石油化工裝置中儲罐的結構設計技術

蔡武靜

上海智英化工技術有限公司杭州分公司 浙江 杭州 311215

近年來，人們生活水平不斷提升，對石油需量呈現逐年遞增的趨勢，油罐作為儲存石油的重要設備，受到專業人員的高度重視，經過專業人員不懈努力，油罐逐漸向大型化方向發展，其具有節省投資、便捷操作管理、減少占地面積、節省鋼材等特征，被廣泛應用在石油化工企業。目前，世界上容積最大儲油罐單罐達到20×104m3，我國最常用15×104m3容積的大型油罐，被廣泛應用到石油化企業中，有效提高石油化工企業日常儲存量，加強存儲安全性，為企業可持續發展打下堅實的基礎。基于此，本文以大型油罐作為主要研究對象，結合我國相關設計規范對油罐結構進行初步設計，再利用有限元分析法和理論分析法計算罐體結構參數，從而確定儲油罐最佳結構設計方案[1]。

1 大型儲油罐的優點

大型油罐具有多樣化優勢：（1）大型油罐能控制油罐的附件。在石油化工企業儲油罐容量不變的情況下，提高大型儲油罐數量，能大幅度降低小油罐數量，從而減少管道的各種基礎設施，如閥門、儀表等配件，合理控制泄漏點數量；（2）有利于減少占地面積。對石油化工企業來說，儲油罐占地面積和企業經濟效益有直接聯系，且要考慮到儲油罐附近的防火性能，要滿足行業標準要求。同時，相鄰儲油罐間距要符合實際標準，根據目前我國政府部門所規定的防火要求，當石油化工企業的存儲能力基本相同時，將無數個小儲油罐和大型儲油罐科學排列，能有效降低實際占地面積；（3）便于節約鋼材。當儲油罐容積增加，其表面積出現不同程度的減小，無形中降低單位容積所消耗的鋼材數量，可見在石油化裝置中儲油罐容積和鋼材消耗量成反比；（4）有利于工作人員進行日常操作和后期維護。隨著儲油罐趨于大型化，會降低小儲油罐數量，提高檢尺維護和消防等方面的便捷性[2]。

2 儲油罐設計標準和應力計算方法

2.1 儲油罐相關設計標準規范

儲油罐設計標準規范主要包括美國API650《鋼制焊接油罐》、中國GB50341《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》、日本JIS B 8501《石油工業立式鋼制焊接油罐》等規范。隨著我國社會經濟不斷發展，給油庫管理效率提出更高要求，為確保我國石油化工行業企業能達到預期要求，其根據實際情況建立信息化系統，來提升油庫安全管理水平。油庫自動化系統主要包括安全防范系統、油罐自動計量系統、收發油自動控制系統等，其中油罐自動計量系統在整個油庫管理中具有至關重要的作用，其能準確測量出油罐內水位、平均溫度、油品液位等數據，從而計算出油罐內油品的具體數量。目前，美國和日本2種設計規范中最大差異性是壁板厚度的計算方法，日本在計算壁板厚度時以定點法為主，在每圈壁板的最高環向應力距離壁板底部0.3m位置設置為設計壓力，計算出壁板實際厚度；而API650設計標準是以變點法為基礎，計算壁板厚度，通過算出每圈壁板最高環向應力位置，利用該位置的靜液壓力算出壁板的實際厚度。

2.2 罐體應力計算方法

罐體應用是由底板應力和壁板應力2個環節組成，其中壁板應用計算方法有短圓柱殼法、組合圓柱殼法、長圓柱殼法等類型。其中短圓柱殼法具有計算精度高的優勢，但該方法計算過程過于復雜，不適合應用到企業經營中；長圓柱殼法計算流程簡單，但其計算準確性不足；組合圓柱殼法是將上述2種計算方法優點進行融合，不僅具有良好的計算精度，還擁有簡便的計算流程。通過上述分析，本文主要采用組合圓柱殼法計算壁板應力。目前，在大型油罐底板應力計算過程中，通常使用彈性地基梁和剛性地基梁耦合法，但由于儲油罐基礎影響因素種類較多，導致該種方法產生的計算結果存在嚴重差異性。大量實驗證明，有限元方法能真實模擬出罐體和基礎間的相互作用，所以可采用有限元分析法計算罐底板應力。

3 大型儲油罐結構方案設計

3.1 確定儲油罐直徑

油罐容積要滿足如下要求：

式中：V表示儲油罐設計容量；D表示儲油罐直徑；H表示儲液高度。

根據我國消防相關規范，大型石油儲罐高度要低于24m；浮頂罐儲液高度要提前預留0.9m左右的空間。如當石油儲罐容積為15×104m3，其最小直徑為91000mm，考慮到油罐使用安全性和經濟性，油罐中直徑為100000mm，罐體高度為21800mm。

3.2 壁板寬度選擇

大型儲油罐壁板厚度較小，采用薄壁殼體結構，而壁板作為承受壓力的重要結構，要承載大量的靜液壓力，其通常為三角形分布狀。同時，為滿足實際強度設計要求，在日常應用中禁止采用連續變化截面厚度鋼板來制造油罐，所以油罐壁只能利用較厚的壁板焊接而成。且由于受到企業運輸能力和冶金能力影響，要合理控制其壁板寬度，其寬度要低于3000mm。研究數據顯示，底圈壁板寬度和儲油罐應力有直接聯系，所以本文采用2980mm、2420mm壁板厚度為試驗對象，對2種方案進行對比。

