大型立式圆筒油罐设计中问题探讨

【摘要】大型油罐应用越来越广泛，结合其发展状况，分别从罐壁、罐底板、罐顶设计及其设计标准的使用作了详细介绍。

【关键词】油罐;罐底板;罐顶;罐壁设计

大型立式圆筒型油罐是储存液体原料的主要设备，在食用油行业，近几年来，各地建设的食用油储罐容量不断加大，最大单罐容量达到1.25万立方米，大型化是发展趋势。大型立式圆筒储罐大型化其优点是：

①从材料用量上，大型化储罐较同容积几个储罐钢材耗量越小。

②从占地面积上，由于相关设计规范对于储罐之间的距离要求表严格，但是同储量的油罐，大型储罐较小储罐的占地面积要小，从而减少用地，节约土地资源。

③同容量的储罐区，采用大型储罐，与其配套的工艺设施、监控设施也相应的减少，节省投资，操作也相比来说简便。在食用油行业，大型储罐主要是常压罐（设计压力-0.49kpa～6kpa），结构形式为立式圆筒形固定顶钢制焊接油罐，设计主要依据的规范有：GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》。储罐大型化有其优点，但是给设计、制造和使用带了一些问题，比如，对地基要求更高，设计中材料选择更加复杂等。所以在设计中应引起足够的重视。

1、罐壁设计

（1）罐壁厚度计算通常有三种方法：定点法，变点法及应力分析法。我国设计标准采用定点法。GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》就采用此方法，壁厚计算公式

td―储存介质条件下管壁板的计算厚度（mm）;

tt―储存介质条件下管壁板的计算厚度（mm）;

D―油罐内径（m）;

H―计算液位高度（m）;

ρ―储液相对密度（取储液与水密度之比）;

[б]d―设计温度下钢板的许用应力（MPa）;

[б]t―常温下钢板的许用应力;

φ―焊接接头系数（0.9）

从设计过程来看，按此标准计算考虑比较全面，各圈壁板计算步骤清晰，较容易掌握。

（2）罐壁设计另一个关键是壁板之间焊缝形式的确定。罐壁板中环向应力决定罐壁厚度。在罐壁板纵焊缝和环焊缝中，纵焊缝的质量起很大的作用。合适的焊缝形式及焊接工艺是保证焊缝质量的前提，所以对罐壁的纵焊缝一定采用全焊透结构。壁板较厚时（>6mm）采用开坡口，坡口形式由单面Y形、单面U形、双面Y形、单面U形。

（3）罐壁刚度也是决定罐壁质量重要条件之一，大型油罐是一种薄壳板柔性结构，如何确保在风载荷或负压或者两者同时作用下储罐的稳定性，是储罐设计中需要考虑的另一个重要问题。油罐一般会发生整体倾覆或滑移、壁板轴向失稳、凹憋。所以在设计过程中需要考虑各种因素，合理选取外加载荷进行验算，设置抗风圈以减少罐壁的变形。

2、罐顶设计

食用油储罐罐顶结构选择自支撑式拱顶结构，自支撑式拱顶的刚性较好，耗钢材较其他形式（锥顶）少，且能够承受较高压力。同时与罐壁顶边角钢连接采用弱连接结构。避免在进出油操作中罐内超压，减少对储罐的破坏，降低损失。目前自支撑式拱顶储罐的罐顶有两种形式，光面拱顶和加肋拱顶。根据设计经验，加肋拱顶主要用于直径>12.5m直径储罐以上。

3、罐底设计

大型储罐罐底受力非常复杂，罐底除了承受储罐自身的重力外，还受到储液的静压力和基础沉降所产生的弯矩等，尤其罐底板边缘部位受力尤为复杂。

目前GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》罐底板型式主要两种，见下图。油罐直径小于12.5m时，罐底板可不设环形边缘板，大于等于12.5m时，罐底板宜设环形边缘板。

