API620低壓儲罐設計

秦赟（上海眾一石化工程有限公司， 上海 200540）

API620低壓儲罐設計

秦赟（上海眾一石化工程有限公司， 上海 200540）

以API620《大型焊接低壓儲罐設計和建造》為依據，以5000m3輕石腦油低壓儲罐為例，對低壓儲罐不同于常壓儲罐在罐壁、承壓環、錨固等方面的設計做簡要介紹。

API620；低壓儲罐；罐壁；承壓環；錨固；設計

在許多情況下，為了減少低沸點儲液在儲存時的蒸發損耗，或因緊急排空等的需要，常需提高儲罐的儲存壓力。因此，需要承壓較高的儲罐結構形式。這種情況下，國內標準GB50341《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》（設計內壓不大于18kpa）就不在適用，而美國石油學會規定的API620標準《大型焊接低壓儲罐設計和建造》適用于設計壓力不高于0.105 MPa的鋼制焊接儲罐的設計和制造。現以筆者承接的工程項目中5000m3輕石腦油低壓拱頂儲罐為例，對低壓儲罐不同于常壓儲罐在罐壁、承壓環、錨固等方面按照API620標準規范設計的要點進行簡要介紹。

1 設計說明

5000m3輕石腦油的低壓拱頂儲罐主要設計條件如表1：

表1 5000m3輕石腦油的低壓儲罐設計條件表

2 罐壁設計

2.1 分析

API620中罐壁的設計方法是自由體分析法，自由體分析是確定作用在罐體上力的大小和方向的一種設計步驟。在選定的分析平面處，罐體及罐內介質處于靜力平衡，假定有一個水平面在所考慮的高度橫切罐體，將剩余部分作為一個自由體進行分析，由自由體靜力平衡條件求出罐壁經向和周向單位力的大小和方向。并根據罐體材料的許用應力、焊縫系數確定計算壁厚，再考慮厚度附加量最后圓整為罐壁的名義厚度。罐壁的設計過程如圖1。

圖1 低壓儲罐罐壁設計過程圖

2.2 計算經向和周向單位力

根據API620，由自由體靜力平衡條件，可得殼體的經向和周向單位力的計算公式，

式中：T1為在給定的水平面處，殼體上緯向單位弧長的經向單位力，N/mm，正值則表示受拉；T2為在給定的水平面處，殼體上經向單位弧長的緯向單位力，N/mm，正值則表示受拉；RC為儲罐內半徑， RC=10500mm

P為某在特定的載荷工況下，作用在給定平面上的總壓力，單位為MPa。

P=PL+Pg

式中：PL為在給定水平面處的介質液體的靜壓頭，單位為MPa；Pg為儲罐液面上方的氣相壓力，MPa；W為儲罐被給定平面剖分后，作為自由體部分的及其所包含物料的總重力，N。F為所有內外部鋼結構或支承等作用在自由體的力的垂直分力的總和，當其產生的效果和自由體水平面上的壓力P方向相同時，F與P的符號相同；否則，F與P的符號相反；NAt為所考慮平面上儲罐內部的橫截面積，mm2。

2.3 罐壁厚度計算

按API620，罐壁厚度為：t=T/（［σ］tφ）+C（1）

T=Max（T1，T2），對本罐而言，T2＞T1

式中：［σ］t為設計溫度下，罐壁材料純拉伸許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數，取0.85；C為厚度附加量，mm；壁板分為8層，以底層壁板為例：當進行充液的時候

充水試驗時

取兩者中較大值并圓整后得t=24mm。各圈壁板厚度計算結果見表2。

式中：ρ為儲液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

表2 各圈壁板厚度計算結果mm

3 罐頂--殼體連接節點及承壓環的設計

由于儲罐內壓的作用，頂部的經向薄膜應力的水平分量將向內推，此推力在接頭處產生環向壓縮應力，并由該處的承壓結構來承擔，此承壓結構簡稱為承壓環。承壓環應包括罐頂與罐壁連接處的部分罐壁與罐頂。在任何情況下，連接處的罐壁和頂板厚度不應小于標準所規定的厚度，承壓環的承壓區域面積必須要大于承壓區域所需面積。

