第２期 马燕：大型储罐设计过程及需注意的问题探讨 ・１１９・ 大型储罐设计过程及需注意的问题探讨 马 燕 （中石化南京工程有限公司，江苏，南京２１１１００） 摘要：本文结合工作实践，从储罐的选型与选材、储罐的罐壁、罐顶、罐底、承压圈、抗风圈、中间抗风圈、风载荷作用下倾覆稳定性 校核、抗震设计等设计过程和常见问题剖析几个方面阐述了大型储罐的设计过程。以对今后的工作有所借鉴。 关键词：大型储罐；选型与选材；设计过程 中图分类号：ＴＱｏ５３．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１４）０２—０１１９一ｏ３ 储罐在国民经济发展中具有重要作用，特别是在石油、 性质相似的油品，应选用固定顶罐；芳烃、醇类、醛类、酯类、 石化企业，储罐是储运单元储备原料、油品调合和成品油输 酮类、腈类及与其性质相似的介质，根据具体情况可选用内 转的重要设备。无论是陆地或海洋原油开采，还是石化装置 浮顶罐或固定顶罐；酸类、碱类宜选用固定顶罐。储存甲 的原料存储；无论是长输管线的泵站、运销油库和军用油料 乙 类的液体，宜选用浮顶或浮舱式内浮顶罐，不应选用浅 油库，还是国家物资储备与战略储备，均离不开各种容量和 盘式内浮顶罐。 类型的储罐。 储罐的选材对于不同的介质有不同的选择，一般储存原 大型储罐的设计一般有如下过程：作为设备专业来讲， 油及成品油的都是碳钢或低合金钢罐，１０万立方以上的会 从拿到设计条件开始，首先考虑的是介质的特性，有没有腐 用到高强度钢板，一般是储存原油的外浮顶罐，可用国外进 蚀，工艺条件提的材质是否合适，设计参数是否完整，还需知 口日本产ＳＰＶ４９０Ｑ，国内生产的是大线能量用ＷＨ６１０Ｄ２钢 道储罐所在地的风载荷和雪载荷，以及地震设防烈度和地震 板，该钢板被列入了已经发布实施的《压力容器用调质高强 分组。当这些基础条件大部分掌握后，就可以选择合适的标 度钢板（ＧＢ１９１８９—２０１１）》，正式命名为１２ＭｎＮｉＶＲ。油品储 准规范进行储罐的设计了。 罐设计相对来说比较常规，但是在石化和化工行业，不仅有 储罐的设计标准常用的有ＧＢ５０３４１—２００３｛立式圆筒形 油品，还有有机、无机的化工品，产品种类繁多，有很多是易 钢制焊接油罐设计规范》、ＳＨ３０４６—１９９２《石油化工立式圆 燃易爆、有毒有害、有腐蚀的介质，对材料的选择需要慎重考 筒形钢制焊接储罐设计规范》、ＡＰＩ６５０《焊接石油储罐》、 虑。材料常见的有碳钢、低合金钢和不锈钢，碳钢常用的有 ＡＰＩ６２０｛大型焊接低压储罐设计与建造》、ＳＹ／Ｔ ０６０８—２００６ Ｑ２３５Ｂ，、Ｑ２４５ａ，低合金钢有Ｑ３４５Ｒ，不锈钢常用的有３０４， 《大型焊接低压储罐的设计与建造》、ＳＨ／Ｔ３１６７—２０１２｛钢制 ３０４Ｌ，３１６，３１６Ｌ。Ｑ２４５Ｒ钢板一般在有Ｈ２ｓ应力腐蚀时会 焊接低压储罐》等；施工验收规范有ＧＢ５０１２８—２００５（立式圆 考虑使用，介质如炼油乙烯硫磺回收装置中的含硫污水储 筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》、ＳＩ－Ｉ／Ｔ３５３０—２０１ １《石 罐。Ｑ３４５Ｒ钢板一般在储罐容积超过５０００ｍ 时会考虑使 油化工立式圆筒形钢制储罐施工技术规程》等…。 用，和用Ｑ２３５Ｂ相比，可以降低壁厚。碳钢罐对不同的介 ｌ储罐的选型与选材 质，所选取的腐蚀裕量也不同，但最大腐蚀裕量不应大于 储罐按罐顶的形式可分为拱顶、内浮顶、外浮顶和锥顶 ６ｍｍ，否则应采取防腐措施。