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摘要：本文是通过多年的设计经验，对先前设计的产品在经验上进行归纳和总结，旨在解决对大型低温液体卧式贮罐设计迷茫的同仁提供帮助，探索合理的、可靠的设计及计算方法，保证设备的安全可靠及经济性。
关键词：大型低温液体卧式贮罐 内外支撑结构 强化设计 鞍座设计
Abstract： This article is based on many years of design experience to summarize and conclude the past product design experience， in order to solve the doubts of large cryogenic horizontal liquid tank from colleagues. This discussion provides reasonable mapping、reliable design、and calculation methods to ensure the safety and economic of the equipment.
Key words： large cryogenic liquid horizontal storage tank、internal and external support structure、 reinforcement design、saddle design.
导言：随着国民经济的高速发展，目前市场上需求的大型低温液体贮罐逐渐增多，但是大型低温液体贮罐的设计、工艺、制造经验缺乏。在设计方面，缺乏大规格管线柔性设计、鞍座设计、支撑结构的设计经验;在制作方面，缺乏大型贮罐的强化试验、套装、填砂等制作经验，本文基于我司350立方卧式贮罐为例，讲述大型卧式低温液体贮罐设计及计算方法、难点及创新点。
1.350m?LNG液罐概况
350m?LNG液罐是由一个碳钢真空外壳和一个置于其中的压力容器组成，内容器由圆形筒体与两个标准椭圆形封头组成，外壳主体由圆形筒体和两个THA蝶形封头组成，内容器与外壳之间夹层内充填了膨胀珍珠岩，之间依靠八个玻璃钢支撑进行定位及固定，外壳外玻璃钢支撑位置处安装两个固定式鞍座用于贮罐的运输、安放固定，此罐主要用于装载LNG液化天然气，是我司目前开发最大的应变强化贮罐，此罐基本参数如下：
2 贮罐的主体设计
此罐的设计、制造及验收按照ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ卷 第一册、附录44并同时符合相关行业标准的要求。
设计时，内容器及外壳直径选择了比较合理的长径比，为了降低产品成本，对内容器采用了应变强化的技术，根据ASEM规范附录44选用SA-240 304选用的许用应力，根据ASME规范 UG27、 UG32公式进行计算内容器的壁厚，应变强化技术使内容器的壁厚减少很多，使贮罐整体成本下降，外壳按照ASEM规范常规设计计算。
3 贮罐的强化设计
按照ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ卷 第一册、附录44要求，强化试验压力为1.5倍的设计压力，强化压力值为1.32MPa。此罐的关键设计就在与于强化试验，试验时有如下困难：强化试验时需要将内容器充满水，不包括容器的重量光试验介质水的重量就需要350吨，在试验前首先需要考虑试验场地是否可以承受这么大的载重量，后通过理论计算在压力试验场地铺设60mm碳钢板材，保证压力试验时不会存在地基塌陷风险。强化试验时，试验鞍座的放置位置是否合理，内筒体由于与壁厚薄，支撑位置局部用力问题，利用应力分析软件，对350立方贮罐应变强化水压试验模拟建模，进行应力分析计算，理论计算应变强化试验，再根据实际情况合理布置鞍座，包括鞍座的设置间距、材质及数量要求，保证了试验的正常进行。校核各受压元件在水压试验条件下的应力水平时，各受压元件的厚度应取最小成型厚度，在计算时，所取压力应考虑计入液注静压力，计算的薄膜应力不得超过材料的屈服强度的90%。如下现场强化图片1与应力分析图片2
4 卧式贮罐的内外支撑设计
内容器与外壳之间在设计支撑时，既需要考虑能够承重，还需要考虑支撑的材料要有好的绝热性能，热导率必须小才能保证不会将内容器内的低温传到外壳上，支撑承受内容器的总的重量包括内容器本身的重量、 绝热材料的重量及贮存介质LNG的重量，所以选择高强度及绝热性能好的Z3848材质的玻璃钢。此罐分别在底部相对于轴线30度及顶部45度位置均布共八个玻璃钢支撑，此结构最早引进俄罗斯军用设备转民用设备，玻璃钢支撑在选用时，既要考虑支撑的平行于玻璃钢支撑的压缩应力，还需要考虑垂直于支撑的剪切应力及重力因素引起的弯曲应力，再根据第三强度理论判定是否满足要求。玻璃钢支撑使用布向结构的支撑，压缩，弯曲应力按照250MPa判定，剪切应力按照25MPa判定，此数据来源于Z3848试验报告，考虑到不可控因素，安全系数取2，最终判定玻璃钢支撑是否满足要求。