海洋平台矩形常压容器的几何容积尺寸分析设计

于晓红，于宏伟

1.中国石油集团海洋工程有限公司，北京100028

2.中国石油技术开发公司，北京100028

海洋平台矩形常压容器的几何容积尺寸分析设计

于晓红1，于宏伟2

1.中国石油集团海洋工程有限公司，北京100028

2.中国石油技术开发公司，北京100028

在空间有限的海洋石油平台上，矩形常压容器应用广泛。但由于尺寸规格不规范（尤其是关于充装量），造成浪费。以一个矩形常压容器的设计为例，按照四边简支以及三边简支、一边自由的条件对承受液体静压的矩形板进行力学计算，充分考虑加强筋对容器强度的加强作用，结合工程实际进行修正优化，从而得到工程实用的矩形常压容器的系列尺寸设计，减轻了设计人员多年来的劳动强度，提高了设计效率。

海洋平台；矩形常压容器；设计计算；制造要求

在石油化工工业中，通常使用圆筒形、球形等各种形状和尺寸的容器储存介质。在空间有限的海洋石油平台上，矩形常压容器更为适宜，能很好地利用空间，并且易于加工制造，常用于柴油、淡水等液体介质的贮存、缓冲或工艺处理。渤海某平台上的淡水罐、开排罐、柴油罐、缓冲罐等容量不同，但均采用了矩形常压容器。矩形截面的常压容器属于平板结构，除受拉应力作用外，还存在较大的弯曲应力，只适用于流体静压较低的工况。

传统的压力容器设计中，为保证容器的安全性，在设计中尽量增大壁厚，以增加承压能力。本文按照四边简支以及三边简支、一边自由的条件承受液体静压的矩形板为力学模型计算，合理采用加强筋对压力容器的结构设计进行优化，结果与ANSYS软件分析相符，并符合NB/T47003的要求。同时结合工程实际进行修正计算，进行矩形常压容器的设计。对于常用的矩形常压容器，其容积范围一般为1～280 m3，为避免重复计算，笔者总结整理出1～280 m3之间矩形常压容器系列计算方法，极大地减轻了设计人员的劳动强度，提高设计效率。为节省篇幅，本文仅以一个120 m3的矩形常压容器设计为例，说明其工程计算方法。

1 矩形常压容器的容积和尺寸计算

1.1 矩形常压容器的设计条件

1.1.1 矩形容器的适用范围

非加固矩形容器的容积≤1 m3；加固矩形容器的容积≤280 m3，从经济上考虑，使用加强筋是合理的。矩形容器可放于平面基础上，也可使用型钢支承，当用型钢支承时，应进行分析验算，来确定支承的间距和底板厚度。

1.1.2 充装容积型式

充装容积型式按充装系数超出标定容积后的容积和充装系数未超出标定容积后的容积两种情况分别进行考虑。

1.1.3 设计工况

根据矩形容器所使用的条件，给出的设计工况包括：设计压力、设计温度、工作压力、工作温度、试验压力、充装介质、介质密度和腐蚀余量等。

1.2 充装容积和尺寸计算

矩形常压容器的设计计算根据以往的使用经验和目前的实际应用情况，考虑按照0.75、0.8、0.85、0.9、0.95和1.0六种充装系数情况，对矩形常压容器进行设计。

考虑到经济性、合理性且适用于海上平台，对于矩形常压容器高度H的确定，通过分析对比以往的经验和海上平台层高的限制来确定；对于长度L和宽度B，分以下两种情况来确定：

（1）当1 m3≤V≤ 7 m3时，则：

（2）当7 m3＜V≤ 280 m3时，则：

表1和表2分别列出了标定容积V为120.0 m3、标定尺寸L×B×H为7.426 1 m×5.049 8 m×3.2 m的矩形常压容器在六种充装系数下，超出标定容积V1和未超出标定容积V2的容积和尺寸规格。

表1 超出标定容积（120.0 m3）的容积和尺寸

对于1～280 m3矩形常压容器，可采用上述方法来确定长、宽、高的尺寸，这样可使矩形常压容器的尺寸设计规格化、系统化、实用化，从而省时省力。

表2 未超出标定容积（120.0 m3）的容积和尺寸

1.3 加强筋的选用及壁厚的确定

由于矩形常压容器受力的特殊性，一般容积较大的容器都需要采用各种不同横截面的加强筋以减小壁厚并有效增加刚度的方法，包括顶边加固、垂直加固、横向加固、拉杆加固、垂直和横向组合加固及带双向水平联杆垂直加固等型式。加固用型钢主要有扁钢、等边角钢、不等边角钢、槽钢和工字钢等。

