大型儲罐的結構型式淺析

蒲 弦 沈 結 中國成達工程有限公司 成都 610041

儲罐廣泛用于油品和各種液體化學品等的存儲，如石化裝置的原料罐區、中間罐區、成品罐區等的儲罐或大型商業罐區、大型石油儲備庫、LNG液化工程及大型LNG接收站等儲存設備。大型儲罐的建造需考慮兩個基本的原則，即安全可靠性和經濟合理性。國內外的儲罐設計日趨大型化，充分了解儲罐的種類以及結構型式，掌握儲罐的設計基礎理論對儲罐建造的經濟性和安全性有著至關重要的作用。

儲罐的結構型式種類繁多，按安裝形式可分為立式儲罐或臥式儲罐等；按外形可分類圓筒形、球形、錐形、雙曲面型儲罐等。本文主要介紹建造于地面上的立式圓筒形平底儲罐(下文簡稱“儲罐”)。

1 按材質分類

按儲罐的材質分類，可分為金屬儲罐、非金屬儲罐和復合材料儲罐。

(1)常用的金屬類儲罐如碳鋼、不銹鋼、碳鋼與不銹鋼復合材質、鋁材及鋁合金儲罐等。

(2)常用的非金屬儲罐如玻璃鋼(FRP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 儲罐等，通常用于容積較小且有耐腐蝕性要求的場合，且使用的溫度和壓力范圍相對金屬儲罐較小。

(3)常見的復合材料儲罐如鋼襯橡膠、鋼襯聚四氟乙烯、鋼襯樹脂類、預應力混凝土儲罐等，一般用于大型儲罐中有耐腐蝕性要求工況中，并具有較好的經濟性。

2 按建造位置分類

按儲罐的建造位置劃分，有地上罐、半地下罐、地下罐。

(1)通常設計的儲罐為地上罐。

(2)地下罐主要指埋地罐(一般用于危險介質的儲存，如 LNG 地下罐)，以及軍事用途的隱蔽設備，如覆土罐：主要用于軍用標準GJB5758的國家石油戰略儲備庫，建造時分外罐和內罐，外罐為預應力混凝土保護層，內罐為鋼制儲罐，建設完成后在外罐覆蓋土層及綠植，與周圍環境協調一致，儲罐安裝位置為地下或半地下型式。

(3)半地下罐即一半埋地下，一半露出地面的儲罐，此類型儲罐的應用相對較少。

3 按壓力和溫度分類

3.1 按壓力分類

按儲罐存儲介質的壓力劃分，可分為下述幾種類型。

(1)常壓儲罐：一般指直接連通大氣或帶有微正壓的儲罐。按現行標準，內壓應小于18KPa，通常按GB50341、API650、EN14015等標準體系進行建造。

(2)低壓儲罐：通常指壓力小于0.1MPa的儲罐，可采用SH/T3167、SY/T0608、API620等標準體系進行建造。

(3)高壓儲罐：按EN14015標準，有高壓(≤6KPa)和超高壓(≤50KPa)儲罐的劃分，但壓力也小于0.1MPa；按API或GB標準體系，壓力高于0.1MPa的儲罐屬于壓力容器范疇，應按壓力容器標準建造。

3.2 按溫度分類

按儲罐存儲介質的溫度劃分，可分為下述幾種類型。

(1)低溫儲罐：設計溫度低于-40℃的儲罐為低溫儲罐，如液氨、LPG、LNG、液氮、液氧等液化介質儲罐。通常采用SY/T0608、API620、EN14620等標準體系進行建造。

(2)常溫儲罐：設計溫度在‐40℃～90℃范圍內的儲罐通常為常溫儲罐，儲罐標準對溫度的劃分不同于壓力容器中以‐20℃的劃分。

(3)高溫儲罐：設計溫度在 90℃～250℃范圍內的儲罐為高溫儲罐。

(4)超高溫儲罐：設計溫度大于250℃以上的儲罐。在光熱發電工程中的熔鹽罐熱罐和冷罐均屬于超高溫儲罐范疇，其中熱熔鹽罐設計溫度已達到565℃，其罐體采用鋼襯耐熱磚結構，在國內外已有廣泛的成功應用案例。各罐型見圖1-3。

圖1 低溫LNG儲罐

圖2 高溫熔鹽罐

圖3 熔鹽罐熱罐

目前國內設計的儲罐溫度范圍大都在常溫范圍。對于超出 90℃的儲罐，在設計中應按 GB50341附錄C提出高溫工況下的技術要求；對于超高溫儲罐的設計，通常采用有限元分析進行儲罐的結構設計。