由于此结构为局部支撑结构，在支撑位置局部应力会较大，所以在设计时考虑使用焊接大的垫板，对局部支撑位置进行加强。由于介质及本身容器的垂直向下的重力作用，需要考虑圆筒中间横截面上的轴线弯矩及支撑平面上的轴向弯矩。圆筒中间的横截面上及支撑平面上，由内压力及轴向弯矩引起的轴向应力。最高处及最低处的评判标准：σ1，σ2，σ3，σ4≤φ[σ]，则σ1，σ2，σ3，σ4≤138MPa;圆筒支撑位置最大剪切应力<0.6S=82.8 MPa。鞍座设计时，考虑地震风载，由于卧式贮罐通常比较矮，所以一般情况风载的影响会比较小，只需要考虑地震就可以满足安全的要求，但是此项目由于地基比较高，地基有3.5m的高度，所以在考虑风载时需要将地基高度考虑进去。鞍座设计除了需要考虑夹层负压力及轴向弯矩引起的轴向应力，还需要考虑切向剪切应力，圆筒鞍座平面的周向应力。此罐由于容积大、重量重、直径大，所以关键部位鞍座处的应力特别需要加强，所以鞍座位置除了需要加垫板，还需要考虑使用多根惯性矩大的加强圈，这里推荐使用角钢或者T型钢加强圈加强。吊耳组件设计时，由于此罐外壳的壁厚较薄，一般推荐安装至鞍座上，如果客户要求安装在筒体上，需要安装大的吊耳垫板。
5. 大型低温液体卧式贮罐的设计难点及創新点
由于此罐为我司最大的应变强化贮罐，在设计制造过程中遇到了很多的困难，但是还是有如下创新之处：
5.1 利用了应力分析软件，对350立方贮罐应变强化水压试验模拟建模，进行了应力分析计算，通过理论计算，修改了大型低温液体贮罐应变强化通用工艺规程;
5.2设计时，在有限的空间设计DN100的夹层管线，借助CAE软件对管线进行管道柔性计算，使用柔性弯结构，保证管线及管口局部应力在合理范围之内;
5.3借助PVLITE软件，对鞍座设计进行分析计算，通过计算对鞍座进行设计，支撑位置内容器为了防止强化过度，使用了整圈垫板代替局部垫板，同时在内容器、外容器增加T型圈，防止局部应力过大;
5.4为了方便套装，对套装小车进行了改进，套装小车高度比传统的套装小车低了约40mm;为缩短保证抽真空时间，保证良好的真空度，在容器两边都设置真空过滤器装置;
5.5在容器顶部铺设真空绝热棉，珠光砂与绝热棉复合绝热避免贮罐使用时间长后珠光砂沉降及长时间日照引起的绝热效果变差，保证贮罐的真空绝热性能。
6.结束语
350m?LNG液罐在2018年投入使用，设备运行良好，得到了客户的肯定。上述大型低温液体卧式贮罐的设计方法，供同行参考。
参 考 文 献
1 《机械设计手册》第六版
2 ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ卷 第一册 2019、附录44
3 《卧式容器》 NB/T 47042-2014
4 《卧式容器》标准释义与算例 NB/T 47042-2014
关键词：大型低温液体卧式贮罐 内外支撑结构 强化设计 鞍座设计
Abstract： This article is based on many years of design experience to summarize and conclude the past product design experience， in order to solve the doubts of large cryogenic horizontal liquid tank from colleagues. This discussion provides reasonable mapping、reliable design、and calculation methods to ensure the safety and economic of the equipment.
Key words： large cryogenic liquid horizontal storage tank、internal and external support structure、 reinforcement design、saddle design.
导言：随着国民经济的高速发展，目前市场上需求的大型低温液体贮罐逐渐增多，但是大型低温液体贮罐的设计、工艺、制造经验缺乏。在设计方面，缺乏大规格管线柔性设计、鞍座设计、支撑结构的设计经验;在制作方面，缺乏大型贮罐的强化试验、套装、填砂等制作经验，本文基于我司350立方卧式贮罐为例，讲述大型卧式低温液体贮罐设计及计算方法、难点及创新点。
1.350m?LNG液罐概况
350m?LNG液罐是由一个碳钢真空外壳和一个置于其中的压力容器组成，内容器由圆形筒体与两个标准椭圆形封头组成，外壳主体由圆形筒体和两个THA蝶形封头组成，内容器与外壳之间夹层内充填了膨胀珍珠岩，之间依靠八个玻璃钢支撑进行定位及固定，外壳外玻璃钢支撑位置处安装两个固定式鞍座用于贮罐的运输、安放固定，此罐主要用于装载LNG液化天然气，是我司目前开发最大的应变强化贮罐，此罐基本参数如下：
2 贮罐的主体设计
此罐的设计、制造及验收按照ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ卷 第一册、附录44并同时符合相关行业标准的要求。
