立式圆筒形自支撑式拱顶储罐“弱顶结构”的合理设计

周颖(镇海石化工程股份有限公司 宁波 315042)

立式圆筒形自支撑式固定顶储罐主要用于储存石油和各种液体化学品，是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。自支撑式固定顶储罐最常见的形式有自支撑式拱顶储罐和自支撑式锥顶储罐。自支撑式锥顶储罐其锥形罐顶是一种形状接近于正圆锥体表面的罐顶，锥顶坡度最小为1/6，最大为3/4。自支撑式拱顶储罐其拱形罐顶是一种接近于球形形状的一部分，拱顶R=0.8～1.2D。固定顶储罐在设计时有一个特定概念“弱顶结构”，即罐顶与罐壁连接处先于罐壁和罐底板破坏，避免罐壁和罐底板先破坏导致介质的泄漏而引起的次生灾害。罐顶与罐壁连接处破坏，通常是包边角钢先屈曲，随后是罐顶板周边的角接焊接接头撕裂。规范GB50341-2003《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》第7.1.6条通过限制罐壁与罐顶连接处尺寸来规范弱顶结构的设计。自支撑式锥顶储罐可以满足GB50341-2003中弱顶结构的要求，但自支撑式拱顶罐的外形尺寸是无法满足规范GB50341-2003中弱顶结构条件的。由于支撑式拱顶储罐结构简单，刚性好、施工方便，钢材利用率高，在我国被广泛应用。因此就要通过计算及合理结构设计来保证罐顶与罐壁连接部位最先破坏。

立式圆筒形自支撑式拱顶储罐由罐底、罐壁和拱顶组成。罐壁为一个圆柱形，由若干圈钢板焊接而成。罐壁的上部有一圈包边角钢与拱顶连接。罐壁的下部通过内外角焊接接头与罐底的边缘板连接。设计中选择可焊性好的材料，并根据钢材的厚度，使用温度提出恰当的冲击韧性指标；施工中提高罐壁、罐底的焊接接头质量，减少缺陷；可有效防止了罐壁、罐底破坏。但罐底与罐壁连接的焊接接头处于高应力区，容易发生脆性破坏。因此立式圆筒形自支撑式拱顶储罐的“弱顶结构”，可以理解为罐顶与罐壁连接处先于罐壁和罐底连接处破坏。

罐顶是自支撑式拱顶，形状近似球面，周边支承于罐壁上端的包边角钢上，球面由瓜皮板和中心顶板组成。罐顶与罐壁连接部位在几何形状上是不连续的，当储罐承受正压时，罐顶和罐壁连接部位将产生环向压应力；当储罐承受外载荷(包括负压)时，罐顶和罐壁连接部位将产生环向拉应力。因此设计时应根据储罐设计正压及外载荷(包括设计负压)计算出罐顶与罐壁连接部位需要的面积。然后确定罐顶与罐壁连接处结构，根据设计结构确定实际截面积并计算出罐顶与罐壁连接处结构发生屈曲的破坏压力。本文通过对一台立式圆筒形自支撑式固定顶储罐设计计算，确定罐顶与罐壁连接部位需要的截面积及其发生屈曲的破坏压力、罐壁底部不被抬起的最大内压，并进行分析，为立式圆筒形拱顶储罐“弱顶结构”的合理设计提供建议。

一、设计实例

1.设计实例：一台立式圆筒形自支撑式固定顶储罐，其设计参数见表1

表1 立式圆筒形自支撑式固定顶储罐设计参数

2.罐顶与罐壁连接部位需要的面积A

设计外荷载：P外=附加荷载+顶板重力荷载+顶板加强构件重力荷载

设计外荷载需要的面积A 1：

设计正压：P内=2500Pa=2.5kPa

设计正压荷载需要的面积A 2：

根据储罐设计正压、外载荷(包括设计负压)计算出罐顶与罐壁连接部位需要的面积A：

罐壁与罐顶连接处采用弱连接结构时，罐顶与罐壁连接部位限制的面积AL：

显然根据储罐设计正压、外载荷(包括设计负压)计算出罐顶与罐壁连接部位需要的面积A大于罐壁与罐顶连接处采用弱连接结构时罐顶与罐壁连接部位限制的面积AL，不满足GB50341第7.1.6条弱连接结构的要求。再来看看罐壁和罐底连接结构。

罐壁底部不被抬起的最大内压Pmax按下式计算：

根据设计外荷载需要的截面积933mm2可以计算出罐顶与罐壁连接处允许的最大内压载荷P：

如罐顶与罐壁连接处结构已确定，可根据确定的结构计算出A，然后再计算出允许的最大内压载荷P。计算出允许的最大内压载荷P后，可计算出罐顶与罐壁连接处结构发生屈曲的破坏压力Pf：

