API620低压储罐设计

秦赟（上海众一石化工程有限公司， 上海 200540）

API620低压储罐设计

秦赟（上海众一石化工程有限公司， 上海 200540）

以API620《大型焊接低压储罐设计和建造》为依据，以5000m3轻石脑油低压储罐为例，对低压储罐不同于常压储罐在罐壁、承压环、锚固等方面的设计做简要介绍。

API620；低压储罐；罐壁；承压环；锚固；设计

在许多情况下，为了减少低沸点储液在储存时的蒸发损耗，或因紧急排空等的需要，常需提高储罐的储存压力。因此，需要承压较高的储罐结构形式。这种情况下，国内标准GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》（设计内压不大于18kpa）就不在适用，而美国石油学会规定的API620标准《大型焊接低压储罐设计和建造》适用于设计压力不高于0.105 MPa的钢制焊接储罐的设计和制造。现以笔者承接的工程项目中5000m3轻石脑油低压拱顶储罐为例，对低压储罐不同于常压储罐在罐壁、承压环、锚固等方面按照API620标准规范设计的要点进行简要介绍。

1 设计说明

5000m3轻石脑油的低压拱顶储罐主要设计条件如表1：

表1 5000m3轻石脑油的低压储罐设计条件表

2 罐壁设计

2.1 分析

API620中罐壁的设计方法是自由体分析法，自由体分析是确定作用在罐体上力的大小和方向的一种设计步骤。在选定的分析平面处，罐体及罐内介质处于静力平衡，假定有一个水平面在所考虑的高度横切罐体，将剩余部分作为一个自由体进行分析，由自由体静力平衡条件求出罐壁经向和周向单位力的大小和方向。并根据罐体材料的许用应力、焊缝系数确定计算壁厚，再考虑厚度附加量最后圆整为罐壁的名义厚度。罐壁的设计过程如图1。

图1 低压储罐罐壁设计过程图

2.2 计算经向和周向单位力

根据API620，由自由体静力平衡条件，可得壳体的经向和周向单位力的计算公式，

式中：T1为在给定的水平面处，壳体上纬向单位弧长的经向单位力，N/mm，正值则表示受拉；T2为在给定的水平面处，壳体上经向单位弧长的纬向单位力，N/mm，正值则表示受拉；RC为储罐内半径， RC=10500mm

P为某在特定的载荷工况下，作用在给定平面上的总压力，单位为MPa。

P=PL+Pg

式中：PL为在给定水平面处的介质液体的静压头，单位为MPa；Pg为储罐液面上方的气相压力，MPa；W为储罐被给定平面剖分后，作为自由体部分的及其所包含物料的总重力，N。F为所有内外部钢结构或支承等作用在自由体的力的垂直分力的总和，当其产生的效果和自由体水平面上的压力P方向相同时，F与P的符号相同；否则，F与P的符号相反；NAt为所考虑平面上储罐内部的横截面积，mm2。

2.3 罐壁厚度计算

按API620，罐壁厚度为：t=T/（［σ］tφ）+C（1）

T=Max（T1，T2），对本罐而言，T2＞T1

式中：［σ］t为设计温度下，罐壁材料纯拉伸许用应力，MPa；φ为焊接接头系数，取0.85；C为厚度附加量，mm；壁板分为8层，以底层壁板为例：当进行充液的时候

充水试验时

取两者中较大值并圆整后得t=24mm。各圈壁板厚度计算结果见表2。

式中：ρ为储液密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

表2 各圈壁板厚度计算结果mm

3 罐顶--壳体连接节点及承压环的设计

由于储罐内压的作用，顶部的经向薄膜应力的水平分量将向内推，此推力在接头处产生环向压缩应力，并由该处的承压结构来承担，此承压结构简称为承压环。承压环应包括罐顶与罐壁连接处的部分罐壁与罐顶。在任何情况下，连接处的罐壁和顶板厚度不应小于标准所规定的厚度，承压环的承压区域面积必须要大于承压区域所需面积。

