超大型儲罐結構的設計與施工

李凌志

（北京興油工程項目管理有限公司吉林省分公司，吉林松原 132002）

0 引言

儲罐作為石油化工企業的核心設備，對油氣存儲具有關鍵作用，其安全和經濟高效運行至關重要。我國石油產業鏈不斷延伸，產品需求持續增長，推動單體儲罐規模不斷擴大。超大型儲罐容積達到10 萬立方米以上，相比常規儲罐，其設計與施工難度大，安全和質量要求也最為嚴苛。超大型儲罐的設計直接影響到我國戰略石油儲備的布局和產業發展方向，而且對國家的戰略布局和產業發展，甚至是經濟安全都有直接的重要影響[1]。

超大型儲罐的設計需要具備超高強度和穩定性，其罐壁、罐頂、罐底及基礎設計都面臨巨大挑戰。在超大型儲罐的施工過程中，先進的自動化焊接技術和在線檢測設備發揮著關鍵作用，但同時也存在投入大以及技術熟練程度不足的問題。專用的吊裝、運輸和基礎施工設備是超大型儲罐施工過程中不可或缺的重要環節[2]。

超大型儲罐涉及的技術體系龐大，與國際領先水平相比我國仍存在較大差距[3]。為了確保超大型儲罐的安全和經濟高效運行，產學研相結合勢在必行。需要加強技術攻關與交流，對超大型儲罐的設計以及施工方法進行創新，緊密跟蹤國際前沿技術，促進產業的發展與進步。

1 超大型儲罐結構設計

1.1 結構強度和穩定性計算方法

超大型儲罐結構設計中，結構強度和穩定性計算是非常關鍵的內容[4]。該計算需要考慮儲罐在使用期間受到的各種復雜載荷和其結構的響應，如內壓力、自重荷載、溫度荷載、風荷載以及運輸和吊裝期間的臨時荷載等。針對這些情況，需采用先進的有限元分析等計算方法，進行全面分析，以確保儲罐在不同荷載下的應力應變狀態和穩定性，并保證計算結果準確可靠。

由于超大型儲罐體積和尺寸較大，會承受巨大的內壓力、自重、溫度應力和風荷載。此外，在運輸和吊裝過程中也會受到臨時荷載的影響，這使得結構強度和穩定性計算變得非常復雜。計算不僅需要檢查儲罐局部區域（如罐壁、罐底和罐頂）的強度，還需要對整個儲罐結構在各種荷載作用下的總體穩定性進行分析[5]。

超大型儲罐結構強度和穩定性計算是設計的基礎，必須全面考慮儲罐在各種復雜荷載作用下的響應和穩定性。采用先進的計算方法進行精細分析，如進行數值模擬對計算結果進行檢驗，以確保計算結果準確可靠。這是完成超大型儲罐安全、合理的結構設計所必需的，并且也是儲罐設計中最為關鍵的技術內容。

1.2 罐壁和罐頂結構設計

罐壁結構設計需要考慮內壓力、自重、溫度變化和風載等多種荷載的作用。超大型儲罐較大的容積會產生較大的內壓力，這需要選擇高強度材料、合理的板厚和加筋環等，來抵抗較大的內壓荷載和確保儲罐寬徑比滿足要求。自重也是設計需考慮的重要荷載之一，會產生較大的軸向壓力，需選擇滿足強度要求的板材。溫度變化會引起儲罐金屬結構產生較大的溫度應力，需要考慮溫度應力的影響。風荷載也會對罐壁產生較大的風壓力，必須在設計中進行合理的計算[6]。

罐壁厚的計算公式：

式中，[σ]t為設計溫度下的許用應力（MPa），P表示設計壓力（MPa），D表示儲罐直徑（mm），φ 表示焊縫系數(φ ≤1)，C 表示腐蝕裕量（mm）。

風載荷穩定性校核公式：

式中，D表示儲罐直徑（mm），HE表示罐壁總當量高度（m），Hei表示第i 圈壁板的當量高度（m），hi表示第i 圈壁板的實際高度（m），tmin表示最薄圈壁板的有效厚度（mm），ti表示第i圈壁板的有效厚度（mm）。