3.1 承壓環的承壓區域面積

本儲罐選用承壓環結構如圖2所示，構成抗壓環有效面積的板寬按下式計算：

罐壁有效部分最大寬度Wc：

Wc=0.6（Rctc）1/2對本罐，經計算Wc=404.10mm

式中：Rc為罐壁與罐頂連接處的水平半徑，對本罐為10500mm；tc為頂部罐壁板的有效厚度，對本罐為43.2mm。

故罐壁有效截面積As=17457.08mm2

罐頂有效部分最大寬度Wh：

Wh=0.6（R2th）1/2對本罐，經計算Wh=515.86mm

罐頂板外伸部分有效寬度如圖3，Lh=500mm

式中：R2為罐頂與罐壁連接處沿罐頂法線至罐的中心軸的距離，對本罐為16800mm；th為罐頂板的有效厚度，對本罐為44mm。

故罐頂有效截面積Ah=47234.29mm2。

罐頂與罐壁連接處實際有效截面積A=64691.37mm2

3.2 承壓區域所需面積計算（按壓力試驗工況計算）

罐頂與罐壁連接處罐頂經向單元力T1：

T1=R2（P+ω）/2=913.30N/mm

罐頂緯向單元力T2：T2=R2（P-ω）/2=949.52N/mm

式中：ω為單位面積頂板與加強筋的重力ω=-0.00095MPa罐壁緯向單位元力T2S：T2S=pRc=1335.32N/mm，作用在通過承壓環區域垂直橫截面上的總環向力Q：Q=T2Wh+T2sWc-T1Rcsinα=-6496933.88N。

當Q為負值時，表示承壓環受壓力作用，這時有效承壓環區域的水平投影方向的徑向寬度，應不小于罐頂與罐壁連接處罐壁水平半徑的0.015倍。承壓區域所需面積Ac應取下式計算值中的較大值：Ac=Q/103.4或Q/ ［σ］tφ

式中：［σ］t為設計溫度下，承壓環材料純拉伸許用應力，MPa；φ為焊接接頭系數，取0.85。

承壓環垂直截面上，所需的金屬截面積（不包括腐蝕裕量）為Ac=62833.02mm2

Ac＜A，滿足罐頂與罐壁連接處所需有效截面積要求。

如果不能滿足Ac＜A，應考慮在承壓圈有效范圍內采取如下增強措施：①在有效承壓圈范圍內增加頂板和壁板的厚度；②在罐頂與罐壁相交處增設角鋼、扁鋼或水平設置環向加強圈；③同時采取上述兩種措施。

圖2 承壓環結構示意圖

4 錨固的設計

對立式圓筒形鋼制焊接低壓儲罐，由罐內壓和風載荷或地震載荷組合作用產生的升力不得超過罐壁和罐頂（不包括腐蝕裕量）以及由其支撐的構件的重力之和。否則，應設置錨固或采取其他的平衡升力的措施。實際上，判斷是否設置錨固，由設計內壓產生的升舉力、風彎矩地震彎矩產生的傾覆力、儲液對罐頂的靜壓產生的升舉力三個因素決定。

4.1 錨固計算及校核

在設計錨固時，舉升力應取1.25倍設計內壓再加上作用在罐壁和罐頂垂直平面內的風載荷；如果存在有地震載荷，升舉力應取設計內壓加上地震載荷。風載荷、地震載荷不應同時考慮。錨栓應符合表3要求：

表3 錨栓及其許用應力

①內壓產生的升力F=πD2pg/4=22859798N，罐頂、罐壁及其所支撐構件總重G=232473N。因F＞G，故應設置錨栓。采用72個的M72錨栓（錨栓的腐蝕裕量為6mm），材料為16Mn。每個錨栓截面積f=2781mm2，故每個錨栓的應力（F-G）/（nf）=113MPa小于錨栓材料的許用應力 Sts=170MPa，錨栓校核合格。

② 設計壓力與風載荷產生的凈提升力為29218553.71N，設計壓力與地震載荷產生的凈提升力為31714511.35N，取兩者中的大值，應是設計壓力加地震載荷作為舉升力源，計算得，每個錨栓的應力為119 MPa ＜ 1.33 Sts =226 MPa，錨栓校核合格。

③儲罐試驗壓力產生的凈提升力為36020333N，計算得，每個錨栓的應力為142MPa ＜ 1.33 Sts =226 MPa，錨栓校核合格。

4.2 錨栓座結構

由于本儲罐罐徑罐高較大，升力較大因而作用于罐壁底部錨栓座的力矩較大。采用結構如圖3.

5 結語

低壓儲罐設計與常壓儲罐相比，關鍵在于罐壁、罐頂承壓環和錨栓的設計。設計低壓儲罐罐壁厚度時，可通過罐體自由體分析計算罐壁經向、周向單位內力，進而通過公式計算確定罐壁厚度。承壓環的設計主要是通過計算總環向力，確定所需的承壓區域面積，選擇推薦的承壓環結構，然后計算所選結構的承壓區域面積，使其大于所需的面積。設計錨栓結構時，應根據外界載荷確定升舉力，判斷是否大于罐頂、罐壁及其所支撐的構件的總重，確定是否設置錨栓裝置。

［1］SY/T0608-2006，大型焊接低壓儲罐的設計與建造.［2］API Std620-2002，大型焊接低壓儲罐設計與建造［S］.［3］徐英，楊一凡，朱萍，等.球罐和大型儲罐［M］.北京：化學工業出版社， 2005.

圖3 錨栓結構圖

秦赟（1973- ），女，工程師，從事化工設備設計工作。