立式圓筒形自支撐式拱頂儲罐“弱頂結構”的合理設計

周穎(鎮海石化工程股份有限公司 寧波 315042)

立式圓筒形自支撐式固定頂儲罐主要用于儲存石油和各種液體化學品，是石油化工裝置和儲運系統設施的重要組成部分。自支撐式固定頂儲罐最常見的形式有自支撐式拱頂儲罐和自支撐式錐頂儲罐。自支撐式錐頂儲罐其錐形罐頂是一種形狀接近于正圓錐體表面的罐頂，錐頂坡度最小為1/6，最大為3/4。自支撐式拱頂儲罐其拱形罐頂是一種接近于球形形狀的一部分，拱頂R=0.8～1.2D。固定頂儲罐在設計時有一個特定概念“弱頂結構”，即罐頂與罐壁連接處先于罐壁和罐底板破壞，避免罐壁和罐底板先破壞導致介質的泄漏而引起的次生災害。罐頂與罐壁連接處破壞，通常是包邊角鋼先屈曲，隨后是罐頂板周邊的角接焊接接頭撕裂。規范GB50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》第7.1.6條通過限制罐壁與罐頂連接處尺寸來規范弱頂結構的設計。自支撐式錐頂儲罐可以滿足GB50341-2003中弱頂結構的要求，但自支撐式拱頂罐的外形尺寸是無法滿足規范GB50341-2003中弱頂結構條件的。由于支撐式拱頂儲罐結構簡單，剛性好、施工方便，鋼材利用率高，在我國被廣泛應用。因此就要通過計算及合理結構設計來保證罐頂與罐壁連接部位最先破壞。

立式圓筒形自支撐式拱頂儲罐由罐底、罐壁和拱頂組成。罐壁為一個圓柱形，由若干圈鋼板焊接而成。罐壁的上部有一圈包邊角鋼與拱頂連接。罐壁的下部通過內外角焊接接頭與罐底的邊緣板連接。設計中選擇可焊性好的材料，并根據鋼材的厚度，使用溫度提出恰當的沖擊韌性指標；施工中提高罐壁、罐底的焊接接頭質量，減少缺陷；可有效防止了罐壁、罐底破壞。但罐底與罐壁連接的焊接接頭處于高應力區，容易發生脆性破壞。因此立式圓筒形自支撐式拱頂儲罐的“弱頂結構”，可以理解為罐頂與罐壁連接處先于罐壁和罐底連接處破壞。

罐頂是自支撐式拱頂，形狀近似球面，周邊支承于罐壁上端的包邊角鋼上，球面由瓜皮板和中心頂板組成。罐頂與罐壁連接部位在幾何形狀上是不連續的，當儲罐承受正壓時，罐頂和罐壁連接部位將產生環向壓應力；當儲罐承受外載荷(包括負壓)時，罐頂和罐壁連接部位將產生環向拉應力。因此設計時應根據儲罐設計正壓及外載荷(包括設計負壓)計算出罐頂與罐壁連接部位需要的面積。然后確定罐頂與罐壁連接處結構，根據設計結構確定實際截面積并計算出罐頂與罐壁連接處結構發生屈曲的破壞壓力。本文通過對一臺立式圓筒形自支撐式固定頂儲罐設計計算，確定罐頂與罐壁連接部位需要的截面積及其發生屈曲的破壞壓力、罐壁底部不被抬起的最大內壓，并進行分析，為立式圓筒形拱頂儲罐“弱頂結構”的合理設計提供建議。

一、設計實例

1.設計實例：一臺立式圓筒形自支撐式固定頂儲罐，其設計參數見表1

表1 立式圓筒形自支撐式固定頂儲罐設計參數

2.罐頂與罐壁連接部位需要的面積A

設計外荷載：P外=附加荷載+頂板重力荷載+頂板加強構件重力荷載

設計外荷載需要的面積A 1：

設計正壓：P內=2500Pa=2.5kPa

設計正壓荷載需要的面積A 2：

根據儲罐設計正壓、外載荷(包括設計負壓)計算出罐頂與罐壁連接部位需要的面積A：

罐壁與罐頂連接處采用弱連接結構時，罐頂與罐壁連接部位限制的面積AL：

顯然根據儲罐設計正壓、外載荷(包括設計負壓)計算出罐頂與罐壁連接部位需要的面積A大于罐壁與罐頂連接處采用弱連接結構時罐頂與罐壁連接部位限制的面積AL，不滿足GB50341第7.1.6條弱連接結構的要求。再來看看罐壁和罐底連接結構。

