矩形储罐与拱顶储罐在海洋平台上应用对比分析

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(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

矩形储罐与拱顶储罐在海洋平台上应用对比分析

赵刚，胡晓明

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452)

以拱顶储罐和矩形储罐为研究对象，结合海洋石油平台的应用环境，对比分析了拱顶储罐和矩形储罐在设计、制造、成本管理以及质量控制等方面的优势与劣势，从而对其进行了综合评价，得出拱顶储罐性价比明显优于矩形储罐的结论。通过实际工程案例分析，进一步验证了在海洋平台上使用拱顶储罐取代矩形储罐作为主要的常低压橇块产品具有广泛的应用前景。

拱顶储罐； 矩形储罐； 成本管理； 质量控制； 对比

矩形储罐是海上油气生产设施中常用的常低压橇块产品，主要用来储存柴油、原油、淡水、开排等介质，具有形状规整、便于摆放及占地面积小等优点，尤其适用于对空间要求严格的海洋平台。然而，因矩形储罐承压主体为矩形平板结构，而且侧板连接焊缝较多，必然导致其承压性能远低于拱顶储罐，特别是对于设计内压大于2.7 kPa(G)的常低压容器。在设计过程中，矩形储罐上不仅需要增加大量的内部拉杆和外部加强筋，而且过多的焊缝会导致热应力集中，从而产生热变形以致影响了容器的外观和使用。

拱顶储罐是指罐顶为球冠状、罐体为圆柱形的一种钢制容器，是我国使用范围最广泛、制作安装技术最成熟的常低压容器之一，具有制造简单、造价低廉的显著特点。目前，国内拱顶储罐的最大体积已经达到19万m3。

截止到目前，矩形储罐相对于拱顶储罐在海洋平台上应用更为广泛。笔者通过对比分析二者在设计方法、质量控制、费用控制、安全裕量、生产制造以及占用空间等各方面的综合性能，却发现拱顶储罐具有更为明显的优势。尤其是对于空间要求紧凑的海洋平台，拱顶储罐的应用前景同样值得关注。

矩形储罐、拱顶储罐的外形结构见图1。

图1 两种常用储罐外形示图

1 设计、制造标准对比

矩形储罐主要零部件包括长侧板、短侧板、顶板、底板、外部加强筋、内部加强筋、梯子、操作平台、底座、人孔及接管等；拱顶储罐主要零部件包括罐壁、罐顶、罐底、顶部抗风圈、中间抗风圈、梯子、操作平台、底座、人孔及接管等。因拱顶储罐与矩形储罐的结构形式和受力特点不同，故其设计和制造标准也存在着明显的区别。

矩形储罐的设计、制造标准为NB/T 47003.1—2009《钢制焊接常压容器》[1]和JB 4732—1995(2005年确认)《钢制压力容器——分析设计标准》[2]。拱顶储罐的设计、制造标准为NB/T 47003.1—2009 《钢制焊接常压容器》、SY/T 0608—2006《大型焊接低压储罐的设计与建造》[3]以及GB 50341—2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》[4]。

2 结构对比分析

以某橇块项目中的1台乙二醇储罐和1台注水缓冲罐为例进行结构对比分析。

乙二醇储罐和注水缓冲罐的设计压力均为-2.0/35.0 kPa，设计温度为90 ℃。另外，业主根据工艺条件对体积的需求以及海洋平台的空间限度，要求乙二醇储罐按矩形储罐设计的内壁尺寸为(长度×宽度×高度)5 600 mm×5 000 mm×6 500 mm，材质为S31603不锈钢(腐蚀余量0 mm)；要求注水缓冲罐按矩形储罐设计的内壁尺寸为(长度×宽度×高度)16 500 mm×5 200 mm×3 700 mm，材质为Q235B(腐蚀余量3 mm)。

2.1矩形储罐

按矩形储罐形式分别对乙二醇储罐和注水缓冲罐进行设计。鉴于二者设计压力均为-2.0/35.0 kPa，不能按照文献[1]进行设计，需要采用有限元分析方法对其强度进行数值分析，才能保证其安全性和可靠性[5-11]。

