化工企业立式圆筒形拱顶储罐的设计分析与探讨

魏 强，王 硕

（1.丹东市疾病预防控制中心，辽宁 丹东 118002；2.中国石化管道储运公司华东管道设计研究院，江苏 徐州221008）

立式圆筒形储罐是石油和化工等企业用来贮存液体原料及产品的主要设备。其中常压立式储罐是石油库中常用的储罐，根据不同的罐顶形式可分为固定顶储罐和浮顶储罐。拱顶储罐是中国使用比较广泛的一种固定顶储罐，拱顶罐的罐顶刚性好，施工方便，而且由于能承受较高的内压力，能够保证贮存介质具有良好的贮存环境，不受雨雪、风沙的影响。其罐顶是球面的一部分，由不小于4.5 mm（不包含腐蚀裕量）厚的钢板和肋板组成，可承受一定的正负压。固定顶储罐中的锥顶储罐和无力矩储罐，由于各自的缺点已很少使用。拱顶储罐用以贮存挥发性小的油品，如柴油、重油等。

1 贮罐设计、施工及验收遵循的标准规范

GB 50341-2003《立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》

SH 3046-1992《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》

GB 50128-2005《立式圆筒形钢制焊接储罐施工及验收规范》

2 罐壁的计算

罐壁主要承受贮存介质的侧向静压力，由于储罐的罐壁壁厚比罐的半径小的多，在理论上，认为罐壁是薄壁圆筒形壳体，在设计计算中，仅考虑环向薄膜应力的作用。罐壁的厚度是由强度条件确定的，另外，也必须考虑操作负压和风载荷作用下的稳定性。在地震设防区的储罐，还必须考虑在地震的条件下，储罐的安全、可靠性。

2.1 静液压力作用下罐壁的强度要求

圆筒形罐壁承受储液的静液压力，静液压力从上至下逐渐增大呈三角形分布，即沿着罐壁高度方向，罐壁上每一点承受的静液压力是不同的。在静液压力的作用下，薄壁圆筒形罐壁中每一点的应力不得大于钢板的许用应力，这是罐壁厚度设计的基本要求。

对于每一圈罐壁钢板而言，静液压力呈梯形分布，上端小，下端大。由于罐壁的高度通常总是大于钢板的宽度，罐壁总是用多圈钢板组焊而成。钢厂生产的钢板是等厚度的，对于每一圈钢板存在着以哪一点的静液压力为基准计算钢板厚度的问题[1]。

2.2 确定罐壁厚度的方法

拱顶储罐罐壁厚度的计算，一般采用定点设计法（固定点设计法）。对于每一圈罐壁，国内外广泛采用每圈罐壁板下端以上0.3 m处的液体静压力作为该圈罐壁的计算压力，罐壁设计厚度按下式[2]确定：

t1=0.004 9ρ（Hi-0.3）D/（[σ]tφ）+C1+C2

t2=4.9ρ（Hi-0.3）D/（[σ]φ）+C1

ti=max（t1，t2）

式中：t1-按照储液条件确定的设计厚度，mm；

t2-充水试验条件确定的设计厚度，mm；

ti-第i圈罐壁钢板的设计厚度，mm；

ρ-储液密度，kg/m3；

Hi-设计液面至第i圈钢板下端的高度，m；

D-储罐内直径，m；

[σ]t-设计温度下罐壁钢板的许用应力，MPa；

[σ]-常温下罐壁钢板的许用应力，MPa；

φ-焊接接头系数，φ=0.9；

C1-钢板的厚度负偏差，mm；

C2-腐蚀裕量，mm。

3 罐顶的设计

图1 拱顶罐简图

自支撑式拱顶罐与相同容积的自支撑式锥顶罐相比，其刚性较好，耗材量少，且能够承受较高压力，是目前应用最多的罐顶结构，拱顶罐简图见图1。在拱顶储罐罐顶的设计中，主要需要确定的是罐顶载荷。罐顶外载荷主要由罐顶的自重 （钢材及保温层重）、罐内在操作条件下可能产生的负压、雪载荷、安装检修人员及其携带工具的重量等组成，称为附加载荷。附加载荷通常情况下取1.2 kPa，而对于雪载荷超过0.6 kPa的地区，应将雪载荷的差值考虑在设计载荷中。

在拱顶储罐的设计中，在通常情况下，对于贮存易燃易爆介质的储罐，为避免在事故发生时罐内超压，罐顶包边角钢与罐顶之间的连接结构应选择，采用弱连接结构。弱连接设计的目的在于，万一储罐内部超压，顶盖可能从此处掀起而迅速减压，减小对罐体及罐底的破坏，避免造成更大的损失。按照GB50341-2003标准的规定，罐顶板与包边角钢采用弱连接结构时，连接处应满足GB50341-2003中7.1.6的要求[3]。在化工企业中化工产品复杂多样，是否选择弱连接结构，应视储罐内物料的特性及环保的要求而定。

