9.2. Резервуары для хранения сжиженных углеводородных газов под давлением

9.2.1. Хранение сжиженных газов в стальных резервуарах под давлением

Для хранения сжиженных углеводородных газов под давлением в настоящее время широко используются стальные резервуары цилиндрической и сферической формы.

Сферические резервуары по сравнению с цилиндрическими имеют более совершенную геометрическую форму и требуют меньшего расхода металла на единицу объема емкости за счет уменьшения толщины стенки, благодаря равномерному распределению напряжений в сварных швах и, по контуру всей оболочки. Однако снабжение хранилищ этими резервуарами пока ограничено из-за трудностей, возникающих в процессе изготовления. [8]

С ферические резервуары объемом 600 м³ применяются в основном для хранения бутана на хранилищах заводов-изготовителей.

Цилиндрические резервуары с эллиптическими днищами объемом 25; 50; 100; 175 и 200 м³ получили в нашей стране большее распространение и используются на всех видах хранилищ сжиженного углеводородного газа (рис. 9.2).

Цилиндрические резервуары устанавливаются горизонтально и располагаются как на поверхности земли (наземные), так и под землей (подземные). Подземными считаются резервуары, в которых высший уровень жидкости ниже низшей планировочной отметки прилегающей территории не менее чем на 0,2 м. Территорией, прилегающей к резервуару, считается площадь, находящаяся в пределах 6 м от стенки резервуара. Если наземный резервуар имеет обсыпку грунтом не менее 0,2 м выше высшего уровня жидкости в резервуаре и шириной не менее 6 м, считая от стенки резервуара до бровки обсыпки, такой резервуар приравнивается к подземным.

Схема установок резервуаров показана на рис. 9.3.

Резервуар состоит (рис. 9.4) из цилиндрического корпуса 12 и двух эллиптических днищ 1. Жидкостная труба заполнения и слива подсоединена к штуцеру 4, труба паровой фазы – к штуцеру 9. Резервуар оборудуется указателем уровня, подсоединенным к штуцеру 5, сигнализатором предельного уровня сжиженного газа, подсоединяемого к штуцеру 6, и двумя предохранительными клапанами, подсоединяемыми к штуцеру 8. Продувка производится через штуцер 15, установленный в низшей точке резервуара. Каждый резервуар должен иметь люк-лаз 7 диаметром не менее 450 мм и люк для вентиляции 10 диаметром 200 мм.

Цилиндрические резервуары для хранения пропана и бутана имеют одинаковую конструкцию и габаритные размеры, но отличаются толщиной стенок корпуса и днищ.

Основные характеристики цилиндрических резервуаров приведены в табл. 9.1.

Расчет цилиндрических резервуаров на прочность ведется по расчетному давлению, которое принимается по компоненту сжиженного газа с большей упругостью паров при температуре +50ºС, если его количество в смеси превышает 5 %. Пропановые резервуары рассчитывают

на давление 1,61,8 МПа, бутановые – на 0,60,7 МПа.

Таблица 9.1 Основные характеристики цилиндрических резервуаров	Условная вместимость, м3	200	192,6/192,6 160,6/173,5 3,4/3,4 21,8/21,8 20,0/20,0 12,8/12,8 1,8/7 38/18 38/20 32/16 32/20 1,1/1,1 1,4/1,4 73,9/55,8 62,7/32,4 0,348/0,168	Примечание. В числителе приведены данные для пропановых резервуаров, в знаменателе - для бутановых.
		175	175,0 146,2 3,0 25,5 23,8 5,1 1,6 22 24 — — 0,9 3,15 44,6 — 0,255
		160	152,3/154,3 128,9/139,2 3,2/3,2 19,7/19,7 18,0/18,0 11,5/11,5 1,8/7 36/18 36/20 30/14 34/16 1,4/1,4 1,7/1,7 60,1/31,9 50,4/25,8 0,395/0,200
		100	93,3/93,3 77,8/83,4 3,0/3,0 13,6/13,6 12,0/12,0 8,0/8,0 1,8/7 34/16 34/16 28/14 28/16 1,1/1,1 1,14/1,14 37,2/19,1 30,5/16,8 0,399/0,205
		50	49,8/49,8 41,6/44,8 2,4/2,4 11,3/11,3 10,0/11,0 6,6/6,6 1,8/7 28/14 28/16 24/12 24/12 1,4/1,4 1,4/1,4 20,2/10,4 17,4/9,2 0,405/0,209
		25	27,8 23,2 2,0 9,1 8,0 5,5 1,8 24 24 20 20 1,1 1,4 11,7 9,7 0,420
	Показатели		Вместимость, м3: действительная…………….……..…..…… полезная………………………..……...…… Внутренний диаметр D, м…………….……. Общая длина L1, м……….…………..…… Длина цилиндтической части L2, м……..… Расстояние между опорами L3, м…….…..… Наибольшее рабочее давление, МПа………. Толщина стенки, мм: Ст.3(спокойная) корпус……………………………………… днище……………………………………… Сталь СП, ЗН корпус……………………………………….. днище……………………………………… Расстояние между щтуцерами 4, 5………… Расстояние между щтуцером и люком 7… Общая масса, т Ст.3(спокойная)……..…………….………… Ст.ЗН………………………………….…… Удельный расход металла (Ст.3) на 1 м3, т.

Напряжения в стенках резервуара определяются по формулам:

меридиональное

, (9.4)

тангенциальное

, (9.5)

где р – расчетное давление, кгс/см²; D_в – внутренний диаметр резервуара, см; δ – толщина стенки (корпуса) резервуара.