3.1 承压环的承压区域面积

本储罐选用承压环结构如图2所示，构成抗压环有效面积的板宽按下式计算：

罐壁有效部分最大宽度Wc：

Wc=0.6（Rctc）1/2对本罐，经计算Wc=404.10mm

式中：Rc为罐壁与罐顶连接处的水平半径，对本罐为10500mm；tc为顶部罐壁板的有效厚度，对本罐为43.2mm。

故罐壁有效截面积As=17457.08mm2

罐顶有效部分最大宽度Wh：

Wh=0.6（R2th）1/2对本罐，经计算Wh=515.86mm

罐顶板外伸部分有效宽度如图3，Lh=500mm

式中：R2为罐顶与罐壁连接处沿罐顶法线至罐的中心轴的距离，对本罐为16800mm；th为罐顶板的有效厚度，对本罐为44mm。

故罐顶有效截面积Ah=47234.29mm2。

罐顶与罐壁连接处实际有效截面积A=64691.37mm2

3.2 承压区域所需面积计算（按压力试验工况计算）

罐顶与罐壁连接处罐顶经向单元力T1：

T1=R2（P+ω）/2=913.30N/mm

罐顶纬向单元力T2：T2=R2（P-ω）/2=949.52N/mm

式中：ω为单位面积顶板与加强筋的重力ω=-0.00095MPa罐壁纬向单位元力T2S：T2S=pRc=1335.32N/mm，作用在通过承压环区域垂直横截面上的总环向力Q：Q=T2Wh+T2sWc-T1Rcsinα=-6496933.88N。

当Q为负值时，表示承压环受压力作用，这时有效承压环区域的水平投影方向的径向宽度，应不小于罐顶与罐壁连接处罐壁水平半径的0.015倍。承压区域所需面积Ac应取下式计算值中的较大值：Ac=Q/103.4或Q/ ［σ］tφ

式中：［σ］t为设计温度下，承压环材料纯拉伸许用应力，MPa；φ为焊接接头系数，取0.85。

承压环垂直截面上，所需的金属截面积（不包括腐蚀裕量）为Ac=62833.02mm2

Ac＜A，满足罐顶与罐壁连接处所需有效截面积要求。

如果不能满足Ac＜A，应考虑在承压圈有效范围内采取如下增强措施：①在有效承压圈范围内增加顶板和壁板的厚度；②在罐顶与罐壁相交处增设角钢、扁钢或水平设置环向加强圈；③同时采取上述两种措施。

图2 承压环结构示意图

4 锚固的设计

对立式圆筒形钢制焊接低压储罐，由罐内压和风载荷或地震载荷组合作用产生的升力不得超过罐壁和罐顶（不包括腐蚀裕量）以及由其支撑的构件的重力之和。否则，应设置锚固或采取其他的平衡升力的措施。实际上，判断是否设置锚固，由设计内压产生的升举力、风弯矩地震弯矩产生的倾覆力、储液对罐顶的静压产生的升举力三个因素决定。

4.1 锚固计算及校核

在设计锚固时，举升力应取1.25倍设计内压再加上作用在罐壁和罐顶垂直平面内的风载荷；如果存在有地震载荷，升举力应取设计内压加上地震载荷。风载荷、地震载荷不应同时考虑。锚栓应符合表3要求：

表3 锚栓及其许用应力

①内压产生的升力F=πD2pg/4=22859798N，罐顶、罐壁及其所支撑构件总重G=232473N。因F＞G，故应设置锚栓。采用72个的M72锚栓（锚栓的腐蚀裕量为6mm），材料为16Mn。每个锚栓截面积f=2781mm2，故每个锚栓的应力（F-G）/（nf）=113MPa小于锚栓材料的许用应力 Sts=170MPa，锚栓校核合格。

② 设计压力与风载荷产生的净提升力为29218553.71N，设计压力与地震载荷产生的净提升力为31714511.35N，取两者中的大值，应是设计压力加地震载荷作为举升力源，计算得，每个锚栓的应力为119 MPa ＜ 1.33 Sts =226 MPa，锚栓校核合格。

③储罐试验压力产生的净提升力为36020333N，计算得，每个锚栓的应力为142MPa ＜ 1.33 Sts =226 MPa，锚栓校核合格。

4.2 锚栓座结构

由于本储罐罐径罐高较大，升力较大因而作用于罐壁底部锚栓座的力矩较大。采用结构如图3.

5 结语

低压储罐设计与常压储罐相比，关键在于罐壁、罐顶承压环和锚栓的设计。设计低压储罐罐壁厚度时，可通过罐体自由体分析计算罐壁经向、周向单位内力，进而通过公式计算确定罐壁厚度。承压环的设计主要是通过计算总环向力，确定所需的承压区域面积，选择推荐的承压环结构，然后计算所选结构的承压区域面积，使其大于所需的面积。设计锚栓结构时，应根据外界载荷确定升举力，判断是否大于罐顶、罐壁及其所支撑的构件的总重，确定是否设置锚栓装置。

［1］SY/T0608-2006，大型焊接低压储罐的设计与建造.［2］API Std620-2002，大型焊接低压储罐设计与建造［S］.［3］徐英，杨一凡，朱萍，等.球罐和大型储罐［M］.北京：化学工业出版社， 2005.

图3 锚栓结构图

秦赟（1973- ），女，工程师，从事化工设备设计工作。