罐頂結構設計也需要考慮內壓力、自重、溫度變化和風載等作用。內壓力和自重會對罐頂產生較大的壓力，溫度變化也會引起較大的溫度應力。風荷載會產生風壓力和風貌力的組合作用。因此，罐頂結構同樣需要高強度材料和合理的結構形式來抵抗各種荷載的作用。

此外，超大型儲罐的罐壁和罐頂都需要控制變形，滿足使用要求。寬大的直徑會帶來較大的變形問題，這需要優化結構設計，采用高強度材料，設計合理的板厚和加筋，嚴格控制總體和局部變形。

超大型儲罐罐壁和罐頂結構設計需要考慮更廣泛和更復雜的荷載作用，選擇高強度材料和優化的結構形式，嚴格控制變形，以滿足較高的安全性和使用要求。這也是超大型儲罐結構設計的一大難點和技術關鍵。合理的罐壁和罐頂結構設計是確保儲罐整體性能的基礎。

1.3 儲罐基礎和管罐連接結構設計

儲罐基礎結構設計需要考慮儲罐全部重量和內壓力產生的巨大荷載，提供足夠的強度和剛度，確保儲罐底板的平整和防止沉降變形。常見的基礎形式有混凝土基礎、樁基礎和框架基礎等。選擇何種基礎結構形式需要根據地質條件和經濟性進行綜合判斷和分析。基礎結構還需合理設置鋼結構或混凝土支撐，提高整體剛度，控制基礎的沉降和傾斜變形。

管罐連接結構處會產生較大的應力集中，這需要有效采取措施進行緩解。常見的緩解應力集中措施包括改善縫板結構、選擇特殊鋼材等。管罐連接結構設計需要考慮的荷載主要為內壓力、流體動力和溫度變化引起的應力等。管罐連接結構為儲罐的重要組成部分，也屬于儲罐設計的難點和關鍵，其強度和可靠性直接影響整個儲罐的安全性。

為確保儲罐的整體強度和穩定性，儲罐基礎和管罐連接結構設計應與罐壁、罐頂等結構的設計相協調。儲罐結構在設計上應當是一個整體，各部位的設計方案應相互制約，共同滿足強度、剛度以及穩定性的要求[7]。

儲罐基礎和管罐連接結構設計需要綜合考慮地質條件、荷載作用和儲罐整體性能要求等因素，選擇合適的結構形式和高強度材料，采取有效措施緩解應力集中，確保自身足夠的強度、剛度和穩定性，與罐壁、罐頂等結構協調一致，這也是儲罐設計的難點和關鍵技術之一。合理的基礎和管罐連接結構設計是確保超大型儲罐安全運行的基礎。

1.4 計算機模擬和模型試驗技術

超大型儲罐設計需要廣泛采用計算機模擬分析和物理模型試驗技術，驗證和優化結構設計方案，為工程設計提供依據[8]。模擬分析可實現方案快速比選，模型試驗可還原真實受力情形，兩者相結合可最大限度地確保設計方案的合理性與可靠性。模擬分析工具主要是有限元軟件，模型試驗需要專門建立超大型儲罐結構模型進行加載測試。

2 超大型儲罐施工技術

2.1 特種吊裝和運輸設備與技術

超大型儲罐施工中，特種吊裝和運輸設備與技術的應用是成功的關鍵。

超大型儲罐施工需要特種重型吊裝設備進行吊裝作業。常用的吊裝設備有門吊、伸臂吊等，用于吊裝儲罐罐壁板、罐頂蓋等超大型鋼結構件。這需要重型吊機具有較高的起重量和合理的臂展，并配有專門的吊具，以保證安全可靠的吊裝作業[9]。

超大型儲罐運輸也需要專門的運輸車輛與裝置。罐體運輸常用的車輛有重型拖車、重型卡車以及自行車輛等。運輸裝置主要有運輸框架、吊運梁等，用于固定罐體，并通過連接點將罐體吊裝或牽引至施工場地。運輸技術是超大型儲罐施工的難點之一，需要充分考慮運輸路線、轉彎半徑等。

