大型儲罐頂部與底部的設計

王萍

（上海寰球石油化學工程有限公司，上海200032）

大型儲罐頂部與底部的設計

王萍

（上海寰球石油化學工程有限公司，上海200032）

目前對用于儲存各種介質的大型儲罐的需求日趨增多，常規的儲罐結構設計已不能完全滿足實際需求，有些儲罐因工程需要不能完全按照常規進行設計，需根據具體情況加以調整，文章以實際工程設計為例，介紹了大型儲罐頂部結構和底部結構的設計。

大型儲罐；頂部結構；底部結構；設計

隨著我國石油化工行業的不斷發展，對用于儲存各種介質的大型儲罐的需求也日趨增多，而且對結構形式也有新的要求，尤其在引進國外的工藝流程時，常規的儲罐結構設計經常不能滿足工程上的需要，需根據具體情況加以調整，以滿足客戶或工程上的需要。本文就工程中儲罐頂部結構和底部結構的設計進行介紹。

1 頂部設計

大型儲罐的頂部按結構可分為固定頂和浮頂兩種形式。固定頂一般采用弱頂連接，主要形式有自支撐式錐頂、支撐式錐頂、自支撐式拱頂等。

自支撐式錐頂是僅沿罐頂周邊支承而不借助支撐柱等給予額外支承的一種罐頂形式，其坡度不得小于1/6、不得大于3/4。它的氣體空間小，所以“小呼吸”時損耗少。由于結構穩定性的限制，采用這種形式的儲罐直徑不宜過大。支撐式錐頂結構可以用于大容量、接近常壓的儲罐，儲存揮發性小的油品或其他介質，罐內壓力以不使頂板鼓起、支撐不上拔為限，其坡度同樣不應小于1/6，該結構不適用于有不均勻沉降的基礎，或地震荷載較大的地區。自支撐式拱頂是目前使用很廣的一種形式，與錐頂相比，其結構簡單，剛性好，能承受較高的剩余壓力，材料消耗少，但氣體空間較大，制造比錐頂復雜一些，其球面的曲率半徑宜為0.8～1.2倍直徑。自支撐式拱頂又分為光面和帶肋兩種。對于上述這些固定頂，根據GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》的規定，頂板的公稱厚度不應小于4.5 mm、不應大于12 mm[1-2]。

浮頂則分為外浮頂和內浮頂。外浮頂有單盤式、雙盤式和浮子式三種，前兩種用得較多；內浮頂是在固定頂的基礎上在罐體內增設浮盤等的一種結構形式。

在了解儲罐頂部結構形式的基礎上，設計人員可從給定的工藝要求、場地條件、介質特性、容量大小、操作條件、設置位置、施工難度、制造費用、消耗鋼量等有關因素出發，在滿足工程要求和規范要求的前提下，選擇合適的罐頂結構形式。以達到安全可靠、降低造價、提高經濟效益的目的。

下面介紹一種固定罐頂結構，該儲罐的主要設計參數見表1。

表1 儲罐的主要設計參數

按國內規范，此直徑的儲罐不宜采用自支撐錐頂結構，但由于工程要求儲罐頂部的氣體空間不能設置過大，所以該儲罐也不宜采用拱頂結構。為了滿足這一要求，在調研和查閱國內外資料的基礎上，決定采用自支撐帶桁架的錐頂結構。此結構主要由一個中心圓筒以及若干根斜椽、檁條等組成。斜椽或檁條的一端與中心圓筒相連，另一端則與罐壁連接，斜椽和檁條之間采用型鋼支撐，斜椽的斜度設為11.3°（3/4＞坡度＞1/6），由此形成一個整體的鋼結構桁架。頂板覆蓋在桁架之上，并不與桁架相焊接，只與罐壁上的包邊角鋼在外側連續腳焊，焊腳尺寸為4 mm。罐頂結構如圖1所示。

如何確定桁架的具體尺寸是該頂部設計的關鍵，在桁架設計時，首先建立相應的數學模型，設定中心圓筒的尺寸和斜椽、檁條的數量及大小，然后通過應用程序軟件STAAD.Pro Version 2002（Bld 1004.Proprietary Program of Research Engineers,Intl.）進行校核，最終確定每根斜椽、檁條以及支撐所需的型鋼尺寸和數量，以確保罐頂能有良好的承載能力。該結構雖然在投資上要比拱頂大，但其氣體空間小，尤其在“小呼吸”時損耗少，而且儲罐可不受基礎條件的影響，加工費用也不是很大。因此從長遠的經濟角度來講，還是有利的。