罐壁底部不被抬起的最大內壓Pmax按下式計算：

根據設計外荷載需要的截面積933mm2可以計算出罐頂與罐壁連接處允許的最大內壓載荷P：

如罐頂與罐壁連接處結構已確定，可根據確定的結構計算出A，然后再計算出允許的最大內壓載荷P。計算出允許的最大內壓載荷P后，可計算出罐頂與罐壁連接處結構發生屈曲的破壞壓力Pf：

由以上計算可知P＜Pmax＜Pf，本儲罐在罐頂與罐壁連接處結構發生屈曲的破壞壓力前，儲罐罐壁底部已離開地面，容易造成罐底破裂。為防止這種現象，可通過設置壓力泄放口來防止罐內壓力不斷上升導致罐壁底部被抬而破壞。壓力泄放口的設定壓力不應大于罐壁底部不被抬起的最大內壓Pmax且不大于罐頂與罐壁連接處結構發生屈曲的破壞壓力Pf的80%。也可采取另外措施防止罐壁底部被抬而破壞。

二、罐底與罐壁連接處

在許多情況下，為了減少低沸點儲液在儲存時的蒸發損耗，保護環境等原因，常常需要提高儲罐壓力泄放口的設定壓力及儲存壓力。同時在儲罐設計中應考慮風載荷和地震載荷引起的升舉力。當升舉力的總和超過儲罐和罐頂重量時，會使儲罐罐壁底部離開基礎，造成罐底破裂。為防止這種現象出現，儲罐罐壁可設置必要的平衡物或設計錨栓結構來平衡升舉力。其中設置錨栓結構是解決儲罐罐壁底部被抬起的一種常用方法。

罐底由邊緣板和中幅板組成。中幅板鋪設在基礎上，除非基礎有過大的沉陷，中幅板所受應力是很小的。邊緣板通過內外角焊接接頭與罐壁連接，所受的力就復雜多了。罐壁在液體靜壓力載荷及罐內氣相空間壓力載荷的作用下將發生徑向變形，但在邊緣板與罐壁連接處罐壁的徑向變形受到了約束。根據應力實測和理論計算[3]，罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭處于高應力區，且其所受的徑向應力和環向應力均屬于二次應力，由于自限性，雖然超過屈服強度，但可用兩倍的屈服強度進行校核。但此處所受的應力是隨罐內壓力、液位的變化而變化著。在高應力區，如在罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭處存在缺陷，那么缺陷就會擴展，從而造成脆性破壞。因此罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭的質量控制變得很重要。設計中應選擇可焊性好的材料，并根據鋼材的厚度，使用溫度提出恰當的沖擊韌性指標。施工中罐底邊緣板與罐壁連接的焊接接頭應采用焊兩遍或三遍成形，加強檢測減少缺陷。

通過獲得罐底與罐壁連接處的高質量焊接接頭，并采取措施防止罐壁底部被抬起，有效防止了罐底與罐壁連接處先于罐頂與罐壁連接部位破壞。達到“弱頂結構”的設計目的。

結語

1.GB50341第7.1.6條通過限制罐壁與罐頂連接處尺寸來規范弱頂結構的設計。自支撐式錐頂儲罐可以滿足其弱頂結構的要求，但自支撐式拱頂罐的外形尺寸是無法滿足其弱頂結構條件的。

2.罐頂與罐壁連接處破壞，通常是包邊角鋼先屈曲，隨后是罐頂板周邊的角接焊接接頭撕裂。因此罐頂板周邊的角接焊接接頭尺寸應符合GB50341第7.1.6條的要求。

3.“弱頂結構”可以理解為罐頂與罐壁連接處先于罐底與罐壁連接處破壞。設計時，根據設計正壓及外載荷(包括設計負壓)計算出罐頂與罐壁連接處需要的截面積，然后確定罐頂與罐壁連接處結構，根據設計結構確定實際截面積并計算出罐壁底部不被抬起的最大內壓Pmax及罐頂與罐壁連接處結構發生屈曲的破壞壓力Pf。判斷是否在罐頂與罐壁連接處結構發生屈曲的破壞壓力前，儲罐罐壁底部已離開基礎。如果Pmax≤Pf可根據儲罐的實際情況設置壓力泄放口來泄放罐內壓力，或設置平衡物、設計錨栓結構來平衡升舉力，防止儲罐罐壁底部離開基礎。

4.設計中應選擇可焊性好的材料，并根據鋼材的厚度，使用溫度提出恰當的沖擊韌性指標。施工中提高罐壁、罐底及其連接處的焊接接頭質量，加強檢測減少缺陷。可有效防止了罐壁、罐底及其連接處先于罐頂與罐壁連接部位破壞。達到“弱頂結構”的設計目的。

[1]GB50341-2003立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范[S].

[2]API650Welded Steel Tanks forOilStorage[S].

[3]徐英，楊一凡，朱萍球罐和大型儲罐[M].北京：化學工業出版社,2005.