化工企業(yè)立式圓筒形拱頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)分析與探討

魏 強(qiáng)，王 碩

（1.丹東市疾病預(yù)防控制中心，遼寧 丹東 118002；2.中國(guó)石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司華東管道設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州221008）

立式圓筒形儲(chǔ)罐是石油和化工等企業(yè)用來(lái)貯存液體原料及產(chǎn)品的主要設(shè)備。其中常壓立式儲(chǔ)罐是石油庫(kù)中常用的儲(chǔ)罐，根據(jù)不同的罐頂形式可分為固定頂儲(chǔ)罐和浮頂儲(chǔ)罐。拱頂儲(chǔ)罐是中國(guó)使用比較廣泛的一種固定頂儲(chǔ)罐，拱頂罐的罐頂剛性好，施工方便，而且由于能承受較高的內(nèi)壓力，能夠保證貯存介質(zhì)具有良好的貯存環(huán)境，不受雨雪、風(fēng)沙的影響。其罐頂是球面的一部分，由不小于4.5 mm（不包含腐蝕裕量）厚的鋼板和肋板組成，可承受一定的正負(fù)壓。固定頂儲(chǔ)罐中的錐頂儲(chǔ)罐和無(wú)力矩儲(chǔ)罐，由于各自的缺點(diǎn)已很少使用。拱頂儲(chǔ)罐用以貯存揮發(fā)性小的油品，如柴油、重油等。

1 貯罐設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》

SH 3046-1992《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB 50128-2005《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》

2 罐壁的計(jì)算

罐壁主要承受貯存介質(zhì)的側(cè)向靜壓力，由于儲(chǔ)罐的罐壁壁厚比罐的半徑小的多，在理論上，認(rèn)為罐壁是薄壁圓筒形殼體，在設(shè)計(jì)計(jì)算中，僅考慮環(huán)向薄膜應(yīng)力的作用。罐壁的厚度是由強(qiáng)度條件確定的，另外，也必須考慮操作負(fù)壓和風(fēng)載荷作用下的穩(wěn)定性。在地震設(shè)防區(qū)的儲(chǔ)罐，還必須考慮在地震的條件下，儲(chǔ)罐的安全、可靠性。

2.1 靜液壓力作用下罐壁的強(qiáng)度要求

圓筒形罐壁承受儲(chǔ)液的靜液壓力，靜液壓力從上至下逐漸增大呈三角形分布，即沿著罐壁高度方向，罐壁上每一點(diǎn)承受的靜液壓力是不同的。在靜液壓力的作用下，薄壁圓筒形罐壁中每一點(diǎn)的應(yīng)力不得大于鋼板的許用應(yīng)力，這是罐壁厚度設(shè)計(jì)的基本要求。

對(duì)于每一圈罐壁鋼板而言，靜液壓力呈梯形分布，上端小，下端大。由于罐壁的高度通常總是大于鋼板的寬度，罐壁總是用多圈鋼板組焊而成。鋼廠生產(chǎn)的鋼板是等厚度的，對(duì)于每一圈鋼板存在著以哪一點(diǎn)的靜液壓力為基準(zhǔn)計(jì)算鋼板厚度的問(wèn)題[1]。

2.2 確定罐壁厚度的方法

拱頂儲(chǔ)罐罐壁厚度的計(jì)算，一般采用定點(diǎn)設(shè)計(jì)法（固定點(diǎn)設(shè)計(jì)法）。對(duì)于每一圈罐壁，國(guó)內(nèi)外廣泛采用每圈罐壁板下端以上0.3 m處的液體靜壓力作為該圈罐壁的計(jì)算壓力，罐壁設(shè)計(jì)厚度按下式[2]確定：

t1=0.004 9ρ（Hi-0.3）D/（[σ]tφ）+C1+C2

t2=4.9ρ（Hi-0.3）D/（[σ]φ）+C1

ti=max（t1，t2）

式中：t1-按照儲(chǔ)液條件確定的設(shè)計(jì)厚度，mm；

t2-充水試驗(yàn)條件確定的設(shè)計(jì)厚度，mm；

ti-第i圈罐壁鋼板的設(shè)計(jì)厚度，mm；

ρ-儲(chǔ)液密度，kg/m3；

Hi-設(shè)計(jì)液面至第i圈鋼板下端的高度，m；

D-儲(chǔ)罐內(nèi)直徑，m；

[σ]t-設(shè)計(jì)溫度下罐壁鋼板的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]-常溫下罐壁鋼板的許用應(yīng)力，MPa；

