低温储罐详解

1低温储存储罐设计基础金国强中国石化集团上海工程有限公司SSEC2006-7-182内容1基础知识2常压低温储存储罐的主要相关标准与分类3低温储罐的设计条件4设计载荷5低温储罐的材料6结构简介7防火要求及布置31基础知识1.1低温储存储罐的概念一般可以定义为在环境温度下，常压、低温储存液态烃的储罐，或者GB50160-92（1999版）石油化工企业设计防火规范所划分的称之为全冷冻式液化烃储罐，通常也俗称为“冷罐”，其特征是储存压力为常压、储存温度在液化烃的沸点以下。41.2常压与低温的一般界限1)常压~15kPaG(一般)(有一种真空绝热的双壁金属储罐,设计压力在0.1MPaG以上,其储存温度比常压下的液化烃沸点略高,按GB50180-92定义，可以称之为半冷冻式液化烃储罐，按NFPA59A定义，属于ASME压力容器规范控制的容器范畴。这次讲课，不包括此内容。)52)低温几种液态烃常压的沸点低温储存物料沸点（@760mmHg）0C1甲烷-161.52乙烷-88.33乙烯-103.94丙烷-42.175丙烯-47.76正/异丁烷-0.5/-11.737LNG~-16261.3几种液态烃的其他重要物理性质低温储存物料临界温度0C临界压力MPaA爆炸极限V%1甲烷-82.14.545.3/142乙烷32.274.733.2/12.53乙烯9.99.93.05/28.64丙烷96.814.122.4/9.55丙烯91.894.452.0/116正/异丁烷152.01/134.9858.12/58.121.6/8.57LNG~82*~4.53*5.3/14*71.4几种性质定义1)临界温度某种气体，当气体超过一定温度时，无论加多大压力都不能使其液化，这一温度称为该气体的临界温度。2）临界压力在某气体的临界温度时，给气体加压使其液化所需的最低压力，称为该气体的临界压力。83)爆炸极限可燃气体，无空气参与就不会燃烧。即使有空气而不在与空气的混合比例范围之内也不会引起燃烧。将能引起燃烧的混合比例范围，用燃烧气体与空气的体积百分比%表示称为燃烧范围。在燃烧范围内引起爆炸的范围称为爆炸范围。燃烧范围与爆炸范围几乎相同。A可燃气体在空气中刚刚维持火焰蔓延的最低浓度称为气体的爆炸下限。B可燃气体在空气中足以使火焰蔓延的最高浓度称为气体的爆炸上限。91.5液态烃的火灾危险性分类1)液态烃的气化气体属可燃气体，上表所列的液态烃由于空气混合物的辨证下限均10%,因此属甲类可燃气体。2)液态烃上表所列液态烃，由于其在150C时的饱和蒸气压均0.1MPa,因此属于甲A类.3)火灾危险性分类类别，是工厂布置、建筑等防火设计的主要依据。102常压低温储存储罐的主要相关标准与分类2.1标准1)API620_1996,大型、低压焊接储罐设计与建造标准（DesignandConstructionLarge,Welded,Low-PressureStorageTanks.）API620_1996（附录Q），液态烃气体低压储存储罐（Low-PressureStorageTanksforLiquefiedHydrocarbonGases）112)BS7777_1997,立式平底圆筒型低温储罐标准（Flat-bottomed,vertical,cylindricalstoragetanksforlowtemperatureservice）3)NFPA59A_2001,液化天然气（LNG）生产、储存、装卸标准（StandardfortheProduction,StorageandHandlingLiquefiedNaturalGas(LNG)4)GB50160_92(1999年版)石油化工企业设计防火规范5）GB50183_2004石油天然气工程设计防火规范122.2主要标准规范简介1)API620_1996，附录Q是目前低温储罐的材料、设计与建造的标准依据，国内尚无相应标准。