低温储罐.ppt
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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SSEC2006-7-18,2,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,3,1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,6,1.3几种液态烃的其他重要物理性质,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。
8,3)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。
9,1.5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。
10,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,12,2.2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。
13,2)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,15,3)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,17,4)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。
18,2.3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,19,20,21,2.3.2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)0.71.2mm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。
22,23,24,25,26,2.3.3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,28,2)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,30,3)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,32,2.3.4BS7777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、C,33,图4单包容罐,34,图5双包容罐,35,图6全包容罐,36,3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。
37,10)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。
39,5)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,,40,6)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,41,5)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,42,3.3.3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,43,4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),44,4.1.2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,也可以作为永久载荷,载荷最终会作用到罐顶上。
45,2)雪载荷不需另行考虑,已经包括在上述1)中。
3)内部负压除固定罐顶以外的储罐构件-6mbar.G(0.6kPa.G)固定罐顶,只需按1)规定载荷设计4)绝热材料施加的压力载荷对松散型绝热材料(膨胀珍珠岩),会对内罐、外罐壁施加压力。
在内罐、外罐壁环形空间的松散型绝热材料(膨胀珍珠岩),作用于内罐的载荷为外压,作用于外罐的载荷为内压。
可以采用弹力棉毯(ResilientBlankets)贴附于内罐外壁,降低对内罐壁的外压作用力。
46,5)内压载荷内压确定首先是根据设计要求。
对悬顶式双壁储罐,注意内压作用于内罐,也作用于外罐。
内压会由于液体的气化压力或吹扫气体压力引起。
内压一般按不大于140mbarG(14kPaG)设计6)地震载荷计算储罐整个使用寿命期(包括施工、水压试验、投料试运转及操作)内、预期的包括储罐及其基础在内的总沉降和差异沉降的控制值。
差异沉降控制值(见下表):
47,48,总沉降值控制,以不危及与储罐相连接的配管、阀门、支架、平台、楼梯等所有附件的安全操作为原则。
当储罐为引进设计时,外方的要求可能会比上述数据高,例如对总沉降量控制在2cm。
7)外力载荷配管、阀门及其他附件施加于罐体、罐顶及罐底的外力。
例如重量及弯矩。
49,4.1.7储存液体载荷1)内罐按最低设计温度时的液体密度计算储存液体的载荷。
储存液体的最高液体液面标高,应在内罐筒体顶面标高0.5m以下。
2)外罐对双包容与全包容罐,外罐按内罐储存液体的最低设计温度时的液体密度及储存容积,计算其液面高度来计算液体载荷。
3)外包储罐指单包容储罐的外罐,不需计算按储存液体的载荷,但要计算绝热材料施加的载荷、吹扫气体或储存液体气化气体的压力。
50,4.1.4风载荷1)钢制储罐按50年一遇、3sec瞬时风速计算2)混凝土储罐直径50m以下,按5sec瞬时风速计算直径50m以上,按15sec瞬时风速计算以上是BS规定,国内尚无低温储罐的风载荷计算规定,可参照国内其他规范和国外标准经分析后作为设计数据。
