大型固定頂儲罐罐頂結構的發展和應用

摘 要：文章論述了中、大型儲罐罐頂采用短程線鋼網殼的先進合理性，指出儲罐容積越大，采用鋁網殼比采用鋼網殼更具有明顯的優越性。同時指明為了減少油氣損耗和提高油庫的安全性和經濟性，鋁網殼的應用將越來越廣泛。

關鍵詞：固定頂儲罐；罐頂；短程線；鋼網殼；鋁網殼

1 概述

現代社會人們的生產與生活對能源的需求越來越大，因此隨著國民經濟的迅猛發展，石油儲備的問題也就自然受到更多的重視。近年來，我國原油的使用量逐年猛增，在生產裝置朝著大型化發展的同時，原油儲罐、成品油罐等的容量也在不斷擴大，而大型油罐具有節省鋼材、節約投資、占地面積小、配件少、管網簡單、操作費用低等優點，因而單罐容量的大型化也就成了必然的趨勢。固定頂儲罐大型化的同時，其罐頂的結構形式、受力性能、制作安裝工藝等等，成為擺在人們面前的一個新的課題。

2 固定頂罐頂的結構形式

根據SH3046-92《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范》的規定和我國實際使用的經驗，當單罐容量小于10000m3（此時儲罐內徑不大于32m）時，罐頂通常采用常規的板肋式結構，這類罐頂是由一段球殼構成（即扁球殼）。因此，在承受罐內壓力時，球殼段的各個方向均受拉，承受外載荷時則全部受壓，即使在集中外載荷的作用下內力也可很快地得到分散，所以材料的局部效能可以得到較充分的發揮。當單罐容量大于10000m3時，罐頂仍采用板肋式結構時將出現新的問題。

2.1 不同容積儲罐罐頂采用板肋式結構用鋼量比較見表1。

從表1可以看出，當單罐容量大于10000m3（儲罐直徑>30m）時，若罐頂結構仍采用板肋式結構，為了使罐頂在承受外載荷時不至于因失穩而破壞，制作罐頂的鋼板就必須有足夠的厚度，儲罐容積越大，罐頂單位投影面積的材料用量越大，而且由于罐頂重量增大，對罐壁的水平推力、豎向推力也相應增大，要求罐壁上部壁厚也增大。不但罐頂的受力性能變得明顯不合理，制作工藝變得復雜，經濟上也不合算。

2.2 從二十世紀五十年代起，國外在石油化工儲運系統和建筑行業中已開始大量使用各種型式的鋼網殼和鋁網殼。為適應儲罐大型化的需要，我國成立了以洛陽院為主的網殼結構攻關組，做了大量的工作，隨著設計水平的提高以及施工機具、施工能力的日益成熟，我國也于80年代后期開始建造使用網殼頂結構的大型儲罐，取得了顯著的經濟效益和社會效益。2003年9月2臺直徑50m的鋁網殼已在珠海某油料儲庫安裝完成。

3 網殼頂的結構型式

網殼是由許多縱橫交叉的網肋構成的一種規整的網格狀結構體，同時其外形又是一個具有一定曲面形狀的殼。常見的網殼有球面網殼、橢圓拋物面網殼、雙曲拋物面網殼等幾種。球面網殼頂是一個扁球殼。

目前已投用的大型網殼，其結構多采用球面網殼加鋼蒙皮或鋁蒙皮的型式，球面網殼與罐壁相聯并置于罐頂板之內，當罐頂承受外載荷時，網殼對其外面很薄的鋼板（或鋁板）球殼起支承作用，在罐頂承受內壓力時則對包邊角鋼（通常為倒扣的槽鋼）起支承作用。這樣，罐頂板除了在承受罐內壓力時會產生一定的拉應力外，僅作為一層“蒙皮”對儲罐起密封的作用，其厚度就可以適當的取薄一些，從而降低了罐頂單位投影面積的材料用量。

目前我國最常用的球面網殼型式有雙向子午線網殼和短程線網殼[1]。

3.1 雙向子午線網殼

由位于兩組子午線上的交叉桿件組成，所有的網格均接近正方形，大小也比較接近。所有的桿件都在大圓上，是等曲率的圓弧桿。雙向子午線網殼的主要特點是所有桿件具有同一曲率半徑，即球面半徑，在相同的設計條件下，方格網架的梁的總長度比較短，造價略低。其示意圖見圖1。

