大型立式储油罐结构设计

1 储罐及其发展概况

油品和各种液体化学品的储存设备—储罐是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。由于大型储罐的容积大、使用寿命长。热设计规范制造的费用低，还节约材料。

20世纪70年代以来，内浮顶储油罐和大型浮顶油罐发展较快。第一个发展油罐内部覆盖层的施法国。1955年美国也开始建造此种类型的储罐。1962年美国德士古公司就开始使用带盖浮顶罐，并在纽瓦克建有世界上最大直径为187ft（）的带盖浮顶罐。至1972年美国已建造了600多个内浮顶罐。

1978年国内3000m3铝浮盘投入使用，通过测试蒸发损耗标定，收到显著效果。近20年也相继出现各种形式和结构的内浮盘或覆盖物[1]。

世界技术先进的国家，都备有较齐全的储罐计算机专用程序，对储罐作静态分析和动态分析，同时对储罐的重要理论问题，如大型储罐T形焊缝部位的疲劳分析，大型储罐基础的静态和动态特性分析，抗震分析等，以试验分析为基础深入研究，通过试验取得大量数据，验证了理论的准确性，从而使研究具有使用价值。

近几十年来，发展了各种形式的储罐，尤其是在石油化工生产中大量采用大型的薄壁压力容器。它易于制造，又便于在内部装设工艺附件，并便于工作介质在内部相互作用等。

2 设计方案

各种设计方法

正装法

此种方法的特点是指把钢板从罐底部一直到顶部逐块安装起来，它在浮顶罐的施工安装中用得较多，即所谓充水正装法，它的安装顺序是在罐低及二层圈板安装后，开始在罐内安装浮顶，临时的支撑腿，为了加强排水，罐顶中心要比周边浮筒低，浮顶安装完以后，装上水除去支撑腿，浮顶即作为安装操作平台，每安装一层后，将上升到上一层工作面，继续进行安装。

倒装法

先从罐顶开始从上往下安装，将罐顶和上层罐圈在地面上安装，焊好以后将第二圈板围在第一罐圈的外围，以第一罐圈为胎具，对中点焊成圆圈后，将第一罐圈及罐顶盖部分整体吊至第一、二罐圈相搭接的位置，停于点焊，然后在焊死环焊缝。用同样的方法把下面的部分依次点焊环焊，直到罐底板的角接焊死即成。

卷装法

将罐体先预制成整幅钢板，然后用胎具将其卷筒，在运至储罐基础上，将其卷筒竖起来，展成罐体装上顶盖封闭安装而建成。

各种方法优缺点比较

正装法

这种装焊方法需要采用多种设备和装配夹具，大多数装配焊接都要搭脚

手架，此外，装配工作在吊架吊台上工作，不仅操作不方便，不宜保证焊接质量，还花费时间，而且高空焊接薄钢焊接容易变形，工序烦琐，各工种相互制约，施工速度慢，也不安全，所以在大型储罐中很少采用正装法。

倒装法

这种方法不用搭脚手架，并且操作人员是在地面上工作，安全增加，有利于提高工程质量，但相比于卷装法来说，由于倒装法也是在工地作用，因此劳动强度还是比较大，而卷装法生产效率和产品质量上都比前两中大有提高。

综上所述，采用卷装法。

油罐的基础

为了确保有一个稳定性，排水良好，具有足够承载能力，必须建造油罐基础或底座，大的油罐常需带有混淋土的基础，以便把整个基础封闭起来，增加稳定性。油罐基础座，根据油罐的类型，容易满足生产使用要求，地形、地貌、地基条件，以及施工技术条件的因素。合理选用的油罐基础有以下常见几种：护坡式基础、环墙式基础、外环墙式基础、特殊构造的基础。

根据比较选用，护坡式基础[2]。

3 罐壁设计

罐壁的强度计算

罐壁厚的计算

)(][2mm C P

PP t

i

++=

ψσσ （） 式中：P —设计压力：（Mpa ）；

i P —罐的内径：15000（mm ）；

t ][σ—设计温度下材料的许用应力230（Mpa ）；

ψ—焊缝系数：查表得；

1C —钢板的负偏差（mm ）；

2C —腐蚀裕度KB =2C ；

K —腐蚀，轻微腐蚀（mm ）； B —容器的使用寿命10年；

3C —壁厚减薄量0（mm ）；

∴mm 1004.98.12

.09.023*******

2.0=≈++???=

δ

取mm 10=δ 罐壁的应力校核

[][]MPa MPa c c D p i t 23036.2039

.0)8.110(2)8.110(150002.0)(2)(<=?-?-+?=--+=

?δδσ） 故满足材料要求 按照试验应力公式校核

s i T T c c D P σψ

δδσ9.0)(2)]

