常壓圓筒形鋼制焊接儲罐的設(shè)計改進(jìn)

馬宗萌（山東海成石化工程設(shè)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(shè)計規(guī)范和依據(jù)

AQ3053-2015規(guī)定了立式常壓儲罐的材料、設(shè)計、預(yù)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(shè)計正壓可分為常壓（設(shè)計壓力0～18kPaG）和低壓（設(shè)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(jù)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(shè)計流程：根據(jù)工藝包或工藝計算后的設(shè)備條件圖及儲存介質(zhì)的火災(zāi)危險分類進(jìn)行選型；接著考慮儲存介質(zhì)的特性，包括腐蝕性以及氧化性和毒性；確定設(shè)備材質(zhì)，確認(rèn)項目所在地的風(fēng)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(dāng)這些都明確了就可以按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來進(jìn)行儲罐的設(shè)計。

儲罐的設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)最常應(yīng)用的有SH3046—1992《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范》、GB50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》、API620《大型焊接低壓儲罐設(shè)計與建造》、API650《焊接石油儲罐》、SY/T0608—2006《大型焊接低壓儲罐的設(shè)計與建造》、GB50128—2014《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規(guī)范》以及SH/T3530—2011《石油化工立式圓筒形鋼制儲罐施工技術(shù)規(guī)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?shù)慕Y(jié)構(gòu)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(nèi)浮頂。錐頂優(yōu)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(fēng)砂、雨雪、灰塵污染等，需設(shè)置排水管等附件，近年更多的選用內(nèi)浮頂型式。石化行業(yè)儲存的中間產(chǎn)品和成品大都是汽油等易燃易揮發(fā)性油品和醛類、醇類、酮類、苯類等有毒液體化學(xué)品。若儲存介質(zhì)蒸發(fā)損耗很大或環(huán)保考慮不允許泄漏需選用浮頂結(jié)構(gòu)，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(nèi)介質(zhì)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(yīng)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(yè)的有機化合物、無機化合物材質(zhì)選取要充分考慮材料的造價和設(shè)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(zhì)采用碳鋼時，Q345R 鋼板許用應(yīng)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(zhì)對碳鋼和低合金鋼腐蝕嚴(yán)重或裝置對介質(zhì)純凈度要求很高時采用。Q245R 鋼板一般只在H2S應(yīng)力腐蝕環(huán)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(zhì)，所選取的腐蝕裕量也不同，但最大腐蝕裕量不應(yīng)大于6mm，否則應(yīng)采取防腐措施或更換材質(zhì)。一般儲罐的設(shè)計壽命為15年，用介質(zhì)的年腐蝕率乘以設(shè)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(yīng)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(yīng)采用高強度鋼，如SPV490Q、12MnNiVR 等。貯存閃點≤60℃的介質(zhì)，宜設(shè)置呼吸閥。當(dāng)進(jìn)料或罐內(nèi)物料受熱膨脹，罐內(nèi)氣相空間氣體的壓力增大而超過呼吸閥設(shè)定正壓(如1900 Pa)時，呼吸閥出氣閥蓋自動打開，將罐內(nèi)氣體排出；當(dāng)放料或罐內(nèi)物料冷縮，罐內(nèi)氣體壓力減小，超過呼吸閥設(shè)定負(fù)壓(一般為300Pa)時，進(jìn)氣閥打開將空氣呼人。若進(jìn)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(jìn)氣閥蓋過輕，控制壓力降低，則會增大油氣損耗。

3 錨固的設(shè)計

對立式圓筒形鋼制焊接低壓儲罐，設(shè)計的一個重點是罐底需要錨固與否。

常壓儲罐通常是指設(shè)計負(fù)壓不大于0.25KPa，正壓產(chǎn)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(nèi)壓和風(fēng)載或者地震載荷組合作用產(chǎn)生的升力不應(yīng)大于儲罐罐壁和罐頂(不包括腐蝕裕量)以及由其支撐的構(gòu)件的重力之和。否則，應(yīng)設(shè)置錨固或采取其他平衡升力的措施。判斷儲罐是否需要設(shè)置錨固，由設(shè)計內(nèi)壓產(chǎn)生的升力、風(fēng)彎矩地震彎矩產(chǎn)生的傾覆力、儲液對罐頂?shù)撵o壓產(chǎn)生的升舉力三個因素來決定。應(yīng)通過加強筋組合件，加強錨栓與罐壁的連接件或使錨環(huán)有足夠的面積和高度。錨固結(jié)構(gòu)一般參考美標(biāo)AISI 鋼板工程數(shù)據(jù)手冊“錨支座”的設(shè)計。

3.1 錨固的判定條件

儲罐的錨固分為兩種情況：

進(jìn)行抗風(fēng)穩(wěn)定計算時，應(yīng)按照GB50341-2014 第11.1 節(jié)進(jìn)行校核計算，

若不符合，即抗風(fēng)計算未通過，需要錨固；

若符合上述11.1 節(jié)規(guī)定，但設(shè)計壓力產(chǎn)生的舉升力大于儲罐罐壁、罐頂及由其支撐的構(gòu)件的重力之和，且小于或者18KPa 時，需要錨固；

進(jìn)行抗震計算時，若錨固系數(shù)J＞1.54，需要錨固。

3.2 錨固設(shè)計

錨固設(shè)計主要參照GB50341-2014 和API650 進(jìn)行計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

單個地腳螺栓所承受的載荷應(yīng)小于許用拉伸應(yīng)力，即

σ=U/NAb≤[σ1]

注：U—各種工況下所產(chǎn)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(shù)；

由上式可以得出N 的最少個數(shù)，為便于排布施工，錨栓數(shù)量一般為4 的倍數(shù)。

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

4 AQ3053施行后，加強了儲罐管理

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

5 結(jié)語

近年儲罐大型化發(fā)展提高了經(jīng)濟效益的同時增大了儲罐的設(shè)計、制造難度；頻發(fā)的事故給從業(yè)人員敲響了警鐘，作為設(shè)計方在實際設(shè)計工作中要以安全為第一準(zhǔn)則，同時考慮經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)合理性、制造難度。