3.2 短程線網殼

短程線網殼的網架桿件在空間全部組成三角形，三角形的三個頂點位于球面上，桿件可以是直桿，也可以是半徑等于球面半徑的曲梁。

目前最為盛行的短程線球面網殼（見圖2），是把球的內接正20面體的各邊投影到球面上，把球面劃分為20個等邊球面三角形（稱為基本三角形），這些三角形的邊（弧長）全部在大圓上，并具有相等的曲率，其曲率半徑為大圓的半徑。

在基于20面體的短程線球面網殼的網格劃分中，規則的等邊三角形最多為20個，而經過再劃分的點不會全部相交于大圓，形成的小三角形大多數都有微小差別，即多數桿件的長度都有微小差異。嚴格地說，它們不是真正的短程線。但是在實際工程中，凡是根據短程線的原理將正多面體的基本三角形均分，從其外接球中心將這些等分點投影到球面上，連接此球面上所有點構成的網殼，通常都稱為短程線網殼。

4 雙向子午線網殼與短程線式網殼的比較

4.1 兩種網殼的相同點

4.1.1 具有各向受力的特點，網殼結構的桿件主要承受內力或軸向力，且力的傳遞路線短捷。所有的桿件在一個整體結構中協同工作，內力分布比較均勻，應力峰值比較小。

4.1.2 內力分布具有均勻性和分散性，在均布載荷作用下內力均勻地作用在連續曲面上，即使是在集中載荷作用下也能較快地分散開來。

4.1.3 立體性強，具有空間結構的特點，是以整個結構的形體來抵抗外載荷的作用，剛度大，穩定性和承受動載荷的性能比較好，結構自重較輕。

4.2 兩種網殼的不同點

4.2.1 結構不同

雙向子午線式網殼的網格是由兩組正交子午線束構成，網殼桿件均為連續曲桿，采用工字鋼連續網肋，節點為固接。

短程線式網殼的網架桿件在空間全部組成三角形，三角形的三個頂點位于球面上，網肋為工字鋼制成的短網肋，桿件可以是直桿，也可以是半徑等于球半徑的曲桿，目前國內已安全投用的短程線網殼的桿件連接節點均為鉸接[2]。

4.2.2 雙向子午線式網殼整體結構最合理，桿件數量最少，桿件節點抗不均勻外載性能較好，但在支座上的受力不均勻，對罐壁的受力和穩定有不利影響，為克服此影響，必須加大圈梁或加固頂圈壁板。而且由于節點為焊接，現場工作量大，勞動強度大，施工周期長。

短程線式網殼的桿件數量較多，但在支座上的受力均勻。桿件的連接節點為承插式轂形節點（見圖3）或螺栓連接式節點（見圖4），現場施工安裝方便、快捷，基本無焊接工作量，一臺直徑為46m的網殼，施工安裝期僅需要8天。

另外，空間三角形網殼有很好的可修復性，先是局部失穩，繼續加載后才整體垮塌。上海寶山石油機械廠曾對直徑為42m的三角形鋼網殼進行破壞試驗，整個網殼損壞了1/4，但僅用了三天時間就修復如初。

5 短程線式網殼結構的特點與安全性

5.1 空間三向傳力，其節點處能承受彎曲應力，既能傳遞壓力，也能傳遞拉力。

網殼作為罐頂，既承受內壓，又承受外壓。合格的網殼結構設計人員應用國際公認的網殼應力分析軟件，采用有限元方法，可有效而精確地進行網殼的受力分析和穩定性分析，設計出滿足操作條件的安全可靠的網殼。

5.2 具有良好的穩定性，結構本身具有自動成形、自動找圓功能，能更好地控制裝配質量。

5.3 具有組裝式節點、桿件體系。所有零部件實現了工廠化、標準化生產，采用模具加工，質量好，效率高；現場施工安裝方便、快捷，基本無焊接工作量，也無需大型起吊設備（見圖5）；節點質量小，省材料。

