Tính toán thiết kế bồn chứa API620

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỒN CHỨA PROPAN
3.1. Thông số thiết kế bồn bể chứa propan
Loại bể chứa: Bể chứa đơn (Cảng Thị Vải đang sử dụng)
Dạng mái: Mái cầu
Tiêu chuẩn thiết kế: API 620
Vật chứa: Propan
Đường kính bể (50 m)
Chiều cao bể: 28 m
Công suất thiết kế: 55 000 m3
Công suất chứa lớn nhất: 50 000m3
Hiệu suất chứa: 91%
Nhiệt độ thiết kế: -45/650C
Áp suất thiết kế: -50/2500 mmH2O
Thép được lựa chọn: ASTM A 537-65 (I-28)
3.2. Các công thức tính bồn chứa propan [9]
3.2.1. Công thức tính độ dày lớp vỏ trong của bồn chứa
 Theo thiêu chuẩn API 620, lực tác dụng lên bồn theo phương thẳng

đứng và phương ngang là:
T1
T2

(3.1)
(3.2)

Trong đó:
P: Áp suất tổng (lbf/in2) P= P1+Pg
P1: Áp suất chất lỏng trong bình
Pg: Áp suất khí (áp suất của lượng khí bay lên trên bề mặt chất
lỏng tác dụng lên thành bồn)
1

T1: Lực tác dụng lên bồn theo phương thẳng đứng (lbf/in)
T2: Lực tác dụng lên bồn theo phương ngang (lbf/in)
R1: Bán kính của bồn chứa (in)
R2: Chiều cao bồn chứa (in)
W: Tổng trọng lượng (lb) = khối lượng kim loại + khối lượng khí
+ khối lượng phần lỏng chứa trong bồn (tuy nhiên trọng lượng khí và
kim loại là không đáng kể so với khối lượng của chất lỏng nên W được
lấy bằng trọng lượng của phần lỏng trong bồn chứa). Khối lượng riêng
của propan 0,58 kg/m3 (ở điều kiện -45 oC, [11].
 W= 29 000 tấn = 63 932 980,6 Ib

F: Tổng khối lượng các thiết bị phụ trợ tác dụng lên bồn theo
phương thẳng đứng
At: Diện tích mặt cắt ngang (in2) ở bên trong bồn chứa tại phần xét
t: Bề dày của thành bồn, nắp và đáy bao gồm cả trợ cấp ăn mòn
(in)
c: Trợ cấp ăn mòn (in)
E: Hiệu suất chứa max của bồn chứa
Sts: Giá trị lớn nhất của ứng suất kéo (lbf/in2)
Sta: Giá trị cho phép của ứng suất kéo (lbf/in2)
Sca: Giá trị cho phép của ứng suất nén (lbf/in2)
Stc: Ứng suất kéo tính toán (lbf/in2)
Scc: Ứng suất nén tính toán (lbf/in2)
 Trường hợp 1: Nếu T1 và T2 >0 thì độ dày “t” tính toán theo công

thức:
t

(3.3)

hoặc t

(3.4)

2


Giá trị t được xác định với giá trị T lớn hơn
 Trường hợp 2: Nếu T1> 0 và T2 < 0 hoặc T1< 0 và T2> 0 thì độ

dày cần thiết “t” được giả thiết để xác định giá trị “t” thích hợp
 Trường hợp 3: Nếu T1=T2< 0 thì độ dày cần thiết “t” được xác
định
t

(3.5)

Xét tỷ lệ
Nếu Sca = 1 000 000

(3.6)

Nếu 0,00667 Sca = 5650+ 154200 .

(3.7)

Nếu thì Sca =8340
 Trường hợp 4: Nếu T1, T2 < 0 và T1 khác T2

t=

(3.8)

và

t= +c

(3.9)

T’ tương ứng với giá trị T lớn nhất
T’’ tương ứng với giá trị T nhỏ hơn
• Nếu ( giá trị “t” được tính theo công thức 3.8 và 3.9. Độ dày của thành

bồn sẽ được chọn là giá trị “t” lớn hơn).
(giá trị “t” được xác định bởi 2 công thức 3.8 và 3.9. Độ dày của
thành bồn sẽ được tính lại theo công thức:
t =
t=

(3.10)
(3.11)

• Nếu Nếu ( giá trị “t” được tính bởi công thức 3.10 và 3.11. Độ dày thành

bồn “t” sẽ được lấy theo giá trị lớn hơn.
Nếu t tính bằng công thức 3.8 và 3.10 có giá trị 0,00667< t <
0,0175 thì “t” được tính theo công thức
(3.12)