特種吊裝和運輸設備投入的高昂成本也是超大型儲罐施工成本的較大比例。這需要合理選擇適宜的設備型號和數量，制定科學的施工方案與步驟，精細化組織，最大限度發揮設備性能，提高施工效率，降低成本。

超大型儲罐施工需要配套應用各類特種吊裝與運輸重型設備。這需要根據儲罐結構和尺寸參數選擇適宜的設備，制定科學的吊裝與運輸方案，采用先進技術手段模擬和統籌全過程，確保施工安全與質量。合理運用特種吊裝與運輸設備是超大型儲罐施工成功與否的關鍵，也是實現施工效率與經濟性的基礎。這些技術手段的應用和管理經驗的積累是超大型儲罐施工水平提高的重要體現。

2.2 自動化焊接技術及質量控制

超大型儲罐結構的焊接工作量巨大，自動化焊接技術的應用是實現高效、優質焊接的關鍵。

自動化焊接技術主要包括埋弧焊、氣體保護焊、激光焊等。這些技術實現了焊接過程的自動化與機械化，大大提高了焊接效率和質量。埋弧焊技術用于鋼板焊接，配合焊接機器人可以實現多層、多道焊縫的自動化焊接。氣體保護焊用于罐體垂直與水平焊縫的焊接，可靠的氣體保護可以獲得優質的焊縫。激光焊用于鋼板的切割、打孔及輕型焊接，精密的技術特點可以實現高質量的操作[10-11]。

自動化焊接技術還需要配套的焊梁、焊接機器人、焊絲送絲系統、氣體保護系統等設備。這些設備的選擇與使用直接影響自動化焊接的效率與質量。所以，設備的正確選型和性能發揮也是自動化焊接技術得以實現的前提。如實現程序控制、數字控制；研制從準備工序、焊接到質量監控全部過程自動化的專用焊機。

焊縫質量控制是自動化焊接技術應用的重點與難點。這需要嚴格控制焊接所有工藝參數，選擇優質的焊絲和氣體，定期對焊縫進行焊后檢測，如超聲波檢測、射線檢測等，發現問題及時修復，確保焊縫質量滿足設計要求。焊接質量管理體系的建立也是關鍵[12]。

自動化焊接技術的應用可以有效提高超大型儲罐結構焊接的效率與質量。這需要選擇和運用先進的焊接設備與技術手段，建立健全焊接質量管理體系，嚴格控制各項工藝參數，進行焊后檢測，確保焊縫質量滿足要求。自動化焊接技術的發展與應用，是超大型儲罐結構焊接水平提高的重要標志，這也為結構的高效、優質制造提供了重要保障。自動化焊接技術的應用，可有效縮短工期、降低成本、實現超大型儲罐結構焊接的規模化生產。

2.3 在線檢測技術及應用

超大型儲罐施工需要廣泛采用在線檢測技術[13]，如超聲波檢測、射線檢測等，以檢驗焊縫質量及時發現缺陷，確保儲罐整體質量。需要在焊前、焊中和焊后各階段進行全方位檢測，特別是焊后檢測范圍要覆蓋儲罐所有焊縫。在線檢測結果要及時分析并反饋至施工方，作為質量控制的重要依據。

3 設計和施工面臨的問題及對策

3.1 技術標準和規范不完善

超大型儲罐結構設計與施工目前還沒有成熟的技術標準和規范來全面指導，這也是當前超大型儲罐研發與應用面臨的難題之一。

超大型儲罐設計參數數量巨大，設計難度大，目前國內外均缺乏系統的超大型儲罐設計標準，設計者只能根據工程經驗和少數超大型儲罐參考案例進行設計，這增加了設計的難度，也難以保證設計結果的規范性。超大型儲罐結構形式復雜，材料選擇廣泛，設計計算涉及的荷載和工況組合更為繁雜，這都要求有針對超大型儲罐的系統設計標準來指導。