适用于单壁保冷与双壁的冷冻罐。温度适用于-51~-1680C（-60~-2700F）范围，可满足LNG、液态乙烯等上述液态烃的设计要求。132）BS7777_1997，标准由三部分组成：（1）第1部分设计、建造、安装与操作一般准则（Part1，Guidetogeneralprovisionsapplyingfordesign,construction,installationandoperation）.（2）第2部分储存温度-1650C以上液化气的单包容、双包容和全包容金属储罐的设计与建造规定（Part2,Specificationforthedesignandconstructionofsingle,doubleandfullcontainmentmetaltanksforthestorageofliquefiedgasattemperaturesdownto-1650C.14（3）第3部分预应力混凝土与钢筋混凝土储罐及其基础的设计与建造推荐性规定；以及储罐绝热、寸里与储罐涂层的设计与安装推荐性规定（Part3,Recommendationforthedesignandconstructionofpre-stressedandreinforcedconcretetanksandtankfoundations,andforthedesignandinstallationoftankinsulation,tanklinersandtankcoatings）是目前常压低温液态烃储罐分类的主要依据标准比API620附录Q与NFPA59A更具体化153）NFPA59A_2001是世界上LNG液化、储存与装卸工程设计中应用最广，最全面并最有权威性的一部防火设计规范。1971年初版，已经有35年历史，目前已经第8版，2006版也即将发布。国内所建LNG基地生产型装置、LNG调峰站，大型LNG接收终端均以该标准作为设计的主导标准。主要内容有：16-绪论-LNG站场的厂址选择和布置-工艺设备-固定式LNG储罐-气化设备-配管系统及部件-仪表与电气设施-LNG与冷剂的输送-防火、安全与保安-采用固定式ASME储罐的补充规定-操作、维护与人员培训174）GB50160_92(1999年版)是国内石油化工工程设计防火最主要的规范，5）GB50183_2004随着国内天然气工业的发展与大型LNG接收终端的建设，原来的GB50183未包括LNG液化天然气站，2004版增加了第10章液化天然气站场，原则上引用了NFPA59A。182.3常压低温储存储罐的分类2.3.1按储罐的基础板标高对建造的地面标高区分1)地上式可分为两种:基础平板(Slab)贴地式和基础平板架空式2)地下式可分为半地下式与地下式1920212.3.2按储罐的主要建造材料区分1)钢板金属(MetalSheet)外罐与内罐主要构件均采用金属钢板制造2)混凝土(Concrete)一般外罐筒体采用预应力混凝土加外罐内壁金属薄板寸里，拱顶采用钢筋混凝土加内壁寸里。内罐采用与介质低温相适应的金属板材制造。3)薄膜式(Membrane)0.7~1.2mm的35Ni钢薄板贴于硬绝热材料上,设计、建造难度计极高，也用于LNG运输船上，世界上掌握该技术的国家为数不多。22232425262.3.3按对介质的拦截程度区分(以LNG储存为例)1)单包容储罐(SingleContainment)内罐储存低温液体，外罐只是承担保存绝热材料的功能。内罐如果破裂，对低温液体与气相物料均不能截留，内罐万一破裂，流出的低温液体将由设置在储罐周围的防油堤进行截留控制，气相物料则扩散至大气。27单包容储罐282）双包容储罐内罐储存低温液体，外罐的功能除保存绝热材料外，并可截留从内罐破裂后流出的低温液体，但对气相物料不能截留，气相物料扩散至大气。储罐外可不设防油堤。29双包容储罐303)全包容储罐内罐储存低温液体，外罐的功能除保存绝热材料外，并可截留从内罐流出的低温液体和气相物料，因此内罐如果破裂，对气液两相均可由外罐截留。