([≤--+=

（）

式中：s σ—为材料的屈服极限MPa s 345=σ,MPa P T 2.0=

∴MPa T 2.2549

.0)8.110(2)

8.110(15000[25.0=?-?-+?=

σ

mm 10=δ

MPa

t

36.203=δ

MPa T 2.254=σ

而 MPa MPa s 5.3103459.09.0=?=σ

MPa MPa s T 5.3109.02.254=<=∴σσ

故满足要求。

储罐的风力稳定计算

抗风圈

浮顶储罐没有固定顶盖，为使储罐在风载作用下保持上口圆度，以维持储罐整体形状，故需在储罐上部整个圆周上设置一个抗风圈。 抗风圈所需要的最小截面系数W Z

假定作用月储罐外壁还风面的风后按正弦曲线分布。风取分布范围所对应的抗风圈区段为两段较的圆拱，如图[4]所示，圆拱所对应的圆心角为 60°

图 抗风圈区段

储罐上半部罐壁所承受的风载荷有抗风圈承担

]

[σωmzx

Z M =

式中Z ω—抗风圈所必须的最小截面系数（m 3）； ][σ—材料许用应力（Mpa ）； 且MPa s 345=σ MPa 5.3103459.0][=?=σ

mzx M —圆拱的跨中弯矩（N ·m ）；

122

2

0m ax -=

θ

πR P M （）

式中R —储罐半径.（m ）；

θ—圆拱对应的圆心角 弧度047.160=?=θ； P 0—罐壁驻点线上单位弧长的风载荷（N ·m ）；

由风洞实验得出H P H P P 11032.08.08.05.0=??

=）（ H —罐壁全高（m ）； P 1—设计风速（N/m 2）；

0111ωK K P =

其中体形系数K 1=7.0=D

H

,风速高度变化，系数15.12=K (取离地15m 高处的值)

则有0207.0HW D Z =ω 式中D —储罐直径（m ）；

0ω—建罐地区的基本风速（N/m 2）；查表得550（N/m 2）； Z ω—抗风圈所必须的最小截面系数（mm 3）；

在选择抗风圈截面时，应满足使抗风圈的截面系数Z ωω≥min 则有:

21/75.44255015.17.0m N P =??=

2

1

/75.442m

N P =

m

N P /64.14870

=

m N H P P /64.14875.1075.44232.032.010=??== m N P M /47.104671

047.114

.35.72

2

20m ax

=-?= 37max 1037.35

.31047

.10467][mm M Z ?===

σω 取34min 105.3mm ?=ω

当抗风圈遇到盘梯而需开口时，应进行加强，使其断面系数不低于 。开口的罐壁应采用角钢加强，角钢两端伸出开口的长度应不小于抗风圈的最小宽度。抗风圈腹板开口边缘应采用垂直安放的扁钢加强。

抗风圈的外周边可以是圆形或多边型，它可以采用型钢或型钢与钢板的组合件制成。所用的钢板最小厚度为5mm 。角钢的最小尺寸为63×6，如图所示抗风圈形式。为满足强度条件，抗风圈本身的接头必须采用全焊透的对接焊缝，抗风圈与罐壁之间的焊接，上表面采用连续满角焊，下面可采用断焊。 加强圈计算

在风载荷作用下，罐壁筒体应进行稳定性校核，防止储罐被风吹瘪。判定储罐的侧压稳定条件为

0P P cr ≥

式中P cr —罐壁许用临界应力（Pa ）； P 0—设计外压（Pa ）； 罐壁许用临界应力的计算

由SH3046—92推荐的方法，得在外压作用下的临界压力公式

L

D E P cr 5.15

.259.2δ=

式中P cr —临界压力（Pa ）；

E —圆筒材料的弹性模量：192×109（Pa ）； σ—圆筒壁厚（m ）；

m

N M /5.10467max

=

D —圆筒直径（m ）； L —圆角长度（m ）；

Pa P cr 4

5

.15.2391082.05

.1015)1010(1019259.2?=?????=- 罐壁设计外压计算 罐壁设计外压用下式表示，即

q w P Z S +=0025.2μμ （）

式中P 0—罐壁设计外压（Pa ）； s μ —风载荷体形系数； z μ —风压高度变化系数； 0w —基本风压（Pa ）； q —罐内负压（Pa ）；

对固定顶储罐，罐壁的设计外压计算公式为：0

q w P Z +=0025.2μ （）

0w —基本风压（Pa ）；

s μ —风载荷体形系数；

Cr P Pa P <=??+??=3.126603.08002.15500.125.20

故满足要求。 加强圈数量及间距

a

cr

p P 4

1082.0?=

Pa

P 3.12660

=

由于P cr > P 0，所以在罐壁上不需要设置加强圈。

储罐的抗震计算

地震载荷的计算 自震周期计算

储罐的罐液耦连震动基本自震周期为

3

51]7147

.0[10743.7δD

D

D H e

T w D

Hw +?=- （） 式中 T 1—储罐的罐液耦连震动基本自震周期（s ）； e —自然对数的底：；

Hw —储罐底面到储液面的高度：； D —储罐的内直径：15mm

3δ—位于罐壁高度1/3处的罐壁名义厚度：10×10-3m 则)(10131.110

101515]155.107147.0)

718.2[(10743.72

315

5

.105

1s T ---?=????