一般储罐的设计寿命为１５年， 罐。原油、汽油、溶剂油等油品，应选用浮顶罐或内浮顶罐； 用介质的年腐蚀率乘以设计寿命，可得到它所需的最小腐蚀 航空汽油、喷气燃料应选用内浮顶罐，灯用煤油可选用内浮 裕量，一般会适当放一些。腐蚀速率与腐蚀裕量的关系如表 顶罐；柴油、润滑油、电器用油、液压油、重油（燃料油）及其 １所示。 表１ 腐蚀速率与腐蚀裕量的关系 为降低成本，罐体主材也可采用碳钢衬不锈钢的方式， （针对敞口储罐如外浮顶罐）、中间抗风圈、储罐上的风载荷 介质如３０％的烧碱，环氧丙烷，乙二醇等。不锈钢衬里适用 作用下倾覆稳定性校核（针对高径比大的，单面倾斜底罐，风 工作温度＜３００℃，衬层厚度一般为２～３ｍｍ。 压比较大的地方），抗震设计等。 有些介质虽使用不锈钢但还是有腐蚀的，如醋酸，需要 （１）罐壁设计方法有定点法和变点法。常用的是定点 进行酸洗钝化和晶间腐蚀实验，取腐蚀裕量如１．５ｍｍ。 法，即罐壁高度Ｈ采用（Ｈ一０．３）进行计算，此处的０．３ｍ是 ２储罐的设计 由于下一圈壁板或罐底对所计算的那圈板的约束而使最大 储罐的设计过程如下：罐壁、罐顶、罐底、承压圈、抗风圈 应力降低的修正系数。定点法分储液和试水两种情况，壁厚 收稿日期：２０１３—１２—３０ 作者简介：马燕（１９８１一），女，河南驻马店人，中石化南京工程有限公司，工程师，学士学位，现从事化工设备设计工作。 山东化工 ・１２Ｏ－ ＳＨＡＮＤＯＮＧ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１４年第４３卷 取较小者。 在罐顶设置呼吸阀和紧急泄放装置。内浮盘有钢浮盘和铝 一般变点法用于直径大于６０ｍ以上的储罐，也就是５万 浮盘，有些介质对铝不适用时，要选用钢浮盘，密封带的选用 ｍ 以上的储罐，此时若用定点法计算壁厚，往往造成下面壁 要查《腐蚀数据手册》，一般密封带的材料有氟橡胶，丁基橡 板应力较大，甚至超过许用应力，而上面的壁板往往比许用 胶，丁腈橡胶，三元乙丙橡胶等，下面列几种橡胶适用的介质 应力小得较多，设计就显得不合理了，转而采用变点法。 见表２。 碳钢及低合金钢的板宽一般取１．８ｍ，罐容大的如５０００ ｒｌｔｌ 以上可取２．０ｍ，２．２ｍ，２．４ｍ等，不锈钢一般取１．５ｍ、 ２．０ｍ等，板长一般有７ｍ，８ｍ，９ｍ，１０ｍ，１１ｍ等，排版时上下 相邻两块板的纵焊缝错开距离宜为板长的三分之一，且不小 于３００ｍｍ。 （２）罐顶的结构形式常用的有拱顶、内浮顶、外浮顶和 分段处 锥顶。 拱顶罐的罐顶设计中１０００ ｍ３及ｌＯ００ｍ 以下的拱顶罐 顶板不需设置加强肋，除非罐顶上另接有设备或加热盘管， 因罐顶吃重，需设置加强肋；ｌＯ００ｍ 以上的拱顶罐是要设置 加强肋的，有内防腐的（如乙醇胺）、易聚合的（如丙烯酸丁 酯），也可将肋条设于罐顶外侧；超过１万ｍ 的储罐，ＳＨ３０４６ 《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》在带肋球壳 设计一章中规定储罐直径不宜大于３２ｍ，而ＧＢ５０３４１《立式 圆筒形钢制焊接油罐设计规范》规定密闭油罐拱顶带肋球 图１ 扇形板及肋的分段图 壳的曲率半径不宜大于４０ｍ，此时用带肋球壳设计储罐因 表２几种橡胶适用的介质 受肋条间距不得超过１．５ｍ的限制，扇形板要分段，肋也要 航空煤油、航空汽油、苯、甲苯、二甲苯、强酸、 分段，如图１所示，这样就变得复杂而不经济了，可考虑采购 氟橡胶 强碱、苯胺、氯溴乙烷、环乙烷、三氯乙烷、二氯 苯、四氯化碳 网壳顶，以改善拱顶结构大型化的经济性。 ． １ 罐容小于８０ ｍ’时可采用锥顶罐，罐顶坡度在÷一 Ａ－丁腈撇 ： ： ： 鞴、 Ｕ ｑ－ 之间。在国外常采用有大型梁柱支承锥顶结构的储罐来储 三元乙丙橡胶 丙酮、乙酸乙酯、甲醇、甲醛 存介质，而且罐容在上千到上万立方不等，此结构制造、施工 为确保内浮盘平稳升降且不受进料干扰，进料口需设计 方便，液面上气体空间较小，“小呼吸”时损耗少，在小坡度 成扩散管，见图２。扩散管的长度一般内伸罐内约３ｍ，两侧 锥顶上操作较自支承拱顶安全。 对称开设２排ｑｏ５０ｍｍ排液孔，间距约２００ ｍｍ，流速控制在 内浮顶罐一般在罐壁四周开有通气孔，罐顶上也有通气 ≤１ ｍ／ｓｏ 孔，但对于有氮封系统的储罐，则需取消罐壁和罐顶通气孔， 图２设计成扩散管的进料口 （３）罐底的结构形式有平底（中间向两边坡，坡度一般 小于１．８ｍ，不锈钢一般取１．５ｍ，这个高度不要太小，以保证 地基不应大于１．５％，软弱地基一般不应大于３．５％，基础沉 罐壁内表面至边缘板与中幅板之间的连接焊缝最小距离不 降基本稳定后，锥面坡度不应小于０．８％），单面倾斜底（坡 应小于ＧＢ５０３４１规定的６００ｍｍｍ或ＳＨ３０４６规定的７００ｍｍ。 度一般取１％一２％），倒锥底等。当介质比重超过１，有强腐 大罐的罐底一般采用真空箱法检测罐底真空度，所谓真 蚀性时，如硫酸、磷酸、硝酸等，罐底板下面一般设置工字梁， 空箱法就是将焊缝上的铁锈、油污等脏物洗刷干净，在焊缝 采用条形基础，此时罐底板和工字梁需进行计算，选取合适 上涂抹肥皂水，用真空箱罩住焊缝，通过真空泵抽出箱内的 的底板厚度，工字梁规格，工字梁的间距一般取在４００ｍｍ到 空气，使其真空度达到５３ＫＰａ，检查箱内焊缝上无肥皂泡为 ６００ｍｍ之间。 正常，有肥皂泡即为渗漏点。 直径小于１２．５ｍ的底板采用条形排版，直径大于等于 （４）罐顶与罐壁的连接结构称为承压区，这个承压区的 １２．５ｍ的底板采用弓形边缘板，弓形边缘板的高度，碳钢不 连接结构有型钢连接（如角钢，槽钢等），钢板连接，直接焊 第２期 马燕：大型储罐设计过程及需注意的问题探讨 证安全。 ・１２１・ 等，最常见的是角钢连接，等边角钢和不等边角钢都行，钢板 连接结构一般多见于按ＡＰＩ６２０设计的低压罐，还有一些特 殊材料，如采用Ｃ４钢（００Ｃｒｌ４Ｎｉｌ４Ｓｉ４）的硝酸罐，直接厚板 为防止储罐内物料因与进入的外界气体（空气）接触而 被污染变质或与外界进入的气体（空气）发生化学和（或）生 物反应，常需设置气封系统。用气封，气使储罐内维持一定 压力（正压），防止储罐内物料与外界气体接触。 需设氮封的介质如下所列：甲醇、醋酸乙烯、醋酸甲酯、 对苯二甲酸、乙醛、苯、乙苯、苯乙烯、烷基化液、脱氢混合物、 二乙苯、环氧乙烷、环氧丙烷、粗二氯乙烷、精制二氯乙烷、三 对接焊的在低温储罐设计中有采用。 （５）抗风圈设计一般仅用于敞口储罐，为了使浮顶贮罐 在风载的作用下保持上口圆度以维持贮罐整体形状，保证贮 罐正常操作，必须在罐壁上端附近的外侧设置抗风圈。按有 关规定的要求，抗风圈的实际截面模数必须大于或等于建罐 地区风压下所需的最小截面模数才能使贮罐在风压作用下 苯基膦等。甲醇、醋酸乙烯、醋酸甲酯、乙醛闪点低，当其储 保持稳定。抗风圈通常由型钢和钢板组合而成，其截面为一 组合截面。抗风圈一般设置于距罐顶ｌｍ处，有圆形的，也 有多边型的，至少需校核如下Ａ—Ａ，Ｂ—Ｂ，Ｃ—Ｃ三个组合 截面处的抗弯截面模数，见图３。 