大型儲罐底部可拆式伴熱裝置的設計

劉 宇

（南通賽孚機械設備有限公司，南通江蘇 226500）

儲罐是工業中廣泛使用的儲存設備，用以儲存各種氣體、液體和固體物料。對于盛裝一些結晶溫度較低的物料，工藝上需要物料保持液態流動，因此罐底與罐壁需要安裝伴熱管來對罐體加熱和保溫。由于常用的儲罐是直接安裝在基礎上的平底立式圓筒形儲罐，這時就需要采用型鋼支撐的罐底來安裝加熱裝置，為便于更換，需要將罐底加熱裝置設計成可拆結構。另外，對于直接安裝在基礎上的平底立式圓筒形儲罐，罐底在發生泄漏（如焊縫開裂）時，由于泄漏點不易被發現造成后續堵漏返修困難。當罐底采用型鋼支撐結構后，可以對型鋼之間的罐底進行觀察和檢測，能夠容易發現儲罐底部的泄漏情況。

本文通過以往工程設計實例介紹了采用型鋼支撐的儲罐的罐底可拆式加熱裝置的設計方法，儲罐的設計（包括罐壁、罐頂、地腳螺栓的設計計算）按照GB 50341或API 650，本文不做介紹。

1 儲罐參數

儲罐直徑為11m，壁板總高度為10m，罐儲材質為16MnDR，內裝介質為濃硫酸，儲罐最大重量1 730t。儲罐結構簡圖如圖1所示。

圖1 罐體結構簡圖

2 文中符號說明

tg為包括腐蝕裕量在內的型鋼支撐的罐底板厚度，mm；

b為相鄰型鋼之間的最大中心間距，mm；

p為儲罐重量、操作時介質重量和操作內壓，三者作用在罐底的均勻壓力，以及水壓試驗時的水的重量與儲罐重量之和作用在罐底的均布壓力，兩者取大值（包括罐底板的重量），MPa；

Fy為罐底板材料的最小屈服強度值，MPa；

CA為罐底板的腐蝕裕量，由設計委托方確定，mm；

Es為底板材料的彈性模量，MPa；

N為計算單元所受的豎向力，N=pb×1 000，N；

An一計算單元內腹板的受壓凈截面積（去掉開孔處面積Am），An=tw×1 000-Am，mm2；

f為型鋼材料的抗拉強度的設計值，這里取材料的許用應力（偏于保守），MPa；

Wx為翼緣的凈截面模量，Wx=1/6lt2，l為1 000mm，t為翼緣板厚，mm；

q為翼緣上計算單元所受的豎向力，即q=N/1 000，N/mm；

b0為翼緣的總寬度，b0=w2/2 mm；

h0為腹板的凈高度，見圖5；

tw為腹板的厚度；

fy為腹板材料的屈服強度，MPa；

d為兩型鋼梁之間的罐底板的撓度，mm。

3 罐底可拆式加熱裝置設計

如圖2所示，罐底安放到支撐型鋼上，支撐型鋼之間用角鋼（∠40×40×4）連接成整體，角鋼上安放伴熱管（規格Φ32×3），為使伴熱管能從一側抽出，將伴熱管按圖3布置在支撐型鋼之間。根據實際情況，可以將伴熱管整體分為幾部分，以便于伴熱管的抽出和安裝。伴熱管的加熱面積、規格、總長由工藝專業提供。根據伴熱管的加熱面積換算出總長、管間距、型鋼間距，型鋼間距同時還需要滿足“5.罐底支撐型鋼的設計”的要求，如圖4所示。

圖2 罐底可拆式加熱裝置結構圖

圖3 伴熱管布置圖

圖4 罐底焊縫布置圖

4 罐底板的設計計算

1）罐底板厚度的計算設計標準，可以參照API 650附錄I的 I.7（Tanks supported by Gri11age）來進行設計。公式如下：

罐底型鋼的間距b值的確定：b=400～500 mm，通常由業主給出，b的取值需要合理，當b值過小時，會造成因為型鋼與罐底之間的焊接空間不足而導致儲罐運行時對罐底泄漏檢查困難；當b值過大時，會導致罐底板經過計算后厚度過厚，因而造成材料的浪費。

一般情況下，業主會提前給出罐底板厚度，設計人員按照此厚度，根據公式（1）反算出型鋼間的最大間距，型鋼間距實際取值需要小于此值。同時，罐底板的厚度還要滿足GB 50341—2014中最小厚度的要求。

本設備b取500mm。

2）儲罐底部撓度的校核：在儲罐罐底厚度確定以后，開始校核儲罐底部的撓度值。

具體做法為：按照API 650附錄I中公式（I.7.3.3-1）計算相鄰兩型鋼梁之間的罐底板的計算撓度值和允許值，滿足計算撓度值≤允許值。當計算撓度值超過允許值時，可以通過增加罐底厚度、減小型鋼之間的間距來降低計算撓度值，從而滿足型鋼支撐結構與儲罐底部撓度的要求。

