低温乙烯贮罐为乙烯终端站的重要设备, 用于储存低温液态乙烯。整个终端站由专用码头、卸船系统、储存系统、再液化系统、尾气焚烧系统及汽化系统组成。国内以前单纯依靠国外技术设计乙烯终端站及乙烯贮罐, 直至2006 年, 中国空分设备有限公司凭借多年低温储存领域的技术储备, 开发了低温液化碳氢气体终端站及其配套的大型低温贮罐, 并于2007 年顺利完成了20000m3 低温乙烯贮罐的全部设计工作。

1 　低温液体贮罐概述
根据英国BS EN 14620 标准(原BS7777) , 低温液体贮罐分为3 种不同的类型: 单容罐、双容罐及全容罐。单容罐是指一个单独的低温贮罐或者是包含一个内罐而外罐仅仅用来承装保冷材料及蒸发气体, 只有内罐满足承装低温液体要求的双层贮罐。现针对双层金属单容罐的设计进行介绍。低温液体贮罐类型的选择宜考虑国家或当地主管部门的规定, 以及贮罐所处位置的荷载、实际条件和其他因素的影响。影响因素具体分为:
(1) 不可控因素: 地震、风雪等气候以及来自厂区以外的危害等;
(2) 有限可控因素: 火灾、爆炸、维修引起的危害以及腐蚀、疲劳、金属失效、工艺系统超压、罐底基础情况等;
(3) 完全可控因素: 与其他建筑物距离、国家或当地政府的规定以及所适用的设计规范的规定等。
低温液体贮罐的高度及容积应根据从码头到贮罐沿程水力计算及工艺流程模拟确定, 以满足工艺设计要求。
111 　主要技术参数
20000m3 低温乙烯贮罐主要技术参数见表1 。
表1 　20000m3
低温乙烯贮罐主要技术参数
贮罐类型地上双层金属单容罐
设计参数内罐外罐
介质低温液态乙烯珠光砂/ 乙烯蒸气
设计容积/ m3 20000 —
设计温度/ ℃ - 104 - 20/ + 50
设计压力/ kPa 液柱压力- 015/ + 30
直径/ m 33 35
介质密度/ (kg/ m3) 569 —
腐蚀余量/ mm 0 1
设计最高液位/ m 25 —
水压试验高度/ m 18 —
气压试验压力/ kPa — 3715
真空试验压力/ kPa — - 015
材质0Cr18Ni9 16MnR
采用标准API 620 附录Q API 620
地震设防烈度7 度
日蒸发率0108 %
保冷材料
内罐吊顶玻璃棉(顶部覆盖铝箔)
内外罐夹层玻璃棉及膨胀珍珠岩
内罐底部玻璃砖及钢筋混凝土
112 　外形结构及设计程序
20000m3 低温乙烯贮罐为地上双层金属单容罐, 贮罐外形结构如图1 所示。贮罐放置于混凝土承台上, 外罐材料为碳钢, 用于盛装保冷材料及乙烯蒸气, 不锈钢内罐盛装低温液态乙烯。罐顶采用近似球面的形状, 拱顶高约6m , 球面半径约27m ,罐顶瓜瓣板周边支撑于压缩环上, 下方与拱顶网架焊接连接, 拱顶网架由连续主梁、环梁和斜梁构成。主梁共56 根, 类似H 形钢的结构, 由扁钢焊接组成, 所有主梁相交于罐顶中心环。主梁之间有5 道水平环向的环梁, 整个桁架还包括4 组斜梁,环梁与斜梁都是角钢。内罐顶采用吊顶结构, 通过吊杆悬挂在外罐拱顶上, 吊顶甲板与内罐的缝隙采用铝板密封, 防止灰尘、保冷材料或其他杂质漏入内罐。贮罐的设计严格按照设计程序进行(如图2所示) 。
图1 　20000m3
低温乙烯贮罐外形结构简图