Условие прочности в точке А по главным напряжениям имеет вид

, (9.6)

, (9.7)

Величина расчетного давления р в резервуаре для сжиженного углеводородного газа мала по сравнению с допускаемым напряжением [σ], поэтому ею можно пренебречь. Тогда

, (9.8)

откуда

, (9.9)

Толщина стенок резервуаров для сжиженных газов рассчитывается с учетом коэффициента прочности сварного шва φ и запасом на коррозию S, который принимается для наземных резервуаров 1 мм, для подземных – 3 мм. Вводя в формулу (9.9) значения φ и S, получим

, (9.10)

Толщина стенок эллиптических днищ δ_Д резервуаров определяется по формуле:

, (9.11)

где R – радиус сферы; r – радиус закругления.

Расчеты обычно выполняются с четырехкратным запасом прочности по временному сопротивлению стали [σ] = 0,25σ_вр.

После расчета резервуара на прочность необходимо проверить его устойчивость при вакууме по уравнению:

, (9.12)

где D_н – наружный диаметр резервуара, см; [σ]' – допускаемое напряжение, которое в данном случае при расчете на наружное давление равно 0,025σ_т МПа (σ_т – предел текучести стали при данной температуре).

Внедрение новых, прогрессивных методов переосвидетельствования позволит шире применять хранение сжиженных углеводородных газов в подземных резервуарах, характеризующихся меньшей пожароопасностью и возможностью уменьшения толщины стенки резервуаров. Наиболее эффективными по расходу металла из стальных резервуаров, как уже отмечалось, являются сферические.

Сферические резервуары устанавливаются только на поверхности земли. Впервые такие резервуары появились в США после первой мировой войны. В бывшем СССР наибольшее распространение получили резервуары объемом 600 м³ с расчетным давлением до 1,8 МПа и толщиной до 34 мм. Наиболее совершенный способ сооружения резервуаров – сборка их из укрупненных блоков-лепестков. Усовершенствованная технология монтажа сферических резервуаров позволяет предварительно собирать полусферы резервуаров в удобном положении. [8] Лепестки сферических резервуаров изготовляют на заводе горячим штампованием или вальцовкой холодным способом на сферических вальцах с максимально допустимыми по условиям перевозки размерами. Перед отправкой с завода лепестки подвергают контрольной сборке. Указанные сферические резервуары имеют экваториально-меридиональный раскрой оболочки и собираются из двух полушарий с разъемом по экватору. Каждую полусферу собирают из 12 лепестков и днища, состоящего в одних случаях из двух отправочных элементов, в других – представляющего одно целое.

Отличительной особенностью технологии производства монтажных работ на строительных площадках является различная степень укрупнения монтажных блоков, а вследствие этого применение раз личных типов грузоподъемных механизмов. Сварка резервуаров осуществляется автоматически с вращением оболочки на манипуляторах.

Основные данные, характеризующие различные объемы сферических резервуаров, приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Характеристики сферических резервуаров

Номинальная вместимость, м3	Внутренний диаметр, м	Внутреннее давление, МПа	Марка стали	Толщина стенки, мм	Масса одного резервуара, т	Число стоек	Общая масса двух резервуаров (включая лестничную площадку), т
300 600 600 600 600 600 900 900 2000 2000 4000 4000	9,0 10,5 10,5 10,5 10,5 10,5 12,0 12,0 16,0 16,0 20,0 20,0	0,25 0,25 0,6 1,01 1,8 1,8 1,8 1,8 0,25 0,6 0,25 0,6	09Г2С(М) 09Г2С(М) 09Г2С(М) 09Г2С(М) 09Г2С(М) 12Г2СМФ 09Г2С(М) 12Г2СМФ 09Г2С(М) 09Г2С(М) 09Г2С(М) 09Г2С(М)	12 12 16 22 34 25 38 28 16 22 20 28	24,0 33,3 43,6 60,0 94,6 69,5 140,0 101,5 101,2 143,0 218,0 305,0	6 8 8 8-9 8 8 8 8 12 10 16 14	65,09 94,76 111,02 143,96 212,40 – – – 260,20 – – –

Опоры для сферических резервуаров приняты в виде вертикальных трубчатых стоек (рис. 9.5), примыкающих к оболочке по касательной, между стойками – крестовые связи. Число стоек принято кратным числу лепестков. Стойки опираются на железобетонный фундамент.

На резервуарах устанавливают предохранительные клапаны, приборы для отбора проб и замера уровня продукта (УВЦ), термометры, манометры, патрубки для входа, выхода продукта и для уравнительной линии. Кроме того, вверху и внизу оболочки резервуара размещаются люки диаметром 500 мм.

Расчет сферических резервуаров на прочность ведется по безмоментной теории. Толщина оболочки δ определяется по формуле:

, (9.13)

где р – нагрузка на верхнюю или нижнюю точку оболочки, кгс/см² (избыточное давление или избыточное давление плюс гидростатическое); n – коэффициент перегрузки, равный 1,2; r – внутренний радиус сферы; m – коэффициент условия работы, равный 0,65; φ – коэффициент прочности сварного шва, равный 0,65; С – надбавка к толщине на недокат (0,8 мм) и на вытяжку при штамповке (2,8 мм);

R₁ = [σ]_вK₁K₂ (9.14)

где [σ]_в – временное сопротивление стали; К₁ – коэффициент однородности стали; К₂ – коэффициент, учитывающий двухосное напряжение стали, равный 1.

Кроме того, оболочку проверяют на местный краевой эффект по линии опирания и на устойчивость при вакууме. Критическое напряжение σ_кр при этом будет:

, (9.15)

где К – коэффициент, установленный экспериментально, равный 0,1; Е – модуль продольной упругости, равный 2,110 кгс/см². Критическое давление

, (9.16)