4 按結構型式分類

儲罐的結構型式可按罐頂型式、罐壁型式、罐底型式進行分類。

4.1 罐頂結構型式

按罐頂支撐形式可分為固定頂儲罐和浮頂罐。

4.1.1 固定頂結構型式

固定頂儲罐分為自支撐錐形頂、自支撐蝶形頂、自支撐橢圓形頂、自支撐無肋拱頂、自支撐帶肋拱頂、柱支撐錐頂、拱架頂、網殼頂等多種型式。詳見圖4-9。

圖4 錐頂罐

圖5 柱支撐錐頂罐

圖6 網殼拱頂

圖7 帶肋拱頂

圖8 拱架

圖9 固定頂+拱架+吊頂

罐頂型式的選擇主要取決于儲罐直徑的大小。錐頂罐通常在公稱容積 V<100m3或直徑D<5m 時采用無支柱型錐頂結構，超出此范圍建議采用拱頂型式或柱支撐錐頂型式。對于較大直徑的錐形頂通常需采用型鋼作為罐頂加強構件。柱支撐錐頂罐在API標準體系中使用較多，國內應用相對較少。無肋拱頂通常V<1000m3或D<12m時采用此結構，帶肋拱頂一般用于V<25000m3或D<40m的儲罐。肋板與球殼皮焊接形成整體并對拱頂起加強作用，但肋板不得與罐壁直接連接。拱架頂通常用于罐頂結構中需要承受較大的集中載荷或均布載荷的情況，如吊頂結構。拱架通常有主梁和次梁組成的球面結構，主梁由罐壁支撐，蒙皮與拱架采用不連接或部分連接結構。這種罐頂結構主要用于低溫絕熱儲罐中，如液氨儲罐、乙烯儲罐、丙烯儲罐、LPG、LNG儲罐的罐頂絕熱結構。

網殼頂是大型儲罐罐頂常用結構，由網架與蒙皮共同組成。通常蒙皮與網架無連接。承載由網架承擔，蒙皮起密閉作用。目前網架的結構型式也比較多，從最初采用的雙向子午線型網架到目前的凱威特型、肋環型、聯方型、施威德勒型、單層、雙層網架頂等大致20多種結構型式。由于國內初期采用的雙向子午線型網架在施工或運行中出現過較大事故，國內部分專家進行了分析論證后認為，雙向子午線型網架屬于四邊形結構，其整體穩定性不及由三角形組成的網架結構，因此并不推薦采用雙向子午線型網架。現在設計中采用較多的網架型式有凱威特型，聯方型網架等。單層網殼結構通常用于D≤80m的儲罐。網殼頂的設計通常應考慮結構的穩定性、非線性，并采取有限元應力分析進行結構設計，如ANSYS、MSC、SAP2000、3D3S等國內外分析軟件。網架結構詳見圖10-15。

圖10 凱威特型

圖11 施威德勒型

圖12 肋環型

圖13 聯方型

圖14 雙層網架

圖15 網殼施工中

4.1.2 浮頂結構型式

浮頂罐分為外浮頂、內浮頂罐。通常浮頂罐指外浮頂儲罐，多用于易揮發介質的存儲，浮盤設置于介質液面之上，以減少介質的蒸發量。內浮頂罐為固定頂儲罐內設置內浮盤的一種結構型式。典型的浮頂罐結構型式見圖16-18。

圖16 內浮頂罐

圖17 雙層浮盤施工

圖18 外浮頂罐

浮盤型式有敞口隔艙式、浮筒式、單盤式浮頂、雙盤式浮頂等。單盤式浮頂周圍設環形密封艙，中間為單層盤板。雙盤式浮盤為整個浮頂均由隔艙組成。敞口隔艙式浮頂周圍設環形敞口隔艙，中間僅為單層盤板，僅用于內浮盤。浮筒式浮盤的船板不與液體介質接觸，由分布于船板下的浮筒提供浮力，僅用于內浮盤。

對于外浮頂，通常在設計中應考慮以下結構，浮盤結構的浮力提供系統、浮頂支柱、排水系統如正常的排水管以及緊急排水裝置、轉到浮梯及滑軌、自動通氣裝置、浮盤的導向及限位裝置、浮盤的密封系統、浮盤刮蠟裝置、浮盤的導靜電裝置、浮盤人孔等。