2 　内罐设计
内罐设计应用的标准为API 620 附录Q。内罐是整台低温乙烯贮罐的核心, 也是设计的重点。
211 　静力设计
内罐筒体的高度应考虑满足贮罐的设计容积(设计液位) , 同时应当考虑由于泵吸入口高度造成一部分液态乙烯永久存留于内罐中所占据的高度,以及针对地震造成液面晃动预留出的顶部自由空间。
不锈钢内罐壁板设计的厚度应满足下列要求:
(1) 相当于液态乙烯设计液位的液柱压力;
(2) 相当于液态乙烯设计液位的液柱压力
1125 倍的水压试验压力。
由于内罐为开口结构, 内罐两侧所受到的气相压力大小相等, 因此在内罐壁厚的计算中无需考虑蒸发气体压力。
212 　筒体压缩
筒体底部的最大纵向压缩力可以根据API 620附录L512 计算, 结果需满足API 620 附录L513筒体最大纵向压应力要求。
213 　抗震设计
内罐抗震设计采取预埋锚固带, 以抵抗由于地震产生的倾覆力矩。应在水压试验过程中进行内罐锚固带与内罐壁板的焊接, 而在气压试验过程中完成外罐锚固带与外罐壁板的焊接工作。
214 　抗倾覆计算
贮罐可以由罐体重量和储存液体的重量来确定壳体底部的抗倾覆力矩, 通过比较计算结果是否满足API 620 附录L411 及L412 来判断贮罐是否需要采用锚固带解决。对于非锚固带设计的贮罐, 可以利用壳体下提升基础底板宽度的这部分介质来抗倾覆。
215 　液体晃动值计算
由地震造成液体晃动的高度值可以由API 620附录L8 计算得出, 将该计算结果加上最小为1 英尺的数值作为内罐高度的预留液体晃动高度值。216 　吊顶设计吊顶设计应考虑吊顶自身重量以及覆盖在吊顶上的保冷材料、接管套筒、压力平衡孔的重量和施工中的临时载荷。由于贮罐在常温状态下安装, 因此吊顶上接管开孔与接管应当偏心布置, 以补偿由于温度变化造成的吊顶甲板收缩量, 否则可能会由于甲板收缩与接管产生碰撞, 造成吊顶甲板或接管变形。
217 　接管设计
接管的设计除了要满足工艺要求外, 还应考虑到在贮罐气体置换及预冷过程中需要配置的一些临时接管。

3 　保冷设计
保冷设计的目的是满足工艺生产要求, 保持和发挥生产能力, 减少冷损, 节约能源, 防止贮罐外壁表面凝露, 改善工作环境。低温贮罐保冷结构首先要考虑储存低温液体的保冷隔热性, 针对不同的存储条件, 而相应采用不同的结构和保温材料。对于贮罐顶部的保冷设计, 因保冷材料覆盖在内罐吊顶之上, 无需承受设备和蒸发气体的压力(仅承受保温材料自身的重量) , 保冷材料应具有导热系数低、密度小的特点。低温乙烯贮罐内罐顶上部为玻璃棉, 保冷厚度为500mm , 分5 层铺设安装, 最上面一层玻璃棉外侧带铝箔, 以防止膨胀珍珠岩或其他杂质通过缝隙进入内罐。内外壁夹层选择膨胀珍珠岩为保冷材料, 侧壁保冷因采用膨胀珍珠岩。充注低温液体的贮罐降温后, 内罐收缩会使得贮罐侧壁上部及边缘区域填充的膨胀珍珠岩不足, 而低温乙烯贮罐在预冷后无法二次充填膨胀珍珠岩。为防止湿空气进入, 采用在贮罐内罐的外壁增加一层弹性保温玻璃纤维毡的方法, 可有效避免珍珠岩的二次填充, 并减小珍珠岩对内罐壁的压力。低温乙烯贮罐的吊顶及夹层保冷结构如图3 所示。
　　贮罐底部保冷材料和保冷结构设计, 不但要保证将贮罐的冷损降至最小, 而且保冷材料抗压强度还要能承受内罐、低温液体的总重量和气相压力。在20000m3
低温乙烯贮罐设计和建造中, 根据贮罐底部各个部位承受的压力不同及最大限度降低冷损失率的原则, 将底部隔热保温结构分成承压圈和中心环两部分, 并采用不同的保冷材料(如图4 所示) 。承压圈是承受内罐重量的主要构件, 对其强度要求相对较高, 因此采用混凝土与玻璃砖的复合结构作为承压圈保冷材料。对于底部中心部分, 单独使用玻璃砖即可满足其强度及保冷的设计要求。
图4 　低温乙烯贮罐罐底保冷结构示意图