储罐外可不设防油堤。31全包容储罐322.3.4BS7777的分类举例2.3.4.1单包容储罐见图4-A、B、C、D2.3.4.2双包容罐见图5-A、B、C2.3.4.3全包容罐见图6-A、B、C33图4单包容罐34图5双包容罐35图6全包容罐363低温储罐的设计条件3.1设计单位或承包商与业主之间需沟通的基本条件1）储罐建造的地点2)确定储罐类型3)储罐的直径、高度或容积4）外罐的直径与高度5）基础的类型与基础底板的加热方式6）储罐的合同范围与交接7）对所确定的储罐类型，确定设计的载荷与条件8）有关储存介质的性质，包括密度、温度、腐蚀裕度以及允许的蒸发量（BOGrate）9）内罐的设计正压与负压值，以及外罐或外罐壁的设计值。3710）储罐的最低与最高设计金属壁温11）在储罐寿命期内以及水压试验时，预期的基础最大总的沉降量与差异沉降量12）所有要安装的附件、平台与楼梯的尺寸、数量、形式与布置位置。13）储存介质的最大充装与送出速率，以及其他排气的配置。14）水压试验所需用水量383.2设计单位或承包商与业主之间可选择而由设计单位或承包商提供的其他条件1)周边可能发生所影响的爆炸强度与仃留时间.2)上空飞行物的重量与速度.3)内罐突然事故造成的冲击载荷.4)地震载荷条件,包括静力分析与动力分析.NFPA59A中的抗震设计，对LNG储存储罐引入了OBE及SSE概念.○不影响操作的基本地震[OperatingBasisEarthquake(OBE)]OBE发生时和之后,LNG储罐的构筑物与系统,仍可维持操作。○安全仃车地震[SafeShutdownEarthquake(SSE)]SSE发生时和之后，储罐所包容的容量没有损失，且能保持储罐的性能。395）防止罐内液体翻滚（RollOver）的措施○翻滚（RollOver）现象由于进料密度的差异，或随着外界热量不断由外向内的传递，当储罐内某一区域的大块团液体温度与周围发生一定差异时，温度较高的‘大块团’液体由于密度较高而发生向上串升，温度较低的液体则迅速填补‘大块团’液体，此时就发生所谓的翻滚（RollOver）现象。此现象会造成液位表面的液体迅速蒸发，蒸发率的剧增会造成泄压装置的超负荷而来不及排放，储罐压力会超过设计压力而造成危险。○防止的一般措施有：设置密度计，监视不同液位密度，两种进料方式，上部与下部进料，406）在内外罐之间的环形空间设置液体泄漏探测与排除设施。3.3储罐类型的选择准则3.3.1不设限制的控制项1)地震2)风、雪、气候条件3）来自工厂以外的危险3.3.2需设限制的控制项1)厂内飞行物2)厂内爆炸的压力波3)维修时的危险性防止4)临近储罐或工厂的火灾415)满载后液体溢出6)工艺超压7)翻滚8)主要金属材料失效,如脆性断裂9)金属材料部分事故,如泄漏10)材料疲劳11)腐蚀12)与罐底、罐体或罐顶相连接的配管失效13）储罐基础情况423.3.3必须控制项1)临近的其他工厂2)工厂内与储罐临近的控制室、办公室与其他建筑物3）工厂外的临近的居民区4）国家与当地主管部门要求5）规范要求434设计载荷4.1正常载荷4.1.1静载荷1)储罐自重2)绝热材料重量3)罐顶重量4)悬顶重量(当采用此种结构时),包括绝热材料与支承结构重量5)附属件重量,如管道、阀门、平台、通道、楼梯等6）混凝土基础重量7）混凝土罐壁重量(当采用此种结构时)444.1.2外载荷1)一般载荷○固定式罐顶均布载荷1.2kN/m2(~120kg/m2)○罐顶集中载荷,任意位置的300x300mm面积上5kN(~500kg)○罐顶操作平台、通道作用于罐顶上的均布载荷2.4kN(~250kg)上述一般载荷已计入了雪载荷与罐内负压载荷，含义是可以不再计入雪载荷与罐内负压载荷。○悬顶的最小均布载荷1.0kN/m2(~100kg/m2)此载荷可以作为临时载荷，也可以作为永久载