儲罐罐頂外壓計算比較

屈 饒

（湖南化工設計院有限公司，湖南長沙 410021）

儲罐是石油化工生產中廣泛使用的儲存設備，在煉油行業中用來儲存各種原料油、半成品油、成品油、芳烴產品及液化氣等。儲罐一般由下至上由罐底、罐壁、包邊角鋼和罐頂組成。儲罐常用罐頂有自支承錐頂和自支承拱頂兩種型式（如圖1、圖2）。儲罐罐頂在工程中除保護物料純凈免受環境污染外，還需要承受雪載荷、罐頂隔熱層及其附件等外載荷作用外壓失穩變形，故設計者在罐頂設計時，除了微內壓工況外需要綜合考慮罐頂受負壓工況，對罐頂強度進行校核。

圖1 自支承錐頂簡圖

圖2 自支承拱頂簡圖

今年，我院接到某工程項目，罐體直徑為DN6000×8000的儲罐設計。初始設計時，罐頂按常規設計采用自支承拱頂型式，隨后甲方因為考慮拱頂制作麻煩，要求罐頂改為自支承錐頂型式。由于工藝需要，本設備存在負壓工況，負壓工況的工作壓力為-0.5kPa。固定頂常壓油罐的設計負壓不大于0.25kPa 時，可使用GB50341—2014 的第7 節進行罐頂設計；但當固定頂常壓油罐的設計負壓大于0.25kPa 且小于等于6.9kPa 時，需按GB50341—2014的附錄A 進行罐頂設計。本文使用附錄A，對儲罐自撐式錐頂、自撐式拱頂進行強度計算。

1 設計參數

設計參數見表1。

表1 儲罐的設計條件

由于本項目為保密項目，物料名稱以工藝流體替代。

2 強度計算比較

2.1 自支承拱頂

自支承拱頂與罐壁連接圖見圖3。

圖3 自支承拱頂與罐壁連接詳圖

2.1.1 自支承拱頂設計數據

自支承拱頂設計數據見表2。

表2 自支承拱頂設計參數

2.1.2 儲罐罐頂總外壓的確定

按GB50341儲罐罐頂的設計總外壓按下式計算：

而ApI650儲罐罐頂的設計總外壓按下式計算：

式中：DL為固定頂固定載荷（kPa）；Lr為固定頂活載荷（kPa）；S為指定的雪載荷

作用在罐頂的設計外載荷包括：罐頂板自重、操作負壓、罐頂保溫、雪載荷和罐體檢修時罐頂承受人的載荷。由于GB50009—2012《建筑結構荷載規范》的表E.5中列出的50a一遇最大雪壓均未超過1.0kPa，且除及個別地區外，均遠小于1kPa，因此GB50341取消了S 載荷，將式（2）改為式（1）。由此可以看出，式（1）只考慮了人檢修罐頂時罐頂承受載荷的工況，式（2）分兩種工況分別計算了人檢修罐頂時罐頂承受載荷的工況和罐頂單獨承受雪載荷時的工況，并未將兩者結合考慮。由于本項目的特殊性，將兩種工況結合考慮取Lr=1.4 kPa；本設備設計溫度為常溫，不考慮罐頂保溫所產生的載荷。

固定頂固定載荷故pr=2.48kPa。

2.1.3 自支承拱頂板計算厚度的確定

2.1.4 抗拉環有效面積校核

包邊角鋼是連接罐頂和罐壁的結構構件，除了支撐罐頂外對罐壁也起著加強作用，故不僅需要作為抗拉環校核其有效面積是否滿足要求，也需要作為頂部加強圈計算其面積是否滿足頂部加強所需的最小截面積，此處計算過程略。

2.2 自支承錐頂

2.2.1 設計數據

設計數據見圖4。

圖4 自支承錐頂與罐壁連接詳圖

自支承錐頂設計參數見表3。

表3 自支承錐頂設計參數

2.2.2 儲罐罐頂總外壓的確定

參照第2.1.2條，求得pr=2.83kPa。

自支承錐頂板的計算厚度考慮厚度附加量，取自支承錐頂板的名義厚度δd=10mm。

2.2.4 抗拉環有效面積校核

3 施工注意事項

2）罐頂板與包邊角鋼外側采用連續焊，焊角腰高不應大于5mm，內側與包邊角鋼不得焊接；

3）自支承錐頂頂板本身的拼接可以采用對接或者搭接，搭接寬度不應小于5倍板厚，且不小于25mm；

4）自支承拱頂任意相鄰焊縫距離不得小于 200mm，預制完畢的頂板在堆放、運輸和起吊過程中，應采取有效措施防止變形；

5）當儲罐充水試驗完成后開始放水時，應進行罐頂外壓試驗。試驗時，應使罐頂部位氣相空間的真空壓力等于pr-DL；

6）當儲罐充水試驗完成后放水接近結束時，可進行罐壁外壓試驗，試驗時罐內真空壓力應等于pe。

4 結論

兩種罐頂數據比較見表4。

表4 兩種罐頂數據比較

1）對比2.1.3和2.2.3的計算厚度計算結果，自支承拱頂的計算厚度小于自支承錐頂，自支承拱頂受力比自支承錐頂好。

2）從表4兩種罐頂質量比較中，可以看出自支承拱頂所用材料少于自支承錐頂，自支承拱頂經濟性比自支承錐頂好。

3）拱頂罐的優點是結構簡單，剛性好，能承受較高的壓力，鋼材利用率高，但是，制造比錐頂罐麻煩些，焊接工作量大；錐頂罐制造簡單，但是鋼材耗用多。

4）錐頂罐儲液上方氣相空間比拱頂罐小，儲罐罐內物料在沒有收、發作業只是儲存的工況下，隨著環境溫度、壓力在一天內晝夜或在一年內四季周期變化，儲罐內氣相溫度、儲液的蒸發速度、蒸汽濃度和蒸汽壓力變化幅度比拱頂罐小，那么這種排出或者通過呼吸閥儲液蒸汽和吸入空氣的過程所造成的儲液消耗也比拱頂罐小。

設計者可以根據設計工況，結合實際情況綜合考慮，選擇適宜的罐頂型式。