51,4.1.5水压与气压试验载荷1)内罐充水高度,按相当于充装液体最高液位以密度折算成水的高度进行试验。
2)钢制外罐的充水高度,按内罐储存的最高液位时的液体容积,计算包括内罐在内的容积,得出的液位高度再以液体与水的密度比,折算成水的高度。
因此对充水高度而言,外罐充水高度必然低于内罐充水高度。
3)预应力混凝土与钢筋混凝土外罐,不需进行水压试验。
4)单包容储罐的外包式外罐,其储罐壁的计算,可按4.1.5,2)进行强度计算,但不需水压试验。
5)内罐罐顶、以及外罐罐顶与罐体,进行气压试验。
52,4.1.6二次引发载荷1)热应力载荷由于温差引起热胀冷缩构件的位移产生的载荷。
2)冷凝液产生的载荷液体蒸发,在悬挂吊顶上方产生的冷凝液,积聚于吊顶上凝液会增加吊顶的受力。
53,5低温储罐的材料,5.1金属材料5.1.1储罐分类型与一般适用储存的低温液体1)BS的低温材料分级,54,2)与BS低温材料分级对应的典型应用,55,3)API620附录Q的材料规定储罐材料的选择原则是先将储罐的组成构件划分为主要构件和次要构件。
主要构件:
主要构件指储罐的一些部件,与低温液体相接触,所受应力达到一定程度后引起的破坏会造成低温液体的泄漏的那些部件。
-与冷冻低温液体相接触-低温液体温度范围为-51-1680C(-60-2700F)-构件的失效会造成液体的泄漏,56,-主要构件有:
罐体板、罐底板、罐顶板、过渡板、压缩环(承压环)、罐体加强圈、通道接管,包括加强圈储罐地脚锚件配管(内)锻件螺栓紧固件-当罐顶板、过渡板、压缩环、通道、接管及其加强圈等主要构件经受大气温度时,可按次要构件选择材料。
57,次要构件次要构件指储罐的一些部件,与低温液体相接触,所受应力达到一定程度后引起的破坏不会造成低温液体的泄漏的那些部件。
与液体的气相蒸气接触的部件,其设计金属温度一般取-510C(-600F)以上。
58,4)API620附录Q所推荐的主要构件材料(部分),59,SA353,9Ni%钢,正火+回火,-1950CSA553,TypeI9Ni%钢,淬火+回火-1950CTypeII9Ni%钢,淬火+回火-1700CSA645,5Ni%钢,特殊处理,-1700C,60,5.2金属材料选用举例5.2.1LNG储罐内罐,553TypeI,9Ni%钢罐内构件304外罐16MnDR罐顶板16MnDR5.2.2丙烯罐内罐,A537Cl2,碳-锰-硅钢外罐16MnR罐顶板16MnR,61,5.3各种型式LNG低温储罐的应用材料,62,6结构简介,6.1单包容双壁金属低温罐(LNG)结构举例6.1.1结构组成1)内罐罐底罐壁罐壁加强圈悬吊顶2)外罐罐底罐壁罐壁加强圈承压圈,63,3)绝热材料内罐底板下/外罐底板上泡沫玻璃内罐/外罐环形空间膨胀珍珠岩悬吊顶玻璃棉毡内罐外壁外玻璃弹性棉毡内罐罐壁与内罐底板下方环形梁304包复珍珠岩混凝土4)外罐底板下方、混凝土基础板上均衡层5)混凝土基础承台钢筋混凝土,64,6)内罐内附件内梯与内部通道、平台LNG罐内液下泵泵柱(pumpcolumn)LNG罐内液下泵液态烃喷淋管7)外罐附件吹扫管楼梯、操作平台、管道与设备支架液下泵维修电动葫芦,65,7)控制与安全元件
(1)温度测量控制外罐底内罐底内罐壁罐内温度控制
(2)压力控制安全阀真空阀(3)密度计(4)液位计8)消防
(1)火灾与可燃气体探测
(2)水喷淋/水喷雾(3)干粉灭火,66,6.1.2结构特点1)关于进出料口
(1)LNG储罐A应采用罐内液下泵、上进上出B容量小的储罐,也有采用罐外泵上进下出料方式
(2)液态乙烯按储量大小,采用上述A或B方式2)结构上应考虑各个构件的温差补偿3)管口布置尽可能全部布置在罐顶,67,68,69,7防火要求及布置7.1LNG储罐的遵循规范优先次序可为NFPA59A-GB50183-GB501607.2液态烃储罐的遵循规范GB50160,70,8国内目前LNG低温储罐的技术水平8.1引进情况液化天然气的常压低温储存技术,目前仅掌握在少数几个发达国家的专业公司中。
国内众多的液态烃如低温乙烯、丙烯和LNG的储存系统与储罐,几乎全部依赖于引进技术,常压低温储罐即我们通常称之谓“冷罐”,目前全部采用了引进详细工程设计文件与图纸。
LNG的储存,国内已建成的仅2座,一座是新疆广汇的30,000m3LNG储罐(单包容),一座是上海LNG调峰站的20,000m3LNG储罐(全包容),分别从德国Tractebel和法国SofreGaz公司。
71,8.2国内目前掌握的LNG储存技术,1)采用了基于压力容器为基础的所谓“子母罐”的储存技术,不能形成规模储存。
“子罐”采用1MPaG的设计压力,容积大致在100m3250m3左右,若干个子罐并联起来,外面加上一个大罐“母罐”罩住全部子罐,子罐与母罐之间空间全部充以膨胀珍珠岩进行绝热保冷。
中原濮阳的15万方/d的LNG液化装置,贮存容积1200m3,即采用了子母罐储存技术,其中200m3的子罐即需6台。
2)常压低温双壁金属内拱顶储罐
(1)储存LN2,LO2,可达2000m3.
(2)拟设计用于LNG,容积3500m3.,72,8.3国外情况1)LNG全包容储罐容量已达200,000m3国内几个大型LNG接收终端LNG储罐几乎全部为160,000m3容积(国内在建的低温液态乙烯罐,最大为80,000m3)2)从抗风险角度考虑,外罐多采用预应力混凝土地下式储罐3)计算技术进一步发展地震计算OBE,SSE事故蒸气云模型计算,周边热辐射计算4)膜式储罐技术5)9Ni钢,73,海南海然,1750m3LNG子母罐2台,74,北海新奥,LNG子母罐,75,上海浦东5号沟20000m3全包容LNG储罐,76,D:
广汇最终初步设计6附图附表2总图xj-pl-07.18.dwg,
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