+?= 水平地震作用几效应计算

g m K F eq Z H α= （） ?L eq m m = （）

式中 H F —储罐的水平地震作用（N ）；

α—水平地震影响系数，按罐液耦连震动基本自震周期确定

s

T 2

1

10131.1-?=

m eq —等效质量（Kg ）； m L —储液质量（Kg ）； g —重力加速度取s2 ?—动液系数；

K Z —综合影响系数取K Z =；

kg H D m Kg V m L 14836505.10154

8004

/80022

3

=???

=?

==π

πρ油

Kg m eq 05.252221483650017.0=?=∴

N F H 49.8115681.905.2522282.04.0=???=∴

水平地震作用对罐底的倾覆力矩

M 1=m N H F W H /42.3834645.1049.8115645.045.0=??=?

罐壁竖向稳定许用临界应力计算 第一周罐壁的竖向稳定临界应力

1

1

D E

K C cr δσ=

]1706

.01][0429

.01[0915.01

1

H

D H

K C -+=δ 第一周罐壁稳定许用临界应力

η

σσ5.1][cr

cr =

式中 E —罐壁材料的弹性模量（Pa ）； D 1—第一圈罐壁的平均直径（m ）；

05

.25222=eq

m N F H

49.81156=

42

.3834641

=M

165.0=C K

1σ—第一圈罐壁的有效厚度（m ）；

H —罐壁的高度（m ）； K C —系数； η—设备重要度差别；

165.0]5

.10030

.151706.01][010.05.100429

.01[0915.0=-+?=∴C K Pa D E K C cr 76111011.2030

.15010

.010192165.0?=???==

δσ Pa cr cr 77

1041.100

.15.11011.25.1][?=??==∴ησσ

抗震验算

罐底周边单位长度上的提离力

2

1

1

4D M Ft π=

（）

g H F S W y b L ρσδ=0 （）

式中 Ft —罐底周边单位长度上的提离力（N/m ）；

F L0—储液和罐底的最大提离反抗力（N/m ）； 当其值大于g S 10.02HwD ρ时，取g S 0.02HwD1ρ；

σy —罐底环形边缘板的屈服点（Pa ）；

)m b 度（罐底环形边缘的有效厚-δ P X —储液密度（Kg/m 3）；

Pa D gy P b y 24.76010.02030

.15]10)5.1081.925.1101325([2]10)([

6

60=????+=?+=∴δρσ []

Pa

cr 7

1041.1?=σ

Pa y 24.76=σ

m N F t /1016.203

.1542.38346443

2

?=??

=π m N F L /06.2581.98005.1024.76010.00=????=

m N g D H S W /1048.2030.1581.98005.1002.002.041?=????=ρ

g D H F S W L ρ1002.0< m N F L /06.250=∴

罐底周边单位长度上的提离反抗力

1

1

0D N F F L L π+

= （） 式中L F —罐底周遍单位长度上的提离反抗力（N/m ）；

N 1—第一圈罐壁底部所承受的重力（N ）；

N g m N L 611046.181.91483650?=?==∴

m N F L /1009.303

.1514.31046.106.2557

?=??+=

无锚固储罐应满足的条件

罐底部压应力 1

1

11Z M A N C +=

σ （） 式中 C σ—罐壁底部的竖向压应力（Pa ）； A 1—第一圈罐壁的截面积，111A σπD = (m);

Z 1—第一圈罐壁的截面抵抗矩，12

110.785D Z σ=（m ）；

Pa c 7

2

71012.3010

.003.15785.042.383464010.003.1514.31046.1?=??+???=∴σ 由于 []cr c σσ>

所以采取用锚固螺栓通过螺栓座把储罐锚固在基储上。

m

N F l

/1009.35

?=

Pa

c

7

1012.3?=σ

m

N F t

/1016.23

?=

m N F l /06.250=

锚固螺栓应力

bt r

bt

nA N D M ]4[

11

-=

σ （） ][bt bt σσ≤

式中bt σ—地脚螺栓的拉应力，若bt σ≤0，则地脚螺栓的拉应力为0（Pa ）；

n —地脚螺栓的个数（20个）；

bt A —个地脚螺栓的有效截面积（m 3）；

Dr —地脚螺栓的中心圆直径（m ）；

bt σ[]—地脚螺栓抗震设计的许用应力（Pa ）；

η

σσ]