5.4 經濟性好，結構輕便，跨度越大越省料。

5.5 由于蒙皮板是鋪設在網殼桿件上，與網殼沒有焊接，所以頂板施工方便，外觀平滑美觀。在一定設計條件下，當儲罐內的正壓力產生事故性超壓時，罐頂首先在其邊緣處的蒙皮板處開裂，網殼結構不被損壞，僅需對損壞部分的頂板做局部修補，故修復方便。

6 鋁網殼的特點和應用

目前我國面臨的形勢是：近年來鋼材價格猛漲，其他原材料價格也在上漲，加上進口高硫原油日漸增多，儲罐腐蝕非常嚴重。一般情況下，固定頂儲罐的造價主要取決于鋼材用量及制作、安裝費用。而儲罐的主體罐壁、罐底部分通常情況下是沒有很大潛力可挖的，罐頂用鋼量約占儲罐總用鋼量的18%左右，因此罐頂成本直接影響油罐的造價。隨著儲罐直徑的增加，鋼網殼的重量也呈幾何級數增加，罐頂對罐壁頂部的載荷也呈幾何級數增加，若單純增加壁厚來承載，經濟上是非常不合理的。可否采用較輕的鋁合金網殼代替鋼網殼來解決這問題也自然地提到了工程應用上。

鋁合金型材重量輕、強度高、耐腐蝕，易于加工、制造和安裝，為了節約成本和資源，鋁合金網殼自70年代末起在美國開始應用以來，經過技術的不斷改進和完善，在發達國家已大量應用。目前我國對鋁網殼已完成了理論研究，工程試驗等階段，已具備用于工程的條件。

6.1 采用鋁合金網殼和鋁合金頂板后的優點

6.1.1 結構重量大大減輕，使儲罐及基礎承載相應減少。如直徑30～60m的鋁頂蓋是鋼頂蓋重量的1/4～1/9。

6.1.2 鋁合金材料具有良好的抗腐蝕能力。由于國內目前多煉高硫原油，一般鋼頂蓋每3～5年防腐維護一次，而鋁網殼在整個使用期內不需進行維護，節約了大量的檢修、維修費用和工程間接費用。

6.1.3 鋁反射的輻射熱可達95%，因此鋁合金網殼頂蓋用于儲罐時，能減少易揮發性介質的損失，并可減少大量因為降溫而涂刷的涂料費用。

6.1.4 鋁合金材料強度在低溫下反而比常溫下高，是低溫工況下的理想材料，故用鋁網殼和鋁頂板后，可在整個使用期內省去為防止材料低溫脆性增設的保溫材料和費用。

6.2 鋁網殼的安全性

6.2.1 防火性

鋁網殼頂由于其蒙皮僅為1.2mm的鋁合金薄板，即使發生為數極少的火災，其鋁板可以很快融化或很快去除部分鋁板（緊急時刻用斧頭劈開），為消防提供通道，火災很快被消滅。

6.2.2 耐腐蝕性

鋁合金網殼罐頂，具有優良耐腐蝕性，人在罐頂上行走，免除了因鋼板腐蝕而掉進罐內的危險。

6.2.3 承受外載荷的安全性

鋁網殼選用的型材及其規格大小和節點結構是在充分考慮了儲罐頂蓋的受力特性的基礎上，按最苛刻條件進行設計的，因此承受外來載荷是安全的。

6.2.4防雷安全性

對于儲存易燃油品的儲罐，GB50074-2002《石油庫設計規范》中14.2.3條的第1點規定：鋁頂油罐和頂板厚度小于4mm的鋼油罐，應裝設避雷針（網）。但是同一規范中14.2.3條的第2點又規定：浮頂油罐或內浮頂油罐不應裝設避雷針，但應將浮頂與罐體用2根導線做電氣連接。這樣就給規范執行時帶來了不同的理解和矛盾。

6.3 鋁網殼與鋼網殼的經濟性對比

因鋁合金材料單價較高，一般認為用鋁合金做大型儲罐投資會很高，經過市場調查和造價估算，國內鋁合金網殼的工程造價約為每噸7～8萬元（國外引進的鋁網殼的工程造價每噸18～21萬元）。

