δ為罐體的厚度)Gso為作用在埋地罐單位長(zhǎng)度上的成棱柱體的土壤重量Gso=γso2H0RπR22H20ctgφ(其中γso為土壤密度H0為油罐軸心到地表的距離φ為土壤摩擦角)Yw為水的密度K為安全系數(shù)取112～115Vw為埋地罐單位長(zhǎng)度上埋入地下水部分的體積。那么當(dāng)h≥R時(shí)Vw=2πcos1hR12hRR2(hR)2當(dāng)h≤R時(shí)Vw=cos1

12、1hR2RhR2(Rh)2其中h為地下水液面到臥罐底部的垂直距離。如果油罐自重和土壓之和不能滿足不等式就說(shuō)明油罐將可能被地下水浮起此時(shí)應(yīng)將油罐加錨固定在基礎(chǔ)上以增加總重錨礅的數(shù)目及固定方式將由土建專業(yè)人員通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。在埋地油罐的設(shè)計(jì)中抗浮計(jì)算是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)只有充分重視埋地罐的抗浮設(shè)計(jì)才能有效防止由于罐體上浮造成的安全事故發(fā)生。51安裝及注意事項(xiàng)臥式埋地油罐安裝方法很多種最常用的是在罐體上設(shè)計(jì)兩個(gè)鞍座鞍座與罐池的基礎(chǔ)固定。另外還