φ-焊接接頭系數(shù)，φ=0.9；

C1-鋼板的厚度負(fù)偏差，mm；

C2-腐蝕裕量，mm。

3 罐頂?shù)脑O(shè)計(jì)

圖1 拱頂罐簡(jiǎn)圖

自支撐式拱頂罐與相同容積的自支撐式錐頂罐相比，其剛性較好，耗材量少，且能夠承受較高壓力，是目前應(yīng)用最多的罐頂結(jié)構(gòu)，拱頂罐簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。在拱頂儲(chǔ)罐罐頂?shù)脑O(shè)計(jì)中，主要需要確定的是罐頂載荷。罐頂外載荷主要由罐頂?shù)淖灾?（鋼材及保溫層重）、罐內(nèi)在操作條件下可能產(chǎn)生的負(fù)壓、雪載荷、安裝檢修人員及其攜帶工具的重量等組成，稱為附加載荷。附加載荷通常情況下取1.2 kPa，而對(duì)于雪載荷超過(guò)0.6 kPa的地區(qū)，應(yīng)將雪載荷的差值考慮在設(shè)計(jì)載荷中。

在拱頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)中，在通常情況下，對(duì)于貯存易燃易爆介質(zhì)的儲(chǔ)罐，為避免在事故發(fā)生時(shí)罐內(nèi)超壓，罐頂包邊角鋼與罐頂之間的連接結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇，采用弱連接結(jié)構(gòu)。弱連接設(shè)計(jì)的目的在于，萬(wàn)一儲(chǔ)罐內(nèi)部超壓，頂蓋可能從此處掀起而迅速減壓，減小對(duì)罐體及罐底的破壞，避免造成更大的損失。按照GB50341-2003標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，罐頂板與包邊角鋼采用弱連接結(jié)構(gòu)時(shí)，連接處應(yīng)滿足GB50341-2003中7.1.6的要求[3]。在化工企業(yè)中化工產(chǎn)品復(fù)雜多樣，是否選擇弱連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)視儲(chǔ)罐內(nèi)物料的特性及環(huán)保的要求而定。

目前，對(duì)于自支撐式拱頂儲(chǔ)罐的罐頂，一般當(dāng)儲(chǔ)罐直徑D＜12 m時(shí)，罐頂形式為光面拱頂；當(dāng)D=12～ 32 m時(shí)，罐頂形式為帶肋拱頂。對(duì)于光面拱頂?shù)挠?jì)算較簡(jiǎn)單，而帶肋拱頂?shù)挠?jì)算較為復(fù)雜，但因其在國(guó)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛，又具有大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此可以按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。

4 地震載荷的考慮

在國(guó)內(nèi)外，由于地震的原因使得儲(chǔ)罐遭到損壞的事故已發(fā)生多次，有的還伴隨著火災(zāi)、爆炸和環(huán)境污染等次生災(zāi)害。因此，在地震設(shè)防區(qū)建造儲(chǔ)罐，為了保證其安全運(yùn)行，必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

由于靜液壓力隨液深增加，環(huán)向應(yīng)力和變形由上而下逐漸加大，罐壁也由上而下變厚。對(duì)于鋼制焊接儲(chǔ)罐，罐半徑與最厚的底圈壁板厚度之比往往超過(guò)1 000，所以，設(shè)計(jì)罐壁時(shí)只考慮環(huán)向拉應(yīng)力作用，不考慮邊緣效應(yīng)引起的彎曲應(yīng)力。但在罐底邊緣板與罐壁連接部分，由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)而產(chǎn)生較大的邊緣應(yīng)力，在角焊縫附近，應(yīng)力一般超過(guò)屈服極限，由于這種應(yīng)力為二次應(yīng)力，在設(shè)計(jì)中，不進(jìn)行驗(yàn)算。從結(jié)構(gòu)上看，這種圓筒形儲(chǔ)罐對(duì)于承受靜液壓力是非常有效的，能充分發(fā)揮金屬的抗拉性能，并有良好的延性，因而節(jié)省材料，在工程中得到廣泛應(yīng)用。雖然滿罐時(shí)，底圈壁板與罐底邊緣板連接處的名義彎曲應(yīng)力已使材料進(jìn)入局部屈服階段，形成塑性鉸[5]。這種結(jié)構(gòu)顯得柔而強(qiáng)度不足，但工程經(jīng)驗(yàn)表明它的安全度在靜液壓力下是足夠的，而儲(chǔ)罐的抗震性能降低。