超大型儲罐結構的設計與施工面臨較大技術難度，迫切需要制定超大型儲罐專用的設計標準和施工規范。這不僅可以指導超大型儲罐的規范化設計與施工，也是促進超大型儲罐應用的重要基礎，是關鍵技術發展的重點和難點之一。制定和完善相關標準規范，實現超大型儲罐設計與施工的系統化、規范化，這也是未來超大型儲罐研究應用面臨的一項重要任務。

超大型儲罐施工方面，各項焊接、吊裝及運輸工藝都面臨較大技術難度，同樣缺乏超大型儲罐施工的規范指導[14]。施工單位只能在具體施工過程中不斷探索和優化，這增加了施工難度，也難以確保施工質量的穩定。超大型儲罐施工涉及的重型設備選擇、巨型結構件的吊運與安裝、復雜結構的焊接施工都要求有針對超大型儲罐的施工規范和標準來加強規范管理。

3.2 設計和施工技術人員匱乏

超大型儲罐結構設計需要有豐富的工程經驗和較高的技術水平，能夠進行復雜的結構計算與分析，選擇適宜的結構形式和材料，但目前在這一方面高級技術人才較為稀缺。超大型儲罐設計涉及結構、材料、土建、設備布置等多個學科交叉的知識，技術要求較高，這就要求設計人員有較強的綜合設計能力，同時還要具備超大型工程設計的豐富經驗，這方面的高級技術人才匱乏，難以滿足超大型儲罐設計的需要[15]。

超大型儲罐施工也面臨技術人才不足的困難。超大型儲罐施工涉及重型設備操作、特種吊裝與運輸、專業焊接等技能，要求施工人員有較高的實操技能和豐富的施工經驗，但此類人才培養周期長，高級技術人才較為稀缺。所以，超大型儲罐施工企業也面臨較大技術人力匱乏的壓力，這會直接影響超大型儲罐施工的進度與質量。

但目前高級技術人才在這兩方面均較為匱乏，增加了超大型儲罐開發的難度，影響了規模化發展的步伐。因此，加強超大型儲罐設計和施工技術人才的培養，吸引更多的高級技術人才投身其中，這也是解決目前人才匱乏狀況，促進超大型儲罐技術發展的重要舉措。應著力培養該類型人才，加強專業課程的學習和培訓。超大型儲罐技術人才的培養與聚集，將有助于超大型儲罐設計與施工技術的不斷提高，實現規模化發展。

3.3 特種設備和材料供應困難

超大型儲罐需要的特種設備和材料供應有限，采購難度大，需要擴大與保障供應。特種重型吊裝設備、自動化焊接設備等供應短缺，特殊鋼板等材料也難以采購，這些因素都會影響超大型儲罐施工進度和質量。

3.4 學習國外先進技術和管理經驗不足

需要加強與國外先進企業的技術交流與經驗借鑒，促進自身技術進步。國外在超大型儲罐設計與施工技術方面有較大優勢，企業需要派遣技術人員赴國外考察和學習，或聘請國外專家進行技術指導，實現與國際先進技術的零距離接觸。

超大型儲罐面臨的主要問題在于技術標準不完善、技術人才短缺和特種設備供應有限等方面。需要加大研發投入力度，擴大人才培養和國際交流，改善法規政策環境，鼓勵特種設備開發與生產，切實保障超大型儲罐技術創新與發展。超大型儲罐是一個系統工程，需要產學研相結合，加快理論研究與技術創新，促進自主品牌技術與裝備發展，這將推動我國超大型儲罐設計與施工水平，實現跨越式提高。

4 結束語

超大型儲罐設計與施工技術發展面臨標準規范不完善、技術人才匱乏以及特種設備材料供應有限等問題。為推動這一領域技術進步，需要從多個方面著手：有關部門要組織力量完善相關設計標準和施工規范，以提供規范指導；同時要繼續深入開展理論研究和技術攻關，加大研發投入力度，加大技術人才培養力度，引進并創新先進技術和管理經驗，使我國超大型儲罐技術水平不斷提高，盡早進入國際先進行列。超大型儲罐技術的發展任重而道遠，需要各方共同努力，推進實現跨越發展，為國家能源安全和石油產業可持續發展提供有力保障。