对于120.0 m3的矩形常压容器，选取最常用的充装系数0.85，对其超出标定容积后的容积和尺寸规格进行加筋、壁板、底板支承等的计算，按照NB/T 47003标准，结合实际进行修正。根据表1，此容器超出标定容积后的容积V1=141.177 m3，相应的长L1=8.0 m、宽B1=5.5 m、高H1=3.2 m。为安全考虑，对于高度H＞2 200 mm的矩形容器，通常在设置垂直加强筋的同时，再加一些横向加强筋，这样可以增加刚度，减小壁板厚度，即具有垂直和横向加固的联合体。经过计算，顶边加固和横向加固的加强筋采用角钢，垂直加固的加强筋采用槽钢，底板采用支承型钢加固；腐蚀余量采用海洋平台所要求的3 mm，其计算结果如表3所示。

表3 容积为120.0 m3的矩形常压容器壁厚及加强筋

通常情况下，矩形常压容器的加筋可只采用顶边加固，壁板的横向筋、竖向筋加固，以及底板被支承的型钢加固。其中横向筋、竖向筋的尺寸可相同。加强筋与壁板的组合提高了壁板强度，其影响的尺度范围约为15倍的壁板厚度，一般取30倍的壁板厚度。壁板加强和壁板不加强时，二者的强度相差约25%，从而降低制造成本。

2 常压容器的主要制造要求

2.1 材料

常压容器的焊接结构用钢应是焊接性良好的钢材，所有的管件是无缝钢管，所有直接焊接到罐体上的材料选用与罐壳和罐顶性能规格类似的可焊接材料，所有的外螺栓、螺母和垫片都应经过镀镉处理，并尽量减小或消除其脆度。

2.2 人孔、接管和检查孔

每个常压容器都应有用于检修、清扫和维修保养的人孔或手孔，人孔内径最小为20in（1in=25.4mm），手孔内径最小为8 in。所有3 in以上的接管都需补强，接管壁厚的选取应符合相关的设计标准，所有罐上接管、法兰的螺栓孔都开在法兰中轴线上，需要操作员注意或者定期维修保养的接管开口应设置在方便维护的地方。所有内部可拆卸构件都应做成能顺利通过人孔的规格。

2.3 焊接

矩形常压容器壁板的焊接应采用全熔透焊接，焊缝的布置应便于对常压容器的主焊缝内部和外部进行检查。罐体角焊缝应焊透并且从两边开始焊接，或者在拐角上面的平板处采用双面全透焊；接管和接箍应采用全焊透焊接到罐体上。所有吊耳、托架、结构型钢等的焊接，其任意两个焊缝边的距离应取以下两值中的较大值：100 mm或3倍较厚焊接部分的厚度。当金属温度不大于5℃时，不能进行焊接作业，需对其进行预热处理；所有的角焊缝应采用连续焊。

2.4 无损检测

所有常压容器和附件的焊接及所有焊缝应进行100%的外观检验；对焊焊缝应进行局部射线探伤检验，当要求局部进行射线探伤时，所有的焊缝交汇处和修复区域都应进行射线探伤检查，并至少拍一张射线照片；容器壁角接处焊缝和对焊焊缝、接管和补强圈、加强筋、附件和内部零件的密封焊接应进行100%的磁粉探伤检测。

2.5 水压试验

在水压试验之前需清理常压容器内部和外部的焊渣、氧化皮、污垢等，用清水进行水压试验，试验完成后，将容器内的清水排干并且彻底干燥。在注入清水的过程中，常压容器应进行放空，防止加压前产生气泡；在模拟正常操作工况下，对常压容器进行水压试验，并保证足够的试验时间，至少为1 h。在水压测试之前，鞍座和管嘴补强圈的检查孔应进行100 kPa的气密性试验，试验介质的温度应≥5℃。

3 工程实例

某渤海海洋平台上的淡水罐，储存介质淡水，操作温度5～35℃，操作压力常压，设计温度50℃，设计压力-0.5～2.7 kPa，有效容积120 m3。充装系数0.85，根据表1得到，超出标定容积后的容积V1=141.177 m3，长L1=8.0 m、宽B1=5.5 m、高H1=3.2 m。根据1.3节选择加强筋和壁厚，表4为淡水罐的各部件材料选用情况。图1为淡水罐的三维模型示意。