利用ANSYS分析计算软件，根据所规定的矩形储罐内壁尺寸、设计压力、设计温度和材质，通过预先设定罐体的有效壁厚、加强筋规格和加强筋布置位置等参数，分别对乙二醇储罐与注水缓冲罐进行了强度分析计算，可以求解出满足以上设计参数的储罐名义壁厚及加强筋规格和布置形式等关键结构参数，见表1。

表1 矩形储罐结构参数

乙二醇储罐及其内、外部加强筋的有限元模型见图2，注水缓冲罐及其内、外部加强筋的有限元模型见图3。

图2 乙二醇储罐及其内、外部加强筋有限元模型

图3 注水缓冲罐及其内、外部加强筋有限元模型

2.2拱顶储罐[12-15]

海洋平台上空间受限是影响容器尺寸和使用的关键因素之一。因此，为了对比矩形储罐与拱顶储罐在相同使用条件下的性价比，笔者将上述乙二醇储罐与注水缓冲罐再次按等面积、等高(储罐侧壁高度)的拱顶储罐进行设计。

在保证相同体积的情况下，对比分析采用不同的容器结构形式时，容器的设计、制造以及钢材使用情况。此时，按照前述拱顶储罐设计标准中的公式进行强度计算即可，无需再使用有限元软件进行分析，降低了设计难度的同时，也降低了对设计人员的要求。

2.2.1乙二醇拱顶储罐

将乙二醇储罐按等底面积、等高(罐壁高度为6 500 mm)、同材质(S31603)的拱顶储罐进行设计后，可以得到拱顶储罐在相同设计条件下的内径为5 970 mm，其罐顶厚度、罐壁厚度和罐底厚度均为12 mm，且无需增加抗风圈。

2.2.2注水缓冲罐拱顶储罐

由于矩形注水缓冲罐的长、宽比过大，在按拱顶储罐设计的过程中将其等化为3台完全一样的拱顶储罐。同时，保证这3台拱顶储罐的底面积和为原注水缓冲罐的底面积，高度、材质也与原注水缓冲罐高度相同。

通过计算，可以得到这3台拱顶储罐在相同设计条件下的内径均为6 035 mm，其罐顶厚度、罐壁厚度和罐底厚度均为12 mm，并且无需增加抗风圈。

以乙二醇拱顶储罐为例，其结构尺寸示意图见图4。

图4 乙二醇拱顶储罐结构示图

3 综合对比分析

3.1

设备质量

无论是矩形储罐，还是拱顶储罐，底座、接管、梯子、操作平台等作为容器的附属结构，质量并不会发生较大变化。因此，通过计算可以得出矩形储罐和拱顶储罐分别作为乙二醇储罐与注水缓冲罐时主体结构的质量，结果见表2。

表2 乙二醇储罐与注水缓冲罐采用两种不同类型储罐时质量对比 kg

对于乙二醇储罐而言，拱顶储罐的质量比矩形储罐的质量节约将近15 t钢材。对于注水缓冲罐而言，3台拱顶储罐的质量总和为36.78 t，比按照矩形储罐设计节约将近14 t钢材。这不仅降低了采购及制造成本，而且对于整个平台的质量控制也是非常有利的。

3.2占用空间

乙二醇矩形储罐与拱顶储罐的布置方案对比见图5， 图中实线部分为矩形储罐， 虚线部分为拱顶储罐。

图5 乙二醇矩形储罐与拱顶储罐布置方案对比

将乙二醇矩形储罐的成橇布置图与拱顶储罐相比，发现若按拱顶储罐进行设计，其整橇长度方向几乎没有变化，而整橇宽度增加百分比近似为6.2%，整橇底面积增加百分比也近似为6.2%。可以看出，拱顶储罐整橇所占空间增量并不明显，能够满足海洋平台的使用要求。

注水缓冲罐的矩形储罐与拱顶储罐布置方案对比见图6，图中实线部分为矩形储罐，虚线部分为拱顶储罐。

图6 注水缓冲罐3台拱顶储罐相连与矩形储罐对比布置方案

对于注水缓冲罐，将其矩形储罐的成橇布置图与3台相同的拱顶储罐布置图相比，可以发现若按照3台拱顶储罐进行设计，其整橇长度的增加百分比近似为11.11%，整橇宽度的增加百分比近似为6.78%，整橇底面积的增加百分比为18.64%。虽然拱顶储罐成橇所占的空间略微有所增长，但若能优化总体布局，依然能够充分发挥拱顶储罐降本增效的主要优势。