在近年的國(guó)內(nèi)外震害中，儲(chǔ)罐的震害屢見(jiàn)不鮮，震害多在軟土場(chǎng)地且儲(chǔ)罐均接近滿罐時(shí)。歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面。

（1）罐頂?shù)膿p壞。拱頂?shù)钠茐谋憩F(xiàn)為罐頂與罐壁連接處開(kāi)裂、拱頂曲屈等。

（2）罐壁的損壞。這種破壞的典型形狀是壁板外鼓，形狀如管道上的波形膨脹節(jié)。

（3）焊縫破裂。罐壁與罐底邊緣板之間的焊縫發(fā)生破裂，這可能是由于水平地震載荷、罐內(nèi)液柱壓力和基礎(chǔ)不均勻沉降等因素共同作用的結(jié)果，這種破壞往往造成儲(chǔ)油大量外流，污染環(huán)境。

（4）管接頭及附件的破壞。這種破壞是由于儲(chǔ)罐的翹離移位和沉陷造成，可采取管接頭采用柔性連接等方法防止。

5 儲(chǔ)罐的焊接設(shè)計(jì)

罐壁與罐底的受力情況是，常壓下操作的儲(chǔ)罐裝滿儲(chǔ)液后，罐壁所受內(nèi)壓力只有液體靜壓力，該壓力沿罐壁由上而下逐漸增大，該內(nèi)壓使罐壁產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力與變形，由于罐底板對(duì)罐壁的約束，在罐壁底部周向應(yīng)力減少，但使罐壁產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。由于罐壁的徑向剛度小，該邊緣應(yīng)力的作用范圍小，其值亦小于環(huán)向應(yīng)力值。罐底板中間部分相當(dāng)于一個(gè)鋪在彈性基礎(chǔ)上的薄板，承受下方基礎(chǔ)的支撐力和上方液體的壓力，當(dāng)基礎(chǔ)均勻下沉?xí)r，底板中間的受力是很小的。但是，邊緣板外端翹起變形，罐壁的垂直剛度大，約束了邊緣板的外翹，使邊緣板受到約束彎矩。同時(shí)，由于罐壁周邊變形受到罐底板的約束而對(duì)罐底邊緣板產(chǎn)生反作用，又使邊緣板受到一個(gè)徑向彎矩。

由此可見(jiàn)，罐底邊緣板受力復(fù)雜，且計(jì)算應(yīng)力值較高，特別是在罐壁與罐底的角焊縫處，應(yīng)力值最大，且該值不是定值，隨液位變化而發(fā)生變化，雖然頻率很低，但應(yīng)力值高，如果這一區(qū)域存在裂紋，容易產(chǎn)生斷裂事故。這就要求焊縫盡量避免產(chǎn)生各種缺陷，同時(shí)，要具有較高的沖擊韌性。

6 結(jié)語(yǔ)

拱頂儲(chǔ)罐多貯存易燃易爆或者有較強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)，一旦發(fā)生事故，將會(huì)嚴(yán)重危害國(guó)家利益和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。安全第一是設(shè)計(jì)最重要的原則，所以必須嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

［1］李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程.北京：新華出版社，2005.

［2］SH3046－1992，石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范.

［3］GB50341－2003，立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范.

［4］朱 萍，石建明.大型立式圓筒形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題的探討.化工裝備技術(shù)，2006，27（4）：16－21.

［5］吳海陸.石油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題.廣東化工，2002，29（4）：34－37.