立式圆筒形储罐设计探讨

【摘要】针对立式圆筒形储罐的特点，对储罐的标准规范、容积、经济尺寸、材料选用、设计方法进行了阐述。并对储罐的结构进行了介绍。

【关键词】标准 容积 材料 罐顶 罐底 罐壁

大型储罐广泛应用于油品及化学工业的液体储存设备中，是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。几十年来，发展了各种形式的储罐，但最常用的是立式圆筒形储罐。

1 常用设计标准

1.1 中国标准

目前国内立式圆筒形储罐的设计标准规范有三个：国家标准《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB50341-2003；中国石油总公司标准《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》SH3046-1992；国家能源部标准《钢制焊接常压容器》NB/T47003.1-2009。1.2 国外储罐的主要标准

美国石油学会标准《钢制焊接石油储罐》API650和《大型焊接低压储罐设计与建造》API620；日本工业标准《钢制焊接油罐结构》JISB8501；英国标准《石油工业立式钢制焊接油罐》BS2654。

上述标准中，美国石油学会标准API650和API620已经成为国际上应用最为普遍的设计和建造储罐的通用标准，我国的GB50341-2003标准绝大部分参照美国标准API650编制。事实上，通过对建成的大型油罐罐壁应力分析结果看，采用API650标准进行设计，罐壁应力分布比较平稳，有利于提高油罐的安全性。API650标准已经成为国际上设计常压储罐的通用标准。

2 储罐的容积和经济尺寸的确定

公称容积是指圆筒几何容积（计算容积）圆整后以整数得到的容积。在设计储罐时，是以公称容积来选择储罐的高度和直径的。通常我们所说的1000立方米储罐、5000立方米储罐指的是公称容积。公称容积如图（a）所示。

2.3 实际容积（储存容积）

实际容积是指储罐实际可以储存的最大容积。一般储罐有一个安全容量，因为温度变化时，储液膨胀会引起液位升高，另外，许多石油化工储罐装有易燃介质，储罐上泡沫接管与储液之间应留有一定的高度，当储罐着火时，可保证储液面上的泡沫覆盖层有足够的厚度来隔离。储罐上部留有一定空间的高度为A，一般取300～1100mm。实际容积=计算容积减去A部分的容积。如图（b）所示。

2.4 操作容积（工作容积）

储罐使用时，出料口距底有一定的高度，储罐底部的液体不能通过出料口流出，这些液体称为死量，其高度为B。操作容积=实际容积减去B部分的容积如图（c）所示。

3 材料的选择

储罐选择材料时必须考虑储罐的使用条件如温度、储液的特性（腐蚀性、毒性、易燃易爆等）、材料的焊接性能、加工制造性能及经济合理性。同时，还要根据设备的使用寿命来判断，储罐用材料类别可分为碳素钢和低合金钢、不锈钢、铝及其合金。罐壁板的基本要求是强度、可焊性和夏比（V型缺口）冲击功。由于罐体是由许多块钢板通过焊接方法拼接而成的，所以钢板的焊接性能也很重要。钢板的韧性―冲击功Akv是防止储罐脆性破坏的一个重要依据，影响罐壁钢板冲击韧性的主要因素有最低设计温度、钢板的强度、厚度、时效性、晶粒度和使用状态。壁板尤其是底圈壁板，底部第二层壁板和罐底的边缘板对选材来说最重要，它们之间的焊接受力复杂，承受着较大的力，为了保证强度和焊缝质量，它们应该选择同种材料。碳素钢及低合金钢中的Q235B和Q345R是储罐的常用材料，它们价格低，材料来源广。液体化学品腐蚀物料的储罐可选不锈钢材质，也可选铝及其合金。设计温度低于-20℃的储罐应选择低温用钢或不锈钢，随着储罐大型化的发展，选用高强度的钢板在适当的高径比下，可取得较小的罐壁壁厚，从而节省投资。表2列出了国内常用储罐用钢板的许用应力。

