大型濃硫酸儲罐罐底的設計

巫春連

（長嶺煉化岳陽工程設計有限公司）

硫酸廣泛應用于工業生產，在化工、醫藥及冶金等領域占據著非常重要的地位。 濃硫酸屬于高度危害介質［1］，具有強氧化性、脫水性及強腐蝕性等特點。 在生產、運輸和使用過程中，濃硫酸的安全儲存顯得非常重要。 然而，目前還沒有專門針對高度危害介質儲罐的設計標準規范。 大型儲罐設計的標準規范GB 50341—2014《立式圓筒形鋼 制 焊 接 油 罐 設 計 規 范》［2］和API 650—2013《Welded Tanks for Oil Storage》［3］都不適用于高度危害介質儲罐的設計， 針對濃硫酸儲罐的設計，設計人員不能僅參照大型儲罐設計的標準規范進行。 因此筆者將依據自己的設計經驗，結合濃硫酸的特殊性，對常溫常壓下大型立式濃硫酸儲罐罐底的設計進行闡述，以供同行參考。

1 濃硫酸儲罐罐底的計算

為了方便巡檢、檢維修，及時發現和處理底板泄漏，對于盛裝高度危害介質的濃硫酸儲罐罐底基礎須采用條形基礎，如圖1所示。 罐底加強梁（如工字鋼、H型鋼等）應等間距分布在罐底板上，并與罐底相焊。 加強梁放在條形基礎上。

圖1 濃硫酸儲罐罐底結構

筆者對罐底力學模型的建立，只考慮常溫常壓下設計液位高度濃硫酸儲液的重力，而不考慮風載荷、 地震載荷及儲液晃動等其他載荷的影響。 由于濃硫酸儲罐罐底均勻承載濃硫酸儲液的重力， 可將濃硫酸儲罐罐底力學模型做兩種假設：

a. 相鄰加強梁間的底板可假設為載荷均布的矩形平板模型。模型寬度為加強梁的間距L1，因其長度遠大于寬度，故假設長度無限長。

b. 底板與加強梁構成組合梁，放在條形基礎上， 可將組合梁假設為受均布載荷的簡支梁模型。

1.1 罐底板厚度的計算

由罐底矩形平板模型對罐底進行剛度計算。濃硫酸罐底相鄰加強梁之間的底板最大撓度f1必須小于或等于罐底板的許用撓度［f］，即：

式中 c0——剛度計算時的矩形平板系數；

E——彈性模量；

q——設計液位高度下濃硫酸重力產生的均布載荷；

δ1——由罐底板剛度引起的計算厚度。

由此可得由罐底板剛度引起的計算厚度δ1：

由罐底矩形平板模型對罐底進行強度計算。濃硫酸罐底相鄰加強梁之間的底板最大應力σ1max必須小于或等于罐底板的許用應力［σ］，即：

式中 c1——強度計算時的矩形平板系數；

δ2——由罐底板強度引起的計算厚度。

由此可得由罐底板強度引起的計算厚度δ2：

濃硫酸罐底板必須同時滿足強度和剛度要求。因此， 罐底板的計算厚度δ應等于由強度引起的和由剛度引起的計算厚度之中的較大值，即：

由式（2）、（4）可知，罐底板的計算厚度與加強梁的間距L1有關，加強梁間距越大，濃硫酸罐底板的計算厚度δ越厚。 設計過程中，可通過調整加強梁的間距得到一個合理的罐底計算厚度。 由于濃硫酸儲罐在長期運行過程中，罐底會因濃硫酸的腐蝕磨損而減薄，此外，板材存在厚度負偏差，所以設計時還需考慮底板的厚度附加量。 工程上，需要將計算厚度加上厚度附加量，再向上圓整至板材的標準規格厚度。 工程上建議通過調整加強梁的間距， 使罐底板厚度控制在1～2倍儲罐底圈罐壁厚度范圍之內。 同時，加強梁的間距也應盡量控制在250～800mm范圍之內。