對于內浮頂，通常在設計中應考慮下述結構，浮盤結構的浮力提供系統、浮頂支柱、自動通氣裝置、浮盤的導向及限位裝置、浮盤的密封系統、浮盤人孔等。

4.2 罐壁結構型式

按罐壁的結構型式劃分，儲罐可以分為單壁罐、雙壁罐、三壁罐、薄膜罐等。單壁罐一般用于常溫介質的儲存，也是最常見的、用途最為廣泛的儲罐結構型式；雙壁罐多用于低溫介質或液化冷凍介質的存儲；三壁罐通常指三金屬壁儲罐，同雙金屬壁儲罐的主要用途一致，多用于LNG等低溫介質的存儲。

在低溫罐型中，如液化冷凍介質儲罐，按EN14620以及 GB/T26978的劃分可分為單容罐或單防罐、雙容罐或雙防罐、全容罐或全防罐以及薄膜罐。有金屬結構型式，也有預應力混凝土結構型式。預應力混泥土罐也屬于雙壁罐的一種特殊結構，外罐采用預應力混泥土結構，內罐采用金屬材質。而薄膜罐也屬于復合罐壁的一種特殊結構，罐壁由預應力混泥土作為承壓環墻，內壁由絕熱材質和薄膜隔離層組成，是LNG儲罐的新型結構型式。

(1)單容罐由一個儲存液體產品的主容罐組成，主容罐為自支撐式鋼制圓筒形儲罐。常用的單容罐有單壁單容罐、雙壁單容罐。單壁單容罐即外殼能同時承受低溫液相以及氣相，罐主體材料應為低溫材料建造；雙壁單容罐由主容罐(內罐)和次容罐(外罐)組成。內罐能同時承受氣液兩相，而外罐僅能滿足氣相密閉。內罐采用低溫材料，外罐可為常溫材料建造。單容罐的圍堰需滿足當主容罐中液體泄漏后的全部儲存能力，因此圍堰設置的距離需滿足罐體介質容積要求，通常所需占地面積較大。對于平面布置較緊張的裝置，不建議采用此罐型。單容罐結構詳見圖19-20。

圖19 單金屬壁單容罐

圖20 雙金屬壁單容罐

(2)雙容罐由一個具有液密性和氣密性的主容罐和液密性的次容罐組成。從定義上知，此類儲罐一般為雙壁型結構。與單壁單容罐的區別在于，外罐體可以短時存儲液相介質，但不能存儲氣相介質，外罐屬于上端敞口的儲罐。雙容罐的圍堰即為主容罐外緊靠的次容罐，可為金屬型，也可謂混泥土型結構，主要滿足主容罐內泄漏的液相介質存儲即可。雙容罐結構詳見圖21-22。

圖21 金屬雙容罐

(3)全容罐由一個主容罐和一個次容罐組成。主容罐是儲存液體產品的自支撐式、鋼制、單壁罐。次容罐或外罐能同時滿足液體和氣體介質的儲存。全容罐主要分為雙金屬壁全容罐、三金屬壁全容罐和預應力混凝土全容罐。三金屬壁全容罐由主容罐、次容罐和外罐組成，主容罐和次容罐均為低溫材料，外罐為常溫材料。全容罐的圍堰變成了罐體的一部分即外罐體，既可以滿足液相的儲存，也滿足氣相的密封。即使內罐泄漏，也不會對外罐造成較大的損傷，并滿足短時內的儲存要求。即不會造成二次災害的發生。全容罐結構型式詳見圖23-25。

圖22 混凝土雙容罐

圖23 雙金屬壁全容罐

圖24 三金屬壁全容罐

圖25 混凝土全容罐

(4)薄膜罐由一個薄的鋼制主容罐(薄膜)、絕熱層和一個混泥土罐共同組成。主容罐通常為1.2mm 左右的不銹鋼薄膜組成，次容罐(外罐體)采用預應力混泥土結構。主容罐與次容罐之間采用絕熱材料將兩罐體連接形成一個整體結構。其余外罐體的結構與預應力混泥土全容罐結構類似。薄膜罐結構詳見圖26-27。