3.3设计方法

NB/T 47003.1—2009《钢制焊接常压容器》中的矩形储罐计算方法只适用于设计压力为0的情况。而多年来海洋平台上的矩形容器由于工艺要求(如需要氮气密封等原因)，很多情况下要求其设计压力为35 kPa(G)。这就要求采用有限元分析方法对矩形储罐的强度进行计算和校核，致使设计成本增高，且时间较长。

而拱顶储罐在内部存在微正压时(例如35 kPa(G))，可以在标准规范中找到常规的计算方法，可以方便地做出标准化计算书，设计时间较短，设计成本低。

3.4质量控制

由于矩形储罐采用矩形承压结构，受力状态不理想。因此，为满足整体强度与刚度，不仅需要较大的壁板厚度，而且需要设置大量的内外部加强筋和拉筋。尤其是对于设计压力高于2.7 kPa的常低压容器以及跨度较长的大型储罐，在设计工况及水压试验工况下，极易在侧板下1/3的位置产生较大的挠度区间，并在垂直于挠度区间的加强筋两端产生较大的应力区间。

通用的解决办法就是调整加强筋位置或者增加加强筋数量、增大加强筋规格。而拱顶储罐则能够均匀承受压力，尤其适用于带压工况，且通常情况下不需要设置加强筋(抗风圈)。

通过前述分析计算结果可知，对于大型常低压储罐，若按拱顶储罐设计，单台可以减少质量十几吨。尤其对于较高内压的储罐及大型储罐，质量控制效果更为明显。有效地降低质量，不仅可以节约成本、符合低碳理念，而且能够优化平台质量分布。

3.5成本控制

单从节约钢材质量来看，以每吨钢材单价数千元计，按照拱顶储罐设计后，单台设备可以节约成本近数万元。而实际上，由于矩形储罐本体上的焊缝数量较多，不仅需要大量的焊材，而且还要考虑人工成本、检测成本等因素。尤其是对于运输、吊装困难，需要现场建造的大型矩形储罐，将其分解成若干个等体积的拱顶储罐后，将极大地降低容器的制造成本。

3.6安全裕量

矩形储罐由于结构的特殊性，很难使设备本体在设计工况和试验工况下保持较低的应力值。而且伴随着加强筋的腐蚀，会使设备的整体强度和刚度随之降低，应力值却逐渐升高，不利于长期使用。而拱顶储罐则不存在加强筋腐蚀的问题，且圆筒形的罐壁结构会使应力较好分布，因此不会存在较高的局部应力点。通过计算也可以发现，拱顶储罐的应力值往往很低，所以保留了很大的设计裕量，安全可靠性较高。

3.7生产与制造

矩形储罐焊缝较多，焊接工作量大。如果在施焊过程中焊接控制不利，极易产生焊接变形，从而产生焊接应力，影响结构强度。6个壁板间的组对焊缝以及加强筋与壁板间的焊缝只能采用手工电弧焊，增加了施工人员的焊接工作量，同时也加大了容器泄漏的风险。

相比之下，拱顶储罐的焊接工作量较小，且焊缝多可采用自动焊方法施工，工人劳动强度低且不会产生较大的焊接变形，焊接质量易于保证。

4 结语

通过对矩形储罐与拱顶储罐在各方面进行的综合对比分析可以看出，拱顶储罐在设计、制造、成本及质量控制等方面都存在着明显的优势。在海洋平台上，若采用拱顶储罐来替代较大内压及大跨距的矩形储罐，必将利大于弊。

[1] NB/T 47003.1—2009，钢制焊接常压容器[S]．

(NB/T 47003.1—2009，Steel Welded Atmospheric Pressure Vessels [S].)

[2] JB 4732—1995 (2005年确认)，钢制压力容器——分析设计标准[S]．

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

[3] SY/T 0608—2006，大型焊接低压储罐的设计与建造[S]．

(SY/T 0608—2006，Design and Construction of Large， Welded， Low-pressure Storage Tanks [S].)

[4] GB 50341—2003，立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S]．

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

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(许编)

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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

赵 刚(1986-)，男，河北唐山人，工程师，硕士，主要从事石油化工行业中的压力容器设计及往复式压缩机成橇设计工作。