現以一臺直徑為60m的儲罐為例，將鋁網殼和鋼網殼兩種罐頂蓋造價對比列于表2[3]。

從表2可看出，對于大跨度的拱頂罐罐頂，采用鋁網殼結構比鋼網殼結構省投資20%左右。另外，由于鋁合金頂蓋重量輕，對罐壁和基礎方面也由此而減少投資。還有，因為鋁合金桿件重量輕，單根桿件一兩個施工人員就可舉起，基本無焊接工作量，也不需大型起吊設備，現場施工安裝非常方便、快捷；同時，由于可以不因維護而停工，因此，采用鋁合金網殼結構罐頂，其綜合經濟效益非常顯著。

6.4 鋁網殼在國內的應用

鑒于鋁網殼的諸多優點，在我國的大直徑儲罐罐頂的設計、制造技術和安裝已趨成熟的情況下，由國內設計、制造和安裝的鋁網殼已在我國開始進行工程應用，如2003年4月起在上海賽科石油化工有限責任公司安裝了4臺直徑60m的50000m3鋁網殼內浮頂罐。但在應用過程中也存在一些問題：

6.4.1 避雷針的設置存在爭議： 通常鋁網殼的蒙皮采用1.2mm的鋁皮，按規范應設避雷針（網），但儲罐是內浮頂儲罐，按規范是不應裝設避雷針。因此上海賽科的這4臺50000m3鋁網殼內浮頂罐，為安全不違反規范起見，仍采用4.5mm的鋼蒙皮。

6.4.2 由于鋁與鋼的電極電位不同，兩者接觸，在操作介質條件下，兩者之間會發生電偶腐蝕，此時鋁為陽極，鋼為陰極，鋁網殼被腐蝕。考慮到這一點，且為了增大蒙皮的剛度，設計者在每條鋁桿件的中部設置一塊不銹鋼角鋼，讓鋼蒙皮不直接與鋁網殼接觸；另外，支座與鋪設在倒扣槽鋼上的不銹鋼墊板相連的桿件材質也采用不銹鋼。但即便如此處理，仍然是鋁網殼受腐蝕，所以實質上并未完全解決問題。

7 結束語

7.1 短程線式網殼由于在受力、結構、用材等方面有明顯的優越性，大型、特大型固定頂儲罐罐頂采用短程線式網殼結構已被認可并達成共識。另外，鋁網殼因其特有的自重輕和優良的耐腐蝕性，將會大量地用于大型、特大型儲罐，用在對鋼材有強腐蝕環境的儲罐、廢水處理池和料倉等的頂蓋上。在1996年廣石化的“廣石化加工進口含硫原油配套改造油品貯運”項目中，設計了2臺直徑37m的20000m3的拱頂罐，都是采用受力、結構、用材等方面均有明顯優越性的短程線式網殼，從儲罐建成投產至今，網殼均完好無損。

7.2 大型外浮頂罐上增設鋁合金網殼頂蓋，是一種既安全，又節能的措施

大型外浮頂罐在運行過程中，出現過不少問題和事故，為了降低大型浮頂油罐儲油過程中的事故率，國外在現有的浮頂油罐上加蓋，已成為各石油公司提高油品儲存安全性的一個好措施，并已成為一種趨勢。

外浮頂油罐加了頂蓋后，固定頂能有效防止風沙、雨雪和灰塵對油品的污染，消除雪載對浮頂正常操作的影響。油品在拱頂和內浮頂的雙重保護下，大大降低了蒸發損失和環境污染，此問題在油價上漲和注重環保的形勢下引起人們的極大關注。同時，可取消中央排水管、轉動浮梯等許多部件，既簡化結構，又節約投資，還提高安全性。

7.3 由于網殼頂結構的理論分析與設計計算，以及構件的預制、罐頂安裝等，專業性都很強，需要較高的技術和一定的裝備條件，需要由掌握這項專門技術及具有施工能力的單位來承擔設計與施工任務。

參考文獻

[1]斯新中.國內儲罐罐頂的形式和發展趨勢[J].石油化工設備技術，1998.5.

[2]孔昭瑞.固定頂油罐的罐頂結構[J].油氣儲運，1997.10.

[3]賴盛等.大型拱頂儲罐和內浮頂罐頂蓋形式及用材探討[J].石油化工設備技術，2003.2.