圖26 薄膜罐

圖27 薄膜罐結構示意圖

(5)低溫工程中的子母罐型也通常用作低溫介質的存儲。其結構型式為大型外罐內包含多個獨立的小型儲罐。

上述低溫罐型的保冷絕熱設計是保證儲罐存儲性能的重要因素。單金屬壁單容罐的罐壁和罐底絕熱層均在儲罐外，罐壁同一般設備的外部保冷結構，罐底則采用低溫混凝土和泡沫玻璃磚的絕熱基礎結構。多層罐壁儲罐如雙金屬壁、三金屬壁、預應力混凝土罐其內部保冷絕熱結構基本一致，均采用內保冷結構型式。罐壁部分采用彈性氈與膨脹珍珠巖的絕熱層，罐底采用泡沫玻璃磚絕熱層。罐底與罐壁的連接部位根據罐型考慮是否設置熱角保護系統。預應力混凝土儲罐底部結構考慮二次底板與熱角保護系統形成一層二次隔離層，對外罐起到雙重隔離保護作用。而三金屬壁儲罐的中間罐層即次容罐也具有獨立的底板結構，其作用與預應力混凝土二次底板和熱角保護系統一致。薄膜罐的絕熱層和與介質接觸的隔離層直接于外罐體形成整體復合結構，外罐預應力混凝土作為承載結構，中間的絕熱層起到保冷作用，內部隔離層作為介質存儲容器。其結構的設計中應充分考慮環向、徑向、縱向的三維立體熱膨脹即熱應力問題。上述低溫罐型的罐頂絕熱結構均采用吊頂與纖維棉氈結構；儲罐的基礎通常采用高樁承臺結構。絕熱結構的設計需最終滿足儲罐存儲介質的日蒸發率相關要求。典型的低溫罐絕熱結構詳見圖28-29。

圖28 三金屬壁全容罐底部保冷結構

圖29 16萬方預應力混凝土全容罐保冷結構

大型低溫金屬壁儲罐、預應力混凝土儲罐、薄膜罐的結構設計較為復雜，除按標準規定程序進行常規計算外，還應輔以有限元應力分析對整體結構的溫度場熱應力、地震動載頻譜分析和響應分析、爆炸沖擊載荷分析、不同泄漏工況等進行驗證性分析。

(6)在罐壁的結構型式中，還有一種罐壁為分段可升降的特殊結構型式，如國內常用的氣柜結構，其主要作用是將壓力不穩定的氣源存儲在氣柜中，通過一定的配重和氣柜鐘罩的升降來保證輸出氣體的壓力穩定性。國內標準體系的氣柜容積從50m3到100000m3。氣柜分為干式氣柜和濕式氣柜。

干式氣柜分為稀油密封氣柜、干油密封氣柜、布簾式氣柜如橡膠密封干式氣柜等，廣泛應用于冶金行業，用于煤氣的存儲、煉鋼廢氣的存儲及循環利用，其結構見圖30-32。

圖30 干式氣柜結構圖

圖31 橡膠密封干式氣柜

圖32 稀油密封多邊形干式氣柜結構圖

濕式氣柜分為無外導架直升式氣柜、有外導架直升式氣柜、螺旋氣柜、單節氣柜和多節氣柜，多用于石化行業、市政燃氣、生化工程各裝置中，起到儲存、穩壓、緩沖、混合等功用，如化工行業中常見的乙炔氣柜、氯乙烯氣柜等，其結構見圖33。

圖33 有外導架濕式氣柜

4.3 罐底結構型式

按罐底結構型式劃分，可分為單層罐底儲罐和多層罐底儲罐。GB50341標準和API650標準體系均為單層罐底結構，EN14015標準中除單層罐底結構外還有雙層罐底結構的設計。雙層罐底結構不同于低溫罐型的二次底板結構，其實質是單層罐底的結構加強。

4.4 錨固結構型式

按儲罐的固定型式劃分，可分為錨固儲罐和無錨固儲罐。錨固罐分為地腳螺栓錨固罐和錨固帶儲罐。無錨固罐為經風載荷和地震載荷的設計計算后可以自身穩定的儲罐，可以不設置錨固結構。

5 結語

通過上述儲罐結構型式的分析匯總，對國內外儲罐結構進行較全面的了解和認識，有助于各類儲罐的設計與選型。在儲罐的結構設計中，常見的儲罐結構及其部件可以通過標準規范進行設計計算，但對于拱架結構、網殼結構、大型低溫儲罐等,還應采取有限元應力分析進行結構的穩定性、非線性、熱應力、動力響應等分析，確保儲罐結構設計的本質安全性。