由以上计算可知P＜Pmax＜Pf，本储罐在罐顶与罐壁连接处结构发生屈曲的破坏压力前，储罐罐壁底部已离开地面，容易造成罐底破裂。为防止这种现象，可通过设置压力泄放口来防止罐内压力不断上升导致罐壁底部被抬而破坏。压力泄放口的设定压力不应大于罐壁底部不被抬起的最大内压Pmax且不大于罐顶与罐壁连接处结构发生屈曲的破坏压力Pf的80%。也可采取另外措施防止罐壁底部被抬而破坏。

二、罐底与罐壁连接处

在许多情况下，为了减少低沸点储液在储存时的蒸发损耗，保护环境等原因，常常需要提高储罐压力泄放口的设定压力及储存压力。同时在储罐设计中应考虑风载荷和地震载荷引起的升举力。当升举力的总和超过储罐和罐顶重量时，会使储罐罐壁底部离开基础，造成罐底破裂。为防止这种现象出现，储罐罐壁可设置必要的平衡物或设计锚栓结构来平衡升举力。其中设置锚栓结构是解决储罐罐壁底部被抬起的一种常用方法。

罐底由边缘板和中幅板组成。中幅板铺设在基础上，除非基础有过大的沉陷，中幅板所受应力是很小的。边缘板通过内外角焊接接头与罐壁连接，所受的力就复杂多了。罐壁在液体静压力载荷及罐内气相空间压力载荷的作用下将发生径向变形，但在边缘板与罐壁连接处罐壁的径向变形受到了约束。根据应力实测和理论计算[3]，罐底边缘板与罐壁连接的焊接接头处于高应力区，且其所受的径向应力和环向应力均属于二次应力，由于自限性，虽然超过屈服强度，但可用两倍的屈服强度进行校核。但此处所受的应力是随罐内压力、液位的变化而变化着。在高应力区，如在罐底边缘板与罐壁连接的焊接接头处存在缺陷，那么缺陷就会扩展，从而造成脆性破坏。因此罐底边缘板与罐壁连接的焊接接头的质量控制变得很重要。设计中应选择可焊性好的材料，并根据钢材的厚度，使用温度提出恰当的冲击韧性指标。施工中罐底边缘板与罐壁连接的焊接接头应采用焊两遍或三遍成形，加强检测减少缺陷。

通过获得罐底与罐壁连接处的高质量焊接接头，并采取措施防止罐壁底部被抬起，有效防止了罐底与罐壁连接处先于罐顶与罐壁连接部位破坏。达到“弱顶结构”的设计目的。

结语

1.GB50341第7.1.6条通过限制罐壁与罐顶连接处尺寸来规范弱顶结构的设计。自支撑式锥顶储罐可以满足其弱顶结构的要求，但自支撑式拱顶罐的外形尺寸是无法满足其弱顶结构条件的。

2.罐顶与罐壁连接处破坏，通常是包边角钢先屈曲，随后是罐顶板周边的角接焊接接头撕裂。因此罐顶板周边的角接焊接接头尺寸应符合GB50341第7.1.6条的要求。

3.“弱顶结构”可以理解为罐顶与罐壁连接处先于罐底与罐壁连接处破坏。设计时，根据设计正压及外载荷(包括设计负压)计算出罐顶与罐壁连接处需要的截面积，然后确定罐顶与罐壁连接处结构，根据设计结构确定实际截面积并计算出罐壁底部不被抬起的最大内压Pmax及罐顶与罐壁连接处结构发生屈曲的破坏压力Pf。判断是否在罐顶与罐壁连接处结构发生屈曲的破坏压力前，储罐罐壁底部已离开基础。如果Pmax≤Pf可根据储罐的实际情况设置压力泄放口来泄放罐内压力，或设置平衡物、设计锚栓结构来平衡升举力，防止储罐罐壁底部离开基础。

4.设计中应选择可焊性好的材料，并根据钢材的厚度，使用温度提出恰当的冲击韧性指标。施工中提高罐壁、罐底及其连接处的焊接接头质量，加强检测减少缺陷。可有效防止了罐壁、罐底及其连接处先于罐顶与罐壁连接部位破坏。达到“弱顶结构”的设计目的。

[1]GB50341-2003立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范[S].

[2]API650Welded Steel Tanks forOilStorage[S].

[3]徐英，杨一凡，朱萍球罐和大型储罐[M].北京：化学工业出版社,2005.