• Nếu t tính bằng công thức 3.9 và 3.11 có giá trị 0,00667 < t < 0,0175 thì

giá trị “t” được tính theo công thức:
3


(3.13)
R’ và R’’ tương ứng là R1 và R2 nếu giá trị lớn hơn là bán kính và
ngược lại.
Chọn vật liệu ASTM A 537-class 2 có Sts = 24 000 (lbf/in) (I-28)
F=0 do khối lượng các thiết bị phụ trợ là quá nhỏ so với khối
lượng chất lỏng chứa trong bồn.
At =
Lấy 1 m = 39,37 in
R1 =25 m = 984,25 in
R2= 28 m = 1102,36 in
3.3. Tính thiết kế bồn chứa propan
3.3.1. Tính bề dày của bồn chứa propan
 Áp dụng công thức 3.1 và 3.2 để tính toán T1 và T2

T1
T2 < 0
Do T1> 0 và T2< 0 nên áp dụng theo trường hợp 2: Giả sử độ dày
của thành bồn
Bảng 3.1. Giả sử các giá trị bề dày bồn chứa
t
TT (in)
1
2
1,8

2
5
3 1,7
1,5
4
5
5 1,4
1,2
6
5
7

1,1

Điều kiện N<1
0,00197

St =
2516,341

St =
10704,893

N=
0,59472

0,00182
0,00167

2727,089

2976,366

11601,451
12661,912

0,64453
0,70344

0,00151
0,00136

3275,799
3642,220

13935,746
15494,555

0,77421
0,86081

0,00121

4100,938

17446,010

0,96922

0,00106

4691,851

19959,844
4

1,10888

Thỏa mãn
Thỏa mãn
Thỏa mãn
Thỏa mãn
Thỏa mãn
Thỏa mãn
Không thỏa
mãn


8
9
10
11
12

0,9
5

0,00091

5481,725

23320,088

1,29556

0,8
0,6
5

0,00075

6591,386

28040,753

1,55782

0,00060

8264,327

35157,695

1,95321

0,5
0,3
5

0,00045 11075,322

47116,095

2,61756

0,00030 16784,251

71402,742

3,96682

Không thỏa
mãn
Không thỏa
mãn
Không thỏa
mãn
Không thỏa
mãn
Không thỏa
mãn

Dựa vào đồ thị ta có điểm trao của 2 đường cong X-X và W-W là
tọa độ giao điểm cần tìm, tuy nhiên giao điểm của 2 đường cong nằm
bên trái đường A-A nên việc biểu diễn các giá trị trong vùng này không
được sử dụng [9]. Do đó, phải lựa chọn điểm mà tại đó ứng suất nén tính
toán không vượt quá ứng suất nén cho phép. Điểm này chính là giao
điểm của W-W và A-A.

Hình 3.1. Đồ thị xác định hệ số N [9]
Dựa vào đồ thị, xác định được N=0,72

000 = 12 960 (lbf/in)
(in) = 42,16 (mm)
5

S ta =N. Sts =0,72. 18


Vậy với việc bán kính trong của bồn là 25 m, chiều cao của bồn
chứa 28 m và sử dụng thép ASTM A 537-65 ( I-28) để thiết kế lớp vỏ
trong của bồn chứa LPG lạnh thì chiều dày tối thiểu của thép phải 42,16
(mm).
3.3.2. Tính toán các chi tiết bên ngoài
3.3.2.1. Tính bề dày lớp bảo ôn
Vật liệu bảo ôn (cách nhiệt) sử dụng trong bồn chưa LPG lạnh là
đá trân châu. Đá trân châu là loại khoáng chứa thành phần silic cao,
không chứa amiăn được hình thành từ các dòng nham của núi lửa qua
quá trình sản xuất bởi phản ứng nhiệt.
Đá trân châu có hệ số dẫn nhiệt k = 0,047 W/mK [11]
Nhiệt dung do chất bảo ôn sinh ra để chống lại sự xâm nhập nhiệt
môi trường trong khoảng thời gian.
Q=k.A.(T2-T1).t/d
k: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu bảo ôn
A: diện tích bề mặt chất bảo ôn (m2)
(T2-T1) chênh lệnh nhiệt độ giữa 2 bề mặt chất cách nhiệt (K)
T2-T1 = 60 - (-42) = 102oC =375 K
t: thời gian dẫn nhiệt (h)
d: độ dày chất bảo ôn (m)
 Nhiệt lượng tác dụng lên từng bồn sẽ làm LPG lỏng hóa hơi vậy nên

nhiệt do môi trường tác động lên tường bồn là:

Q=L. m
L: ẩn nhiệt bay hơi của propan
M: khối lượng chất bay hơi trong khoảng thời gian t
Để đảm bảo cho nhiệt độ trong bồn không bị xâm nhập của nhiệt
độ môi trường thì nhiệt lượng do môi trường tác động lên thành bồn phải
6


nhỏ hơn nhiệt lượng do chất bảo ôn sinh ra để chống lại sự xâm nhập
nhiệt. Hai nhiệt lượng này có chiều ngược nhau.
d
Lựa chọn thời gian dẫn nhiệt: 1h
Khối lượng khí bay hơi trong 1 ngày = 0,05%W=0,05%.29 000=
14 500 (kg)
Trong 1h thì khối lượng chất lỏng bay hơi m = 14 500/24=
604,166 (kg)
Độ dày chất bảo ôn tối thiểu là:

