常壓圓筒形鋼制焊接儲罐的設計改進

馬宗萌（山東海成石化工程設計有限公司天津分公司，天津 300384）邵振華（中國石化齊魯分公司氯堿廠，山東 淄博 255000）

1 儲罐的設計規范和依據

AQ3053-2015規定了立式常壓儲罐的材料、設計、預制、施工和驗收等方面的基本安全要求。其中一個重點為儲罐的類別劃分。儲罐的設計正壓可分為常壓（設計壓力0～18kPaG）和低壓（設計壓力18kPaG～100kPaG）兩個等級。儲罐的劃類以儲罐的壓力等級和公稱容積V 為依據分為第Ⅲ類（V≥50000m3的常壓儲罐和V≥2000m3的低壓儲罐）、第Ⅱ類（10000m3≤V＜50000m3的常壓儲罐和500m3≤V＜2000m3的低壓儲罐）、第Ⅰ類（其他的）。

大型儲罐的一般設計流程：根據工藝包或工藝計算后的設備條件圖及儲存介質的火災危險分類進行選型；接著考慮儲存介質的特性，包括腐蝕性以及氧化性和毒性；確定設備材質，確認項目所在地的風載荷、雪載荷、地震荷載、歷年來月平均最低氣溫的最低值等資料。當這些都明確了就可以按照標準規范來進行儲罐的設計。

儲罐的設計規范標準最常應用的有SH3046—1992《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范》、GB50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》、API620《大型焊接低壓儲罐設計與建造》、API650《焊接石油儲罐》、SY/T0608—2006《大型焊接低壓儲罐的設計與建造》、GB50128—2014《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規范》以及SH/T3530—2011《石油化工立式圓筒形鋼制儲罐施工技術規程》等。

2 儲罐的選材

立式圓筒形常壓儲罐的類型主要是罐頂的結構型式不同，分為固定頂（柱支撐錐頂、自支撐錐頂、拱頂）、浮頂和內浮頂。錐頂優點是制造簡單，但耗鋼量大，一般只用于200立以下的儲罐。外浮頂儲罐因需要考慮風砂、雨雪、灰塵污染等，需設置排水管等附件，近年更多的選用內浮頂型式。石化行業儲存的中間產品和成品大都是汽油等易燃易揮發性油品和醛類、醇類、酮類、苯類等有毒液體化學品。若儲存介質蒸發損耗很大或環保考慮不允許泄漏需選用浮頂結構，其他選用固定頂更合理。

立式圓筒形儲罐的選材罐主要由罐內介質決定。一般原油及成品油通常選擇碳鋼或低合金鋼，大于5萬立的儲罐底圈罐壁應力很大，考慮造價和制造合理性多采用高強度鋼板。

石油化工行業的有機化合物、無機化合物材質選取要充分考慮材料的造價和設計壽命。儲罐常見的材料有碳鋼、低合金鋼及不銹鋼。碳鋼有Q235B、Q245R，低合金鋼有Q345R，不銹鋼常用的有S32168、S30403、S31608、S30403、S31608 等。材質采用碳鋼時，Q345R 鋼板許用應力較高，可以比Q235B、Q245R更少的用鋼量，Q235B造價更低；故大型儲罐多采用Q235B。不銹鋼造價較高，一般只在儲存介質對碳鋼和低合金鋼腐蝕嚴重或裝置對介質純凈度要求很高時采用。Q245R 鋼板一般只在H2S應力腐蝕環境時使用，如硫磺回收裝置中的含硫污水儲罐。碳鋼罐對不同的介質，所選取的腐蝕裕量也不同，但最大腐蝕裕量不應大于6mm，否則應采取防腐措施或更換材質。一般儲罐的設計壽命為15年，用介質的年腐蝕率乘以設計壽命，可得到它所需的最小腐蝕裕量。