3.3 底板設計

儲油罐底部是由邊緣板和中幅板2個環節組成。其中罐底邊緣板作為連接中幅板和壁板的重要環節，在靜液壓力作用下，邊緣板要一直承受較高的彎曲應力。在我國相關規范中，要求大型儲油罐邊緣板厚度要大于19mm，為保證底板自身的安全性，結合現場環境的腐蝕度，將邊緣板厚度控制在23mm。為控制底板的彎曲應力，要在邊緣板位置進行延長，伸出到管壁外100mm。而中幅板在靜液壓力作用下不會承受較高的彎曲應力，在相關規范中中幅板厚度需高于6mm，但為了避免底板出現不均勻沉降導致儲液泄漏問題，要結合實際情況調整中幅板厚度，通常中幅板厚度為11mm。

3.4 油罐計量方法選擇

企業油庫通常是將儲存成品油作為主要目標，所以在企業油庫中存在大規模洞庫油罐。這些油罐根據建筑類型不同，可分為地面立式內浮頂油罐、地面拱頂罐、洞庫頂立式油罐等，其小型臥式罐、洞庫罐數量占據大多數，工作人員要根據特征不同，選擇對應的計量方法。從計算方法來看，油品質量計算在行業標準中有標準體積X標準密度方法和立式罐截面積X靜壓強方法，第一種計算方法通常應用在混合法自動計量系統、液位法自動計量系統中，當立式儲罐容積表準確度低于0.1%，油品質量計量準確度和壓力變送器數據有直接聯系，標準密度測量值不會給油品質量造成嚴重影響。因此，在選擇計量系統時，可選擇具有較好精確度的壓力變送器進行測量，從而保證油品質量準確度。本系統中為讓整體計量精度能滿足行業要求，在選擇壓力變送器、液位計等計量工具時要滿足下面要求：液壓計要符合計量要求，精度要控制在1mm左右；而想要滿足庫存要求時，精度可調整為3mm；溫度計平均溫度差異性需降低到5°范圍內；壓力變送器對所測量壓力提出更高要求，其壓力值要低于60Pa。另外，在安裝儀表過程中，壓力變送器取壓孔要安裝在油品靜止位置，且要處于計量水平位置，禁止超過輸油管。液位測量儀表要求在施工過程中，要按照標準流程和現場實際情況進行安裝，從而確保測量結果的合理性。

3.5 壁板厚度計算

壁板厚度計算作為油罐設計的重要環節，雖然不同國家對壁板厚度計算公式存在一定差異性，但均規定壁板最大厚度為45mm。基于此，本文將方案一和方案二相互結合進行計算，從而得到4種不同結構（如表1、表2所示）。

表1 四種結構所用方案

表2 四種結構壁板設計厚度

4 罐體應力分析對比

4.1 壁板應力分析

4.1.1 底圈壁板寬度的影響

將4種不同結構根據設計規范分為2組，結構1和結構2采用JIS B 8501設計規范進行設計，結構3和結構4使用API650規范進行設計，2種結構中主要區別在底圈壁板寬度差異性。發現結構2底圈壁板寬度為2980mm，其在第一道環焊縫周圍的環向應力要低于結構1。站在大型立式圓筒形焊接油罐角度來看，管壁上第一道環焊縫周圍區域應力最高，是整個儲油罐最危險的位置。因此，工作人員要結構2的寬度，合理控制第一道環焊縫的環向應力，全面提升油罐安全性（如表3所示）。同時，通過分析表2發現，在選擇底圈壁板寬度為2980 mm管壁時要設置八圈壁板，能減少一道環焊縫制作流程，無形中加強其安全性。

表3 四種結構壁板外表面環向應力最大值和位置

4.1.2 兩種設計規范影響

在結構2和結構4中其底圈壁板寬度基本相同，其中結構4采用API650設計規范，結構2使用JIS B 8501設計規范。通過分析發現結構2環向應力最大值位于第一道環焊縫上部；而結構4環向應力最大值在第一道環焊縫下部，通過分析介質的靜液強度，發現結構4壁板應力數值較高，說明變點法設計方法和大型儲油罐具有較強吻合度。另外，要注重結構抗震性能，其油罐底圈壁板厚度較大，且第一圈和第二圈壁板厚度數據相差較大，主要目的是提高油罐結構的抗震能力。因此，如果相關企業要將油罐建立在地震頻發地帶，可采用日本標準進行設計，不然通常采用美國標準進行設計。

4.2 罐底設計應力分析

當4種結構的罐基礎和底板結構數據基本相同，且油罐內直徑全部為100000mm。通過利用有限元分析法進行計算，發現底板應力分布不容易受壁板結構參數影響，即4種結構底板應力分布并無明顯差異性。另外，罐底板最大應力通常在壁板和地板相互連接的大角焊縫位置，最高應力為505.4MPa。

5 結束語

綜上所述，利用美國和日本2種設計規范為基礎，選擇不同底圈壁板寬度，合理設計大型儲油罐結構，利用組合圓柱殼法計算不同結構的壁板應力。經過分析發現，美國規范中的底圈壁板寬度設計方案具有較強的合理性，所以要注重使用美國相關標準。同時，將有限元法應用到方案板底應力計算中，研究底板應力變化時壁板結構參數的變化規律。