Ｂ Ａ 图３ Ａ—Ａ，Ｂ—Ｂ，Ｃ—Ｃ三个组合截面处的抗弯截面 （６）中间抗风圈的设置需考虑风力稳定性校核和储罐 负压校核（储罐负压超过０．２５ＫＰａ，小于６．９ＫＰａ时按 ＡＰＩ６５０附录Ｖ）。中间抗风圈的作用是把较长的罐壁简体 节成较短的简体，以提高罐壁抵抗外压的能力。安装时角钢 的长肢保持水平，短肢朝下，长肢端与罐壁相焊，上面采用连 续角焊，下面采用间断焊，中间抗风圈本身的接头应全部焊 透。 中间抗风圈一般是不等边角钢，也有用槽钢的，算罐壁 板的当量高度时，罐壁板的厚度需扣除负偏差和腐蚀裕量。 （７）对高径比大的，单面倾斜底罐，风压较大的地方需 按ＡＰＩ６５０进行风载荷作用下倾覆稳定性校核来判定是否需 要设置地脚螺栓。如果需要设置地脚螺栓，计算螺栓力所需 的倾覆力弯矩Ｍｚ要结合地震弯矩综合考虑，取Ｍｚ＝Ｍａｘ（ Ｍｗ，Ｍ１＋０．２５ Ｍｗ），Ｍｗ为风压引起的罐壁一罐底接头倾 覆力矩，Ｍ。为罐壁底部的地震倾覆力矩。 （８）目前抗震设计的标准很多，ＧＢ５０３４１《立式圆筒形 钢制焊接油罐设计规范》，ＡＰＩ６５０《钢制焊接石油储罐》中 都附有抗震设计，抗震设计规范有ＳＨ３０４８—１９９９（石油化工 钢制设备抗震设计规范》、ＧＢ５０７６１—２０１２（石油化工钢制设 备抗震设计规范》，对于国内的储罐设计，多采用ＧＢ５０３４１ 《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》中的抗震设计比较安 全。 ３常见问题剖析 （１）在储存物料过程中，既要减少油品蒸发损耗。又要 尽量避免与空气接触，防止氧化变质，采用氮气密封能起到 有效的作用，使得储罐顶部的气相空间达不到爆炸极限以保 罐出料或气温下降时若不采取氮封，会由呼吸阀吸人空气而 在储罐上部空间形成爆炸性混合物。 氮封的流程图如图４所示。 图４氮封流程图 一般氮封压力的下限是由所存物料可能最大操作温度 下的蒸汽压决定的，氮封压力大于物料的蒸汽压，小于呼吸 阀的开启压力，必须小于储罐的设计压力。 （２）储罐设计中当需要调整结构尺寸时，在设计时就需 留意，如带肋球壳的肋条的布置要避免与工艺管口的开孔相 碰，当不满足ＧＢ５０１２８—２００５《立式圆筒形钢制焊接储罐施 工及验收规范》的第３．２．１条中第３款开孑Ｌ和罐壁焊缝之间 的距离的规定时，需与工艺专业协商解决。 （３）罐底板应采取合理的焊接顺序，一般是先短缝、后 长缝，由中心向两边。其原则是使每条焊缝尽量可以自由收 缩，以减少钢板和焊缝中的内应力。一般在第一圈壁板的立 缝和壁板与底板之间的角缝焊完以后，再焊边缘板与中幅板 之间的搭接焊缝。如焊接顺序不当，则会在底板上产生较大 的鼓包。 （４）贮存闪点≤６０ｃｃ的介质，宜选用呼吸阀，当进料或 罐内物料受热膨胀，罐内空间气体的压力增大而超过呼吸阀 设定正压（如１７６５ Ｐａ）时，呼吸阀出气阀盖自动打开，将罐 内气体呼出；当放料或罐内物料冷缩，罐内气体压力减小，超 过呼吸阀设定负压（一般为２９５Ｐａ）时，进气阀打开将空气呼 人。若进气阀盖过重或因失修造成呼吸阀失灵，会造成罐体 爆裂或瘪罐事故；进气阀盖过轻，控制压力降低，则会增大油 气损耗。 参考文献 ［１］孙新宇，李晓明，彭仁海．油罐安全运行与管理［Ｍ］．北 京：中国石化出版社，２００５． （本文文献格式：马燕．大型储罐设计过程及需注意的问题 探讨［Ｊ］．山东化工，２０１４。４３（２）：１１９—１２１．）