2 底部設計

儲罐底部承受著上方液體的壓力及下方基礎的支承力，因此一般罐底采用的是平底結構，并直接與基礎接觸。為了消除或補償因基礎下沉而引起的中部凹陷，同時也便于排除殘液，底板應具有和基礎同樣的坡度。所以在國內設計中通常采用錐面基礎，一般以不應大于15‰的坡度由儲罐中心坡向周邊[2]，罐底也采用相同型式。同時，由于大型儲罐直徑較大，為了排板方便，罐底板一般采用搭接的方式。儲罐直徑＜12.5 m時，罐底可不設環形邊緣板；儲罐直徑≥12.5 m時，罐底宜設環形邊緣板[2]。

但在實際應用中，往往此種結構不能完全滿足工程要求。例如在上海化工區巴斯夫項目中所設計的儲罐，由于介質原因，儲罐不能直接擱置于混凝土基礎之上，以便于觀察罐底的異常變化。由于這非常規的需求給設計帶來了一些難度。經過調查以及參考國內外的有關資料和標準，其中包括：《鋼制焊接石油儲罐》、《鋼結構設計規范》、《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范》、《GENRAL REQUIREMENTS FOR STORAGE TANKS》等，決定對該項目中所有儲罐采用帶支撐的底部結構，具體設計為：以工字鋼作為支撐梁，梁與梁之間通過連接板連接，使其形成一個整體框架，底板鋪設在框架之上，底板與支撐梁之間襯橡膠墊，底板采用對接的方式，底部結構如圖2所示。底板厚度可以通過下式計算：

（1） 在負壓狀態下的底板厚度計算：

式中t——底板計算厚度/mm；

Di——儲罐內徑/mm；

P0——真空壓力/MPa；

G——底板單位面積上重力/MPa；

S——安全系數，一般取1.1；

K——設計溫度下材料屈服強度/MPa。

（2） 在正壓狀態下的底板校核[3]：

式中tg——底板公稱厚度/mm；

b——相鄰或經向支撐構件之間的最大允許間距（中心至中心）/mm；

P——內壓、液柱壓力（液壓和靜水壓二者取較大值）、底板單位面積上的重力三者之和/MPa；

Fy——底板材料規定的屈服強度/MPa；

CA——腐蝕裕量/mm；

d——底板中間跨度的最大計算撓度/mm；

Es——底板材料的彈性模量/MPa。

當采用國產材料時，底板公稱厚度的確定還應考慮鋼板負偏差。

（3） 支撐型鋼強度校核：

Scg=

式中Scg——壓應力/MPa；

At——自型鋼頂面至腹板計算高度上邊緣的距離/mm。

考慮到支撐型鋼的使用情況，強度設計值應乘以相應的折減系數，因此：

Scg≤Scaμ

式中Sca——許用壓應力/MPa；

μ——強度折算系數[5]。

3 結束語

上述的罐頂結構和罐底結構均在上海化學工業區新建的巴斯夫項目中采用，筆者曾參與了該項目的設計工作。這些儲罐分別于2005年和2006年正式投入使用，至今運行正常。從設計回訪來看，這些設備的使用情況良好，結構都能滿足工程上的需要，達到了預期的效果。

[1] 湛盧炳，孫晉坡，陳在康.大型貯罐設計[M].上海：上海科技出版社，1986.125-132.

[2] GB 50341-2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S].

[3] API 650-1998（含001，002），鋼制焊接石油儲罐[S].

[4] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].

[5] SH 3046-1992，石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范[S].

Abstract:With increasing demand for large scale tanks storing kinds of media,traditional structural designs can not completely satisfy practical requirements,and some storage tanks can not completely be designed by traditional rules，and regulations are needed according to concrete circumstances.In this paper,the top and bottom structural designs of large scale storage tanks are illustrated together with some practical engineering projects.

Key words:large scale storage tank;top structure;bottom structure;design

（30）Top and Bottom Structural Design of Large Scale Storage Tank

WANG Ping（China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.（Shanghai）,Shanghai 200032,China）

TE972

A

1001－2206（2011）02－0030－03

王萍（1957-），女，上海人，工程師，1977年畢業于上海化工局設計室技校化工設備專業，長期從事化工非標設備設計。

2010-06-28；

2010-12-23