罐底板的坡度选择。目前在食用油行业中，主要考虑到储罐的清洗和容量大小主要要以下两种罐底型式。见下图

a）正圆锥型：这种罐底及其基础呈正圆锥形，中间高，四周低。其罐底坡度按1.5%设置。这种结构特点如下：

①罐底板受力较好。

②罐底液体放净口处于罐内周边较低位置，可以基本满足杂质、存液的排净。

③储罐经长期使用，正圆锥形罐底逐渐变平，但由于基础沉降不均匀以及罐底钢板的弯曲和压缩变形，使基础及罐底局部变得凹凸不平。此时油脂放净口不一定处于罐底最低处，造成油脂不易排净，与其他批次或品种的油脂混合。

④所造成的凹凸变形，易造成积水和杂志的沉淀，从而加剧了罐底的腐蚀。加之罐底板尤其中幅板厚度较薄，易使罐底腐蚀穿孔造成泄漏。正圆锥形罐底是传统的罐底形式，是目前使用最为广泛的形式，尤其适用在大型立式储罐罐底形式。

b）倒圆锥型：这种罐底及基础呈倒圆锥形，中间低，四周高。罐底坡度一般设置2%～5%。在罐底中央设置集油槽，沉降的杂质和存液集中于此，有出油口引出排放。这中罐底结构形式的特点如下：

①油脂放净口处于罐底中央，不管日后罐底如何变形，集油槽总是处于罐底的最低点，这对排净沉降的杂质、水分和存油，提高储存油脂的质量十分有利。

②因易于清洗，所以可以不再设置清扫孔。

③倒圆锥形罐底可以增加储罐容量，直径越大，罐底板坡度越陡，所增加的容量越多。

④较少形成凹凸变形和较少沉积，大大改善罐底腐蚀状况。

⑤罐底受力比较复杂，对于油罐基础设计、施工要求比正圆锥形罐底更加严格。因为倒圆锥形油罐的罐壁与边缘板成大于90?斜交，在动、静液压的作用下，受力变得复杂。罐底板除受轴向压应力外，还受径行拉力和切向拉应力，底板焊缝受力条件较差，因此应针对罐底和不同的地质情况，选择合适的油罐基础和施工规程。

⑥倒圆锥形底板焊接变形使得与沥青砂层之间易产生孔隙，在使用过程中罐底坡度会越来越大，特别是垫层密度控制不好或者地基处理不好，将使孔隙加大，从而使底板承受较大的循环交变应力或出现应力集中。倒圆锥形罐底也是应用比较广泛形式之一，主要应用在容量较小，储备油品变换频繁一些中转罐。

4、油罐地震的计算

抗震设计是大型油罐设计的重要环节。地震对油罐破坏主要有以下几个方面：

①焊缝破裂。罐壁和罐壁边缘板之间焊缝发生破裂。是由于水平地震载荷，罐内业主压力和基础不均匀沉降等因素共同作用的结果。因为水平地震载荷会使角焊缝产生弯矩，就可能造成角焊缝的破裂。

②罐壁下部的屈曲。这种破坏的典型形状是罐壁外鼓，形成如管道上波形膨胀节。这种破坏是由于水平地震载荷对罐壁产生弯矩，此弯矩应力达到了临界应力值而引起罐壁屈服，再加上液柱压力把罐壁挤向外，从而使下部壁板向外臌曲。

③罐壁上壁屈曲。这是由于下部破裂时，油品迅速外泄造成局部真空，这是外压失稳现象。

所以大型油罐设计必须按照GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》附录D中的步骤，合理选取参数进行抗震验算。从而保证大型油罐使用中的安全。

综上所述，大型立式圆筒型储罐应用越来越广，掌握其设计中主要问题十分必要。

参考文献

[1]湛卢炳等编.大型储罐设计[M].上海：上海科学技术出版社，1986.

[2]徐英等编.球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社，2004.

[3]GB50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范.