目前，对于自支撑式拱顶储罐的罐顶，一般当储罐直径D＜12 m时，罐顶形式为光面拱顶；当D=12～ 32 m时，罐顶形式为带肋拱顶。对于光面拱顶的计算较简单，而带肋拱顶的计算较为复杂，但因其在国内应用非常广泛，又具有大量的工程实践经验，因此可以按照现行标准中的方法进行设计[4]。

4 地震载荷的考虑

在国内外，由于地震的原因使得储罐遭到损坏的事故已发生多次，有的还伴随着火灾、爆炸和环境污染等次生灾害。因此，在地震设防区建造储罐，为了保证其安全运行，必须进行抗震设计。

由于静液压力随液深增加，环向应力和变形由上而下逐渐加大，罐壁也由上而下变厚。对于钢制焊接储罐，罐半径与最厚的底圈壁板厚度之比往往超过1 000，所以，设计罐壁时只考虑环向拉应力作用，不考虑边缘效应引起的弯曲应力。但在罐底边缘板与罐壁连接部分，由于结构不连续而产生较大的边缘应力，在角焊缝附近，应力一般超过屈服极限，由于这种应力为二次应力，在设计中，不进行验算。从结构上看，这种圆筒形储罐对于承受静液压力是非常有效的，能充分发挥金属的抗拉性能，并有良好的延性，因而节省材料，在工程中得到广泛应用。虽然满罐时，底圈壁板与罐底边缘板连接处的名义弯曲应力已使材料进入局部屈服阶段，形成塑性铰[5]。这种结构显得柔而强度不足，但工程经验表明它的安全度在静液压力下是足够的，而储罐的抗震性能降低。

在近年的国内外震害中，储罐的震害屡见不鲜，震害多在软土场地且储罐均接近满罐时。归纳起来有以下几个方面。

（1）罐顶的损坏。拱顶的破坏表现为罐顶与罐壁连接处开裂、拱顶曲屈等。

（2）罐壁的损坏。这种破坏的典型形状是壁板外鼓，形状如管道上的波形膨胀节。

（3）焊缝破裂。罐壁与罐底边缘板之间的焊缝发生破裂，这可能是由于水平地震载荷、罐内液柱压力和基础不均匀沉降等因素共同作用的结果，这种破坏往往造成储油大量外流，污染环境。

（4）管接头及附件的破坏。这种破坏是由于储罐的翘离移位和沉陷造成，可采取管接头采用柔性连接等方法防止。

5 储罐的焊接设计

罐壁与罐底的受力情况是，常压下操作的储罐装满储液后，罐壁所受内压力只有液体静压力，该压力沿罐壁由上而下逐渐增大，该内压使罐壁产生环向应力与变形，由于罐底板对罐壁的约束，在罐壁底部周向应力减少，但使罐壁产生边缘应力。由于罐壁的径向刚度小，该边缘应力的作用范围小，其值亦小于环向应力值。罐底板中间部分相当于一个铺在弹性基础上的薄板，承受下方基础的支撑力和上方液体的压力，当基础均匀下沉时，底板中间的受力是很小的。但是，边缘板外端翘起变形，罐壁的垂直刚度大，约束了边缘板的外翘，使边缘板受到约束弯矩。同时，由于罐壁周边变形受到罐底板的约束而对罐底边缘板产生反作用，又使边缘板受到一个径向弯矩。

由此可见，罐底边缘板受力复杂，且计算应力值较高，特别是在罐壁与罐底的角焊缝处，应力值最大，且该值不是定值，随液位变化而发生变化，虽然频率很低，但应力值高，如果这一区域存在裂纹，容易产生断裂事故。这就要求焊缝尽量避免产生各种缺陷，同时，要具有较高的冲击韧性。

6 结语

拱顶储罐多贮存易燃易爆或者有较强腐蚀性的介质，一旦发生事故，将会严重危害国家利益和人民的生命财产安全。安全第一是设计最重要的原则，所以必须严格按照国家相关标准规范的要求进行设计。

［1］李世玉.压力容器设计工程师培训教程.北京：新华出版社，2005.

［2］SH3046－1992，石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范.

［3］GB50341－2003，立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范.

［4］朱 萍，石建明.大型立式圆筒形储罐设计中的几个问题的探讨.化工装备技术，2006，27（4）：16－21.

［5］吴海陆.石油储罐设计的几个问题.广东化工，2002，29（4）：34－37.