1.2 罐底加強梁的計算

濃硫酸儲罐罐底加強梁的最大撓度f梁max必須小于或等于加強梁的許用撓度［f］，即：

式中 L2——條形基礎間距；

ΣIX——加強梁的總截面慣性矩。

由式（6）可得加強梁的總截面慣性矩ΣIX：

由式（7）可以看出，在條形基礎間距L2一定的情況下，加強梁間距L1越大，所需加強梁的總截面慣性矩ΣIX越大； 在加強梁間距L1一定的情況下，條形基礎間距L2越大， 所需加強梁的總截面慣性矩ΣIX越大。 如果所需加強梁的總截面慣性矩ΣIX越大， 則設計中所需要選擇的型鋼型號就越大。為了方便儲罐的日常巡檢和檢維修，條形基礎的間距L2減去水泥基礎厚度后，應不小于500mm，基礎高度應不小于600mm。 在詳細設計中，通過式（7）求出加強梁所需慣性矩ΣIX，再根據ΣIX初選加強梁規格，然后對濃硫酸罐底板和加強梁進行強度校核。 濃硫酸罐罐底加強梁的最大彎曲應力σ梁max和底板的最大彎曲應力σ板max應分別滿足以下要求：

式中 h——加強梁的高度；

X0——組合截面形心位置。

在詳細設計階段，要求設計者可通過調整濃硫酸罐底板厚度δ、 加強梁間距L1和加強梁大小，對式（2）、（4）、（7）～（9）進行多次試算，得到較優的設計方案。 這要求設計人員必須有豐富的設計經驗才能減少計算量，提高試算效率。

2 罐底布置的要求

濃硫酸儲罐罐底板的拼接應采用對接焊縫，不宜采用搭接焊縫，如圖2中B-B所示。 濃硫酸罐底板焊縫按NB/T 47013.2—2015 《承壓設備無損檢測 第2部分： 射線檢測》 的規定進行射線檢測，檢測比例不低于20%，合格級別為Ⅲ級合格。罐底中幅板排板時， 長焊縫應與加強梁平行，且不得與加強梁接觸。 長焊縫與加強梁邊緣的距離應不小于20mm。 這是由于濃硫酸的危害程度為 高度危害，必須對焊接質量提出更高的要求。

圖2 濃硫酸儲罐罐底布置平面示意圖

基礎找平后，加強梁必須與土建條形基礎垂直擺放好。 要求加強梁表面平整，其局部平面度允許誤差不得大于1/2000儲罐內徑。 整個加強梁上表面水平度允許差不得大于1/1000儲罐內徑。濃硫酸罐底板組焊完畢后，應將底板校平。 要求底板與加強梁緊密貼合。 加強梁與底板可采用間斷焊，但加強梁首尾必須與底板相焊。 濃硫酸儲罐必須在基礎按土建專業施工圖驗收合格后方可進行安裝。 安裝時，濃硫酸罐底加強梁與土建條形基礎上的預埋鋼板相焊接。

3 結論

3.1 大型濃硫酸儲罐罐底基礎須采用條形基礎，罐底加強梁（如工字鋼、H型鋼等）應等間距分布在罐底板上，并與罐底相焊。

3.2 對底板設計時，通過假設的矩形平板模型，對底板分別進行剛度和強度計算。 濃硫酸罐底板計算厚度δ應大于或等于由強度引起的和由剛度引起的計算厚度值的最大值。

3.3 對加強梁設計時，將組合梁假設為受均布載荷的簡支梁模型。 通過加強梁的剛度計算求解出加強梁的總截面慣性矩， 初選滿足條件的型鋼，再校核底板和加強梁的強度， 如不滿足條件，則需調整，直到得出較優的方案為止。

3.4 對濃硫酸罐底布置提出了一些比普通儲罐更嚴格的技術要求。