4 储罐基本结构

储罐由罐顶、罐底、罐壁和附件组成。

4.1 罐顶结构

立式圆筒形储罐罐顶主要形式有：自支撑式锥顶、自支撑式拱顶、网壳顶、梁柱式锥顶、外浮顶、内浮顶。自支撑式锥顶一般用于直径较小的储罐，容量一般小于1000m3。自支撑式拱顶是一种形状接近于球面的顶，包括无肋拱顶和带肋拱顶，这样顶的储罐结构简单，钢性好，钢材耗量小，对基础沉降要求低。能够承受较高的剩余压力，受力状况好，所以自支撑式拱顶罐广泛应用于化工石油装置中。无肋拱顶罐容量一般小于1000m3，带肋拱顶罐容量一般大于1000～20000 m3。网壳顶结构简单，施工方便，质量轻，承载能力大，近年来钢制网壳式顶技术在国内得到比较快的发展，计算理论和计算程序都比较成熟。钢制网壳顶一般适用于直径大于30米的大型储罐，储存挥发性小的油品，梁柱式罐顶的储罐直径理论上可做得很大，可满足大型油罐的要求，但其结构复杂，耗钢量大，对基础沉降要求高，容易发生腐蚀。另外，这种顶的储罐不能设置浮盘，不宜用作储存易挥发的储液，国内很少使用。浮顶是随着液面变化上下升降的顶，包括内浮顶和外浮顶，在油罐中应用比较普遍。浮顶罐可有效控制油品蒸发损失，因为浮盘浮在液面上，使油品无液相蒸发空间，同时由于浮盘使空气与油品隔开，极大减少了空气污染和火灾，保证了油品本身的质量。外浮顶油罐是国内外油罐中最常用的一种结构，主要用来储存原油、柴油等介质。储存汽油、航空煤油的储罐大多采用内浮顶和拱顶结构。

4.2 罐底结构

立式圆筒形储罐的罐底一般直接放在基础的砂垫层上，储液的重量通过底板直接传给基础，对底板来说，理论上几乎没有强度要求。但实际上，由于储罐的自重、储液的静力和基础沉降所产生的附加力矩等，使罐底边缘部分受力非常复杂，根据应力分析结果，罐底最大径向应力距罐底边缘约500mm，所以，罐底边缘板径向宽度必须≥700mm。罐底的排板形式应根据储罐的大小，控制焊接变形等制造工艺因素来决定，直径小于等于12.5m的储罐，因罐底受力不大，宜按条形排板组焊，见图（e）。对于直径大于等于12.5m的储罐，罐底外缘受罐壁作用，边缘力较大，底板的需要比中部厚，所以应设弓形边缘板，排板形式见图（f）。

（g）底圈罐壁与边缘板之间的接头

弓形边缘板是由若干块切割好的弓形板组成，它们之间的焊接应采用带垫板的对接焊接结构。边缘板与中幅板之间及中幅板之间的焊接，常采用搭接焊接结构，也可以采用带垫板的对接焊接结构。如果采用搭接焊，应该为单面连续焊，焊接宽度应≥5倍较薄板的厚度，焊缝高等于较薄板的厚度，中幅板要搭在边缘板上，焊接采用单面连续角焊，焊接宽度不小于60mm，若采用对接焊，焊缝下面应紧贴垫板，垫板厚度不小于4mm，宽度不小于50mm。罐底板任意相邻两个焊接接头之间的距离以及边缘板焊接接头与罐壁纵焊缝的距离均不小于300mm。底圈壁板与底板边缘板之间的焊接，应采用两侧连续角焊，焊角高度等于二者中较薄板的厚度，且焊脚高度应不大于13mm。在地震设防烈度大于7度的地区，底圈壁板与罐底边缘板之间的焊接应采用如图（g）的焊接形式，角焊缝圆滑过渡。

罐底板的厚度：不包括腐蚀裕量的中幅板的厚度见表3。不包括腐蚀裕量边缘板的厚度见表4。

4.3 罐壁的设计及焊接结构

工程中，储罐壁板的厚度通常有三种方法确定：定点法、变点法、应力分析法。定点法是以高出每圈壁板底面0.3m处的液体压力来确定每圈壁板厚度的方法，一般用于容积较小的储罐。对于容积较大的储罐宜采用变点法设计，变点法考虑了相邻圈壁板之间不同厚度的互相影响，对每一圈壁板采用离罐壁底面不同的设计点来计算壁厚，从而使每一圈壁板中的最大应力接近钢板的许用应力。应力分析法多用于大直径的储罐，保证储罐满足强度要求。用以上三种方法计算出的罐壁厚度应圆整至钢板的规格厚度，且应不小于规范所规定的最小罐壁厚度。表5列出了SH3046-1992《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》规定的最小厚度。

罐壁由若干块型板焊接而成，上层壁板的厚度不得大于下层壁板的厚度。壁板的纵向焊接接头应采用全焊透的对接结构，为了减少焊接变形，相邻两层壁板的纵向焊缝应向同一方向逐圈错开1/3板长，焊缝最小间距不小于1000mm。底圈壁板的纵向焊接接头与底板边缘板对接接头之间的距离不得小于300mm。罐壁的环向焊缝主要是对接。罐壁板的宽度对于碳钢板一般应不小于1800mm，对于不锈钢板一般应不小于1600mm。

5 结束语

总之，立式圆筒形储罐在石化行业广泛应用，了解其常用的设计方法十分必要，本文只从标准、容积、材料选用、罐顶、罐底、罐壁等常识进行了介绍，实际上一台储罐的设计还包括很多内容，如强度设计、抗震设计、稳定性设计、附件设计等，这里就不一一说明。

参考文献

[1] 杨一凡，朱萍，斯新中，等编.球罐和大型储罐.北京：化学工业出版社，2004

[2] SH3046-1992石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范. 北京：中国石油总公司，1992