需要滿足：

因此滿足相鄰兩型鋼梁之間的罐底板的撓度要求。

查GB 50341—2014中表5.1.1和表5.1.2得tg=14mm符合罐底最小厚度的要求。

5 罐底支撐型鋼的設計計算方法

罐底型鋼的設計計算需要運用鋼結構設計的有關知識，具體設計方法如下。

5.1 型鋼規格的選擇

根據對支撐高度的要求，優先選用標準的工字鋼或H鋼，一般情況下，型鋼上翼緣厚度不小于儲罐底板的名義厚度，支撐的高度h往往由業主指定。型鋼的上翼緣寬度≤下翼緣寬度。

當儲罐底板為斜底結構、儲罐基礎為平的時，必須采用焊接結構的H型鋼，此時H型鋼的腹板與翼緣之間的焊縫要采用開坡口全焊透結構。

本文3算例選用20a工字鋼，材質為Q355B，規格，如圖5所示。

圖5 型鋼截面圖

5.2 罐底支撐型鋼的強度校核

計算單元的確定：罐底取型鋼長度方向1m，兩側各取間距的一半作為計算單元。

設計執行標準：按照GB 50017—2017《鋼結構設計規范》和《鋼結構設計手冊》的相關工時進行計算。

查GB/T 706—2016《熱軋型鋼》得：

5.2.1 型鋼腹板強度的校核計算

按照GB 50017中6.1節的公式（6.1.1）對罐底支撐型鋼腹板強度進行強度校核計算，具體方法為：

當公式（2）不滿足時，可以通過應適當增加腹板厚度或者減小罐底型鋼的間距來滿足公式（2）的要求為止。

本設備中：

5.2.2 型鋼翼緣的強度的校核計算

型鋼的上下翼緣按單向受彎狀態進行計算：

如果公式（3）不滿足，可以通過調整翼緣的寬度和厚度，直到滿足公式（3）的要求為止。

本設備中：

Mx=（N/2）*b0=2 448 421N·mm

Wx=1/6*l*t2=20 167m3（l為1 000mm，t為翼緣板厚，mm）。

通常情況下，型鋼上下翼緣取相同的厚度和寬度，所以只需計算上下翼緣中一個即可。

Mx/Wx=124.4MPa≤f=305MPa，校核通過。5.2.3 罐底支撐型鋼的穩定性校核計算

當型鋼采用的是非標準規定尺寸，此時需要按照《鋼結構設計手冊》校核計算型鋼腹板和翼緣的穩定性，具體做法為：

腹板穩定性驗算按照《鋼結構設計手冊》 表6.1-3計算：

式中εk為鋼號修正系數，其值為

h0/tW=166/7=23.7

h0/tW=23.7≤80εk=66，校核通過。

當公式（4）不滿足時的調整方法為：降低腹板高度、增加腹板厚度、對腹板進行加肋，但由于加肋計算比較復雜，優先采用降低腹板高度、增加腹板厚度的方法來滿足校核計算的要求。

翼緣穩定性驗算按照《鋼結構設計手冊》中式6.3-30進行計算：

b/tf≤（10+0.1λ）εk

b、tf分別為翼緣板自由外伸寬度和厚度，本設備b=50mm，tf=11mm；

λ為構件的較大長細比，當λ＜30 時取30，當λ＞100 時取100，本設備取100。

b/tf=50/11=4.55 ≤（10+0.1λ）εk=（10+0.1×100）×0.83=16.6，校核通過。

如果不滿足，必須調整翼緣的寬度和厚度，直到滿足條件為止。

6 罐底焊縫的布置方法

儲罐底板上各帶鋼板之間需采用的對接接頭、全焊透結構，焊縫的方向與型鋼方向垂直。與型鋼搭接處的焊縫下表面需磨平，且與罐壁板連接處的焊縫表面需磨平，如圖6所示。

圖6 搭接處焊縫圖

在進行罐底支撐的設計時，往往在型鋼之間增加一些扁鋼支撐來增加型鋼自身的穩定性以及型鋼結構的剛性，同時這些扁鋼還可以作為儲罐底部保溫或加熱盤管的支撐來使用。

7 對儲罐基礎的要求

采用型鋼支撐的儲罐罐底板，基礎的受力條件不是連續的（因為罐體重力作用是通過型鋼傳遞到基礎上的），因此業主需要將型鋼的間距、型鋼數量和規格尺寸、儲罐的各種工況下的重量（包括空重和充水重量和操作重量）作為基礎設計條件提供給結構專業進行儲罐基礎設計。另外，基礎設計條件中還要注明基礎平面的平面度要求，因罐底支撐用型鋼是按照只受壓不受彎設計的，同時基礎應采用硬基礎結構。

8 地震的考慮

本文算例中未考慮垂直地震力的作用，但按照GB/T 50761—2018《石油化工鋼制設備抗震設計標準》中，當設計基本地震加速度為0.20～0.4g，或抗震設防烈度為8 度、9 度時，對直徑大于4m，且兩支座間距大于20m的臥式設備，以及高度大于20m 的直立設備和加熱爐落地煙囪，應包含垂直地震力并進行抗震驗算；所以當儲罐滿足以上條件時，罐底計算時應計入垂直地震力。

儲罐的垂直地震力的計算方法按GB/T 50761—2018《石油化工鋼制設備抗震設計標準》中4.5中的具體步驟進行。

9 結束語

目前國內標準規范中沒有罐底可拆加熱裝置和罐底支撐的說明和相關計算，本文在綜合了鋼結構設計知識和API 650附錄I，以實際工程實例說明了罐底可拆加熱裝置和罐底支撐的設計、計算方法，目前按此方法設計的儲罐運行情況良好。