4 　外罐设计
外罐设计应用的标准为API 620 。单容罐的外罐仅承装保冷材料及蒸发气体, 而不需要装载低温液体, 因此外罐的设计要求与普通的常温贮罐类似。
411 　外罐基础
贮罐下部的土壤温度过低、土壤冻结、土壤中形成冰层(主要针对黏土类土壤) 以及冰层增厚都会引起巨大的膨胀力, 这些膨胀力产生的抬升力会危害贮罐及其部件, 如泵吸入口接管设置在罐底的贮罐。为防止此类危害的发生, 贮罐基础一般采用带加热系统的基础或架空的混凝土承台。由于20000m3
低温乙烯贮罐的总重较小, 贮罐基础采用架空的混凝土承台, 既便于生产操作及维护, 又节省建设投资。
412 　罐体的设计
外罐的设计应考虑到包括建造、试验、置换预冷、正常操作及检修等各个方面。主要的外加载荷有:
(1) 内压和由操作引起的真空分压;
(2) 从空罐到充满最大气体压力的贮罐本体与规定介质的重量;
(3) 局部和全部的支撑系统, 另要预计来自基础条件的影响;
(4) 平台和梯子的支架以及气候条件变化(如过量的雪) 等产生的附加载荷;
(5) 风载或规定的地震载荷;
(6) 管道连接引起的载荷;
(7) 所有保冷材料的重量。

5 　阀门及仪表
511 　泄压安全阀
为防止贮罐发生超压事故, 保证内罐的压力泄放, 20000m3 低温乙烯贮罐设有2 个泄压安全阀。低温贮罐宜采用先导式安全阀而不是重力式安全阀, 以避免当安全阀关闭时发生泄漏, 并引起阀座结冰导致安全阀无法开启。安全阀入口管线必须深入内罐吊顶以下, 以避免压力释放时大量低温气体进入外罐拱顶与内罐吊顶之间, 温度急剧下降导致外罐拱顶发生脆性断裂。
512 　真空阀
为防止贮罐发生负压事故, 贮罐设有两级保护系统, 由充氮系统和两只真空阀组成。当贮罐出现低压时第一级保护系统阀门打开, 向罐内补充干燥氮气; 若贮罐压力继续下降则真空阀开启, 补充空气进入贮罐。补充氮气可保护贮罐, 避免了潮湿空气进入贮后水分冷凝而危及贮罐安全的问题出现。真空阀的接管宜设置在外罐拱顶与内罐吊顶之间, 防止输入管线过长, 使气体在通过真空阀时流量受到限制。
513 　温度测点
由于乙烯贮罐的低温特点, 在罐壁、罐底、内罐及内外罐夹层中设置一定数量的温度测点。内罐及夹层的温度测点主要用于测量液体及外罐拱顶与内罐吊顶之间的温度, 防止低温液体出现分层, 从而引起“翻滚”现象, 造成大量气体汽化, 继而发生超压事故。罐壁及罐底的温度测点的主要作用是: 在贮罐预冷过程, 以测点温度为依据, 保证内罐温度均匀下降, 两温度测点间的温差不超过设计值。
514 　液位计
为防止内罐过量充液, 低温乙烯贮罐设有2 支雷达液位计和1 个高液位开关, 当乙烯液位超出设计液位时, 贮罐进液管道阀门自动切断, 以保护贮罐。

6 　结束语
20000m3 低温乙烯贮罐于2008 年6 月底顺利完成安装、氮气置换、实气置换及预冷等各项工作, 目前运行状况良好, 日汽化率为010537 % ,与设计指标基本一致。20000m3
低温乙烯贮罐是目前国内自主设计的最大容量低温液体贮罐, 它的成功开发, 标志着我国大型低温液体贮罐的设计、制造水平又上了一个新台阶, 同时为今后设计、制造更大容量的低温液体贮罐, 实现大型低温液体贮罐的国产化积累了宝贵的经验。