表4 海洋平台淡水罐的各部件材料选用

图1 淡水罐三维模型示意

该淡水罐制造后进行水压试验，并进行100%磁粉检测及局部射线检测，各项检测结果均符合设计要求。

4 结束语

矩形常压容器在海洋平台应用较多，本文以一个120 m3容积的海洋平台淡水罐计算设计为例，介绍了淡水罐尺寸的确定和加强筋的合理优化选用，设计的产品经水压试验和检测，证明设计是合理、安全、可靠的。

此方法可推广至1～280 m3矩形常压容器的计算、整理和归纳，形成了系列化、规格化的工程实用的矩形常压容器的系列尺寸设计方法，具有方便、实用的优点，减轻了设计人员的劳动强度，提高了设计效率，可为海上平台矩形常压容器的设计提供技术支持。

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加快推进我国南海天然气水合物产业化进程国土资源部、广东省、中国石油签署合作协议

2017年8月24日，国土资源部、广东省人民政府、中国石油集团在北京签署《推进南海神狐海域天然气水合物勘查开采先导试验区建设战略合作协议》。

国土资源部部长、国家土地总督察姜大明指出，要充分认识推进天然气水合物产业化对于保障国家能源安全、促进能源结构优化，支撑海洋强国战略、促进海洋经济发展，实现勘查开发领跑、支撑创新驱动发展战略的重要意义。姜大明强调，要通过加强部、省、企合作的组织领导、加快资源管理政策和产业政策研究与制定、发挥各自优势落实各方责任，依靠科技进步，发挥制度优势，加快研发进程，加快推进产业化进程，力争新资源早日服务于粤港澳大湾区建设和社会经济发展，为保障国家能源安全做出新的更大贡献。

广东省委副书记、省长马兴瑞马兴瑞表示，广东省将认真落实三方协议，以先导试验区建设为契机，认真落实职责分工，制定产业发展规划，构建协同创新机制，发展海洋装备制造业，建设强有力的海洋管理队伍，加快推进南海天然气水合物产业化工作。

中国石油集团党组书记、董事长王宜林在讲话中指出，在三方的共同努力下，今年5月在神狐海域实现天然气水合物稳定试采，取得持续时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果，向天然气水合物工业化开发迈出了关键一步。王宜林强调，中国石油集团将积极开展试采关键工程技术科技攻关，尽快突破甜点识别、分支水平井钻完井、储层防砂举升工艺等技术难题，全力参与试采工业化现场试验，努力提高单井产量、降低试采成本、有效保护环境，为天然气水合物产业化规模建产奠定基础。

此次战略合作协议的签署，标志着我国天然气水合物勘探开发事业进入一个崭新阶段。

摘自：http://www.cpoe.cnpc/zgsyjthygcyxgs/ttxw/Pages/20170828_C59.aspx

（本刊摘录）

Analysis and design ofgeometric volume and dimension ofrectangular atmospheric vessels on offshore platforms

YU Xiaohong1，YU Hongwei2
1.CNPC Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100028，China
2.China Petroleum Technology&Development Corp.，Beijing 100028，China

Rectangular atmospheric vessels are widely applied on offshore platforms in order to suit for the platform narrow space，but it may stillcause waste due to the nonstandard dimension and specification（especially for the filling volume）.This paper takes the design of a rectangular atmospheric tank as an example，and conducts mechanical calculation of the rectangular plate under hydrostatic pressure with the respective conditions of the four simple supported edges and the three-simple supported edges plus one simple supported edge.It considers the effect of reinforcing bars on the vessel strength， modifies and optimizes the results combined with the actual engineering condition，then obtains a series of dimension designs of the rectangular atmospheric pressure vessels suitable for practical engineering application.The research results can reduce labor intensity of designers and improve design efficiency.

offshore platform；rectangular atmospheric vessel；design calculation；manufacturing requirement

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.009

于晓红（1980-），女，辽宁瓦房店人，工程师，2008年毕业于中国石油大学（北京），博士，主要从事海洋平台机械设备、压力容器设计工作。Email：yuxh.cpoe@cnpc.com.cn

2017-07-06；

2017-08-09