设计时，内容器及外壳直径选择了比较合理的长径比，为了降低产品成本，对内容器采用了应变强化的技术，根据ASEM规范附录44选用SA-240 304选用的许用应力，根据ASME规范 UG27、 UG32公式进行计算内容器的壁厚，应变强化技术使内容器的壁厚减少很多，使贮罐整体成本下降，外壳按照ASEM规范常规设计计算。
3 贮罐的强化设计
按照ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ卷 第一册、附录44要求，强化试验压力为1.5倍的设计压力，强化压力值为1.32MPa。此罐的关键设计就在与于强化试验，试验时有如下困难：强化试验时需要将内容器充满水，不包括容器的重量光试验介质水的重量就需要350吨，在试验前首先需要考虑试验场地是否可以承受这么大的载重量，后通过理论计算在压力试验场地铺设60mm碳钢板材，保证压力试验时不会存在地基塌陷风险。强化试验时，试验鞍座的放置位置是否合理，内筒体由于与壁厚薄，支撑位置局部用力问题，利用应力分析软件，对350立方贮罐应变强化水压试验模拟建模，进行应力分析计算，理论计算应变强化试验，再根据实际情况合理布置鞍座，包括鞍座的设置间距、材质及数量要求，保证了试验的正常进行。校核各受压元件在水压试验条件下的应力水平时，各受压元件的厚度应取最小成型厚度，在计算时，所取压力应考虑计入液注静压力，计算的薄膜应力不得超过材料的屈服强度的90%。如下现场强化图片1与应力分析图片2
4 卧式贮罐的内外支撑设计
内容器与外壳之间在设计支撑时，既需要考虑能够承重，还需要考虑支撑的材料要有好的绝热性能，热导率必须小才能保证不会将内容器内的低温传到外壳上，支撑承受内容器的总的重量包括内容器本身的重量、 绝热材料的重量及贮存介质LNG的重量，所以选择高强度及绝热性能好的Z3848材质的玻璃钢。此罐分别在底部相对于轴线30度及顶部45度位置均布共八个玻璃钢支撑，此结构最早引进俄罗斯军用设备转民用设备，玻璃钢支撑在选用时，既要考虑支撑的平行于玻璃钢支撑的压缩应力，还需要考虑垂直于支撑的剪切应力及重力因素引起的弯曲应力，再根据第三强度理论判定是否满足要求。玻璃钢支撑使用布向结构的支撑，压缩，弯曲应力按照250MPa判定，剪切应力按照25MPa判定，此数据来源于Z3848试验报告，考虑到不可控因素，安全系数取2，最终判定玻璃钢支撑是否满足要求。由于此结构为局部支撑结构，在支撑位置局部应力会较大，所以在设计时考虑使用焊接大的垫板，对局部支撑位置进行加强。由于介质及本身容器的垂直向下的重力作用，需要考虑圆筒中间横截面上的轴线弯矩及支撑平面上的轴向弯矩。圆筒中间的横截面上及支撑平面上，由内压力及轴向弯矩引起的轴向应力。最高处及最低处的评判标准：σ1，σ2，σ3，σ4≤φ[σ]，则σ1，σ2，σ3，σ4≤138MPa;圆筒支撑位置最大剪切应力<0.6S=82.8 MPa。鞍座设计时，考虑地震风载，由于卧式贮罐通常比较矮，所以一般情况风载的影响会比较小，只需要考虑地震就可以满足安全的要求，但是此项目由于地基比较高，地基有3.5m的高度，所以在考虑风载时需要将地基高度考虑进去。鞍座设计除了需要考虑夹层负压力及轴向弯矩引起的轴向应力，还需要考虑切向剪切应力，圆筒鞍座平面的周向应力。此罐由于容积大、重量重、直径大，所以关键部位鞍座处的应力特别需要加强，所以鞍座位置除了需要加垫板，还需要考虑使用多根惯性矩大的加强圈，这里推荐使用角钢或者T型钢加强圈加强。吊耳组件设计时，由于此罐外壳的壁厚较薄，一般推荐安装至鞍座上，如果客户要求安装在筒体上，需要安装大的吊耳垫板。
5. 大型低温液体卧式贮罐的设计难点及創新点
由于此罐为我司最大的应变强化贮罐，在设计制造过程中遇到了很多的困难，但是还是有如下创新之处：
5.1 利用了应力分析软件，对350立方贮罐应变强化水压试验模拟建模，进行了应力分析计算，通过理论计算，修改了大型低温液体贮罐应变强化通用工艺规程;
5.2设计时，在有限的空间设计DN100的夹层管线，借助CAE软件对管线进行管道柔性计算，使用柔性弯结构，保证管线及管口局部应力在合理范围之内;
5.3借助PVLITE软件，对鞍座设计进行分析计算，通过计算对鞍座进行设计，支撑位置内容器为了防止强化过度，使用了整圈垫板代替局部垫板，同时在内容器、外容器增加T型圈，防止局部应力过大;
5.4为了方便套装，对套装小车进行了改进，套装小车高度比传统的套装小车低了约40mm;为缩短保证抽真空时间，保证良好的真空度，在容器两边都设置真空过滤器装置;
5.5在容器顶部铺设真空绝热棉，珠光砂与绝热棉复合绝热避免贮罐使用时间长后珠光砂沉降及长时间日照引起的绝热效果变差，保证贮罐的真空绝热性能。
6.结束语
350m?LNG液罐在2018年投入使用，设备运行良好，得到了客户的肯定。上述大型低温液体卧式贮罐的设计方法，供同行参考。
参 考 文 献
1 《机械设计手册》第六版
2 ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ卷 第一册 2019、附录44
3 《卧式容器》 NB/T 47042-2014
4 《卧式容器》标准释义与算例 NB/T 47042-2014