Chiều dày vật liệu đá trân châu cần thiết để đảm bảo cho quá trình
cách nhiệt của bồn tối thiểu là 1,29 m
3.3.2.3. Tính chiều dày cho lớp áo ngoài
Lớp vỏ ngoài không chịu áp suất của chất lỏng trong bình chứa do
không tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng mà chỉ chịu áp suất của môi
trường P=0,1N/mm2
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn của thép ASTM A 573-65 là 18
000(lbf/in2) = 124,105 N/mm2
Ứng suất cho phép theo công thức: S c = h. Sts = 0,95.124,105 =
117,90 (N/mm2)
Trong đó: h hệ số hiểu chỉnh (0,9-1)
C =0,6 mm tính toán cho bồn chứa trong 20 năm

Vậy đường kính của lớp áo ngoài = 2R+2d = 2.25 + 2.1,29 =
52,58 (m) =52 580 (mm)
Bề dày tối thiểu của lớp vỏ bên ngoài bồn:

7


Vậy với việc sử dụng vật liệu ASTM A573-65 để làm áo ngoài của
bồn LPG lạnh thì độ dày cần thiết của vật liệu là 24,17 mm.
Để mái bồn chứa dạng chỏm cầu có thể chịu được lực nén lớn nhất
thì tâm của hình cầu mái bồn phải nằm ở vị trí chính giữa đáy của bồn
trụ, tức là khi đó khoảng cách từ vị trí chính giữa đáy bồn tới vị trí tiếp
nối của mái bồn và than bồn.
Vậy bán kính của hình cầu chứa mái bồn là = 37,54 (m)
Vậy bán kính của hình cầu = R2 + H  H = 9,54 (m)
3.3.3.3. Xác định độ dày tối thiểu của trung tâm mái bồn
Mái bồn không chịu tác động của chất lỏng, ở đây mái bồn chỉ
chịu áp suất của khí BOG
Lựa chọn áp suất tối đa của BOG trong bồn chứa là 0,03 bar
=0,435 psi
Vật liệu thiết kế mái bồn ASTM A573A-65 (lựa chọn thép dựa
vào tiêu chuẩn API 620 và dựa vào loại thép được sử dụng trên thị
trường Việt Nam hiện nay) có khối lượng riêng là 7800 kg/m 3 =
0,283lb/in3
Ta có P = -0,435 psi do là áp suất chân không bên trong
W: Tổng trọng lượng của các tấm thép, vật liệu cách nhiệt và tải
tuyết (W cùng dấu với P trong trường hợp này vì nó tác dộng theo cùng
một hướng lên mặt phẳng được xét)
Mái bể có khối lượng riêng của chất cách nhiệt là 100 kg/m 3 =

0,0036 lb/in3

8


Hình 3.2. Biểu diễn lực tác dụng lên các vị trí trên mái bể [9]
Giả sử độ dày của vật liệu là 1 (in)
Tổng trọng lượng trên 1 in2 :
Vì F = 0 tại vị trí xét không có thiết bị bổ trợ
Với R 1= R2 =28 + 9,54 =37,54 (m) = 1 477,9498 (in)
Áp dụng công thức 3.1 và 3.2
T1
T2= 1477,9498(-0,435-0,2866)-T1= -533,244 (lb/in)
Vì T1 và T2<0 nên t = mà Sca=1 000 000 . do < 0,00 667
 (t-c)2 =
Suy ra t=0,89 +1/16 = 0,9525 in (so sánh giá trị giả thiết 1 in thì sự
chênh lệnh rất nhỏ nên thỏa mãn yêu cầu, c=1/16 in độ dày ăn mòn của
vật liệu).
Vậy với việc sử dụng vật liệu ASTM A573A-56 làm mái bồn thì
độ dày cần thiết tại trung tâm của mái bồn là 0,9525 in =24,19 (mm).
Bảng 3.2. Tóm tắt các thông số ban đầu và các kết quả tính toán
Kiểu bể chứa

Bể hình trụ
9


Dạng mái bể
Vật liệu chứa
Đường kính bể

Chiều cao bể
Công suất chứa lớn nhất
Công suất thiết kế
Loại thép sử dụng
Chiều dày tối thiểu lớp vỏ bồn
chứa
Chiều dày tối thiểu lớp bảo ôn
Bề dày tối thiểu của lớp vỏ bên
ngoài bồn
Bán kính của mái cầu
Bề dày tối thiểu của mái bồn

Mái cầu
Propan
50 m
28 m
50 000 m3
55 000 m3
ASTM A537-65
42,16 mm
1,29 m
24,17 mm
9,54 m
24,2 mm

10