[] [0=

bt ； ][2.1][0t σσ=； MPa t 230][=σ；

MPa bt 27600

.1230

2.1][=?=

∴σ

][1032.2]1046.107

.042

.3834644[

4

201862

bt bt Pa d σπσ

=

故满足要求 液面晃动波高计算 罐内液面晃动波高

R h V αζζ21=； W T 08.085.12-=ζ；

式中1ζ—浮顶影响系数，取；

Pa

bt

8

1032.2?=σ

49.5=v h

2ζ—阻尼修正系数，当W T 大于10s 时，取2ζ=； α—地震影响系数，取；

s s D

H h c g D

T W W 1087.18)68.3(68.32>=+=π

（） 故取2ζ=；

m h V 49.55.782.005.185.0=???=

地震对储罐的破坏

储罐在地震时的破坏，重要有1.储罐本身的震害，如浮顶沉没，焊缝破裂，罐壁下部屈服等。2.液面晃动对储罐的危害，晃动造成的液体高度变化对罐壁产生的动液压一般不大，但产生的冲击力，有可能破坏罐顶和罐壁顶部的焊缝3.储液负数设备和基础发生破坏。 储罐抗震加固措施

当验算核实罐壁厚度不满足抗震要求时，应采取加补强板，加强环，支撑等加固措施。

1.

加强板在最下层壁板圆孔以下罐内（外）沿罐壁圆周增设宽度不小于300mm ，厚度不小于4mm 的钢板加强，加强板要和壁板底板焊牢，并保证焊接质量 2.

加强环可在罐内或罐外设置，距离罐的水平焊缝不得小于150mm 。加强环与罐壁连接成型，其截面尺寸按储罐的直径决定。见表[1]。

表加强环尺寸

储罐直径（m）加强环尺寸备注

D L100×63×8采用其他形状的截面，其断面系数应相同

20

罐壁结构

截面与连接形式

罐壁为一个圆柱形的钢板焊接结构，由于该罐壁是等厚度的且较厚，因此各板之间采用对接，即所有的纵向焊缝及环焊缝均采用对接，这样可以减轻自重。

罐臂的下部通过内外角焊缝与罐底的边缘板相连，上部有一圈包边角钢，这样既可以增加焊缝的强度，还可以增加罐壁的刚性。

在液压作用下，罐壁中的纵向应力是占控制地位的。即罐壁的流度实际上是罐壁的纵焊缝所决定的。因而壁板的纵向焊接接头应采用全焊透的对接型。常见的罐壁纵向焊接接头如图所示。

图罐底纵向焊接接头形式

为减少焊接影响和变形，相邻两壁板的纵向焊接接头宜向同一方向逐圈错开1/3板长，焊缝最小间距不小于1000mm。底圈壁板的纵向焊接接头与罐底边缘板对接焊缝接头之间的距离不得小于300mm。以内径为基准的对接如图。

图以内径为基准的环向对接接头形式

底层壁板与罐底边缘板之间的连接应采用两侧连续角焊。在地震设防烈度不大于7度的地区建罐，底层壁板与边缘壁板之间的连接应采用如图的焊

接形式，且角焊接头应圆滑过渡，而在地震小于7度的地区可取K

2=K

1

[3] 。

图底层壁板与边缘板的焊接

罐壁的开孔补强

罐壁上的开孔可为圆形，椭圆形，当开设椭圆形时，孔的长径与短径之比应不大于，其长轴方向最好为环向。开孔补强计算采用等面积法，当孔直径D≤100mm时，可不考虑补强。

罐壁开空按管补强板外缘与罐壁纵向焊接接头的距离不得小于250mm，与环向焊接接头之间的距离不得小于100mm。

壁板宽度

壁板宽度越小，材料就越省。但环向接头数就越多，增加安装工作量。我国一般取壁板厚度不小于1600mm。

罐壁保温结构

与罐壁相焊接的保温结构在与罐壁相焊时，应用罐壁焊缝施焊的焊接工艺和与罐壁材料相适应的焊接材料。避免对罐壁造成伤害。

保温支撑件可用型钢或用扁钢焊接而成，支撑件的承面宽度应小于保温层厚度10—20mm。支撑件间距，高温介质时不大于2—3m，中低温介质不大于3—5m。支撑件的位置应设在阀门或法兰上方，其位置不能影响螺栓的拆卸。

4 罐底设计

罐底结构设计

罐底的结构形式和特点

采用倒圆锥形罐底。这种罐底及其基础成倒圆锥形。中间低四周高，罐底坡度一般取2%—5%。随排除污泥杂质，水分的要求高低而定。在罐底中央