大型油罐對材料要求很高。合理選材是防止鋼板脆性斷裂的必要條件。油罐的選材原則是保證安全的同時投資最少，由強度決定的底圈罐壁、罐底邊緣板、罐壁開孔補強板在原則上應選擇同一種材料。油罐的大型化會帶來鋼板過厚、整體熱處理難度大造價高和焊接難度大等問題，為避免這些問題均應采用高強度鋼，如SPV490Q、12MnNiVR 等。貯存閃點≤60℃的介質，宜設置呼吸閥。當進料或罐內物料受熱膨脹，罐內氣相空間氣體的壓力增大而超過呼吸閥設定正壓(如1900 Pa)時，呼吸閥出氣閥蓋自動打開，將罐內氣體排出；當放料或罐內物料冷縮，罐內氣體壓力減小，超過呼吸閥設定負壓(一般為300Pa)時，進氣閥打開將空氣呼人。若進氣閥蓋過重或因失修造成呼吸閥失靈，會造成罐體爆裂或癟罐事故；進氣閥蓋過輕，控制壓力降低，則會增大油氣損耗。

3 錨固的設計

對立式圓筒形鋼制焊接低壓儲罐，設計的一個重點是罐底需要錨固與否。

常壓儲罐通常是指設計負壓不大于0.25KPa，正壓產生的舉升力不超過罐頂板及其所支撐附件的總重量的儲罐。低壓儲罐同理。對于立式圓筒形鋼制常壓、低壓儲罐，由內壓和風載或者地震載荷組合作用產生的升力不應大于儲罐罐壁和罐頂(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平衡升力的措施。判斷儲罐是否需要設置錨固，由設計內壓產生的升力、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來決定。應通過加強筋組合件，加強錨栓與罐壁的連接件或使錨環有足夠的面積和高度。錨固結構一般參考美標AISI 鋼板工程數據手冊“錨支座”的設計。

3.1 錨固的判定條件

儲罐的錨固分為兩種情況：

進行抗風穩定計算時，應按照GB50341-2014 第11.1 節進行校核計算，

若不符合，即抗風計算未通過，需要錨固；

若符合上述11.1 節規定，但設計壓力產生的舉升力大于儲罐罐壁、罐頂及由其支撐的構件的重力之和，且小于或者18KPa 時，需要錨固；

進行抗震計算時，若錨固系數J＞1.54，需要錨固。

3.2 錨固設計

錨固設計主要參照GB50341-2014 和API650 進行計算和結構設計。

單個地腳螺栓所承受的載荷應小于許用拉伸應力，即

σ=U/NAb≤[σ1]

注：U—各種工況下所產生的舉升力，N；Ab—每個錨栓的承壓面積，即Ab=πd2/4；N—錨栓的個數；

由上式可以得出N 的最少個數，為便于排布施工，錨栓數量一般為4 的倍數。

另需要注意的是，儲罐直徑小于15m 時，錨固螺栓間距不應大于2m；儲罐直徑大于或等于15m 時，錨固螺栓間距不應大于3m。

4 AQ3053施行后，加強了儲罐管理

大型儲罐雖然設計壓力大多小于18kPa，SY/T0608 和API620 也僅適用于設計壓力小于0.1MPa 的儲罐，在TSG21-2016固容規管轄范圍之外，但化工企業的油品罐區和液體化學品罐區的火災危險性依然不容忽視。近幾十年國內外儲罐區大型火災時有發生，造成巨大的人員傷亡、經濟損失以及環境污染。故此國家安全生產監督管理總局提出，中國石化工程建設有限公司、中國石化集團公司安全環保局起草編制AQ3053-2015《立式圓筒形鋼制焊接儲罐安全技術規范》，并于2015年9月1日實施。從此安監局有法可依，有效監督設計方、施工方嚴格遵守相關規范設計建造和化工企業的使用管理及對儲罐的改造、維修、報廢。

5 結語

近年儲罐大型化發展提高了經濟效益的同時增大了儲罐的設計、制造難度；頻發的事故給從業人員敲響了警鐘，作為設計方在實際設計工作中要以安全為第一準則，同時考慮經濟性、結構合理性、制造難度。