常压圆筒形钢制焊接储罐的设计改进

马宗萌（山东海成石化工程设计有限公司天津分公司，天津 300384）邵振华（中国石化齐鲁分公司氯碱厂，山东 淄博 255000）

1 储罐的设计规范和依据

AQ3053-2015规定了立式常压储罐的材料、设计、预制、施工和验收等方面的基本安全要求。其中一个重点为储罐的类别划分。储罐的设计正压可分为常压（设计压力0～18kPaG）和低压（设计压力18kPaG～100kPaG）两个等级。储罐的划类以储罐的压力等级和公称容积V 为依据分为第Ⅲ类（V≥50000m3的常压储罐和V≥2000m3的低压储罐）、第Ⅱ类（10000m3≤V＜50000m3的常压储罐和500m3≤V＜2000m3的低压储罐）、第Ⅰ类（其他的）。

大型储罐的一般设计流程：根据工艺包或工艺计算后的设备条件图及储存介质的火灾危险分类进行选型；接着考虑储存介质的特性，包括腐蚀性以及氧化性和毒性；确定设备材质，确认项目所在地的风载荷、雪载荷、地震荷载、历年来月平均最低气温的最低值等资料。当这些都明确了就可以按照标准规范来进行储罐的设计。

储罐的设计规范标准最常应用的有SH3046—1992《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》、GB50341—2014《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》、API620《大型焊接低压储罐设计与建造》、API650《焊接石油储罐》、SY/T0608—2006《大型焊接低压储罐的设计与建造》、GB50128—2014《立式圆筒形钢制焊接储罐施工规范》以及SH/T3530—2011《石油化工立式圆筒形钢制储罐施工技术规程》等。

2 储罐的选材

立式圆筒形常压储罐的类型主要是罐顶的结构型式不同，分为固定顶（柱支撑锥顶、自支撑锥顶、拱顶）、浮顶和内浮顶。锥顶优点是制造简单，但耗钢量大，一般只用于200立以下的储罐。外浮顶储罐因需要考虑风砂、雨雪、灰尘污染等，需设置排水管等附件，近年更多的选用内浮顶型式。石化行业储存的中间产品和成品大都是汽油等易燃易挥发性油品和醛类、醇类、酮类、苯类等有毒液体化学品。若储存介质蒸发损耗很大或环保考虑不允许泄漏需选用浮顶结构，其他选用固定顶更合理。

立式圆筒形储罐的选材罐主要由罐内介质决定。一般原油及成品油通常选择碳钢或低合金钢，大于5万立的储罐底圈罐壁应力很大，考虑造价和制造合理性多采用高强度钢板。

石油化工行业的有机化合物、无机化合物材质选取要充分考虑材料的造价和设计寿命。储罐常见的材料有碳钢、低合金钢及不锈钢。碳钢有Q235B、Q245R，低合金钢有Q345R，不锈钢常用的有S32168、S30403、S31608、S30403、S31608 等。材质采用碳钢时，Q345R 钢板许用应力较高，可以比Q235B、Q245R更少的用钢量，Q235B造价更低；故大型储罐多采用Q235B。不锈钢造价较高，一般只在储存介质对碳钢和低合金钢腐蚀严重或装置对介质纯净度要求很高时采用。Q245R 钢板一般只在H2S应力腐蚀环境时使用，如硫磺回收装置中的含硫污水储罐。碳钢罐对不同的介质，所选取的腐蚀裕量也不同，但最大腐蚀裕量不应大于6mm，否则应采取防腐措施或更换材质。一般储罐的设计寿命为15年，用介质的年腐蚀率乘以设计寿命，可得到它所需的最小腐蚀裕量。

大型油罐对材料要求很高。合理选材是防止钢板脆性断裂的必要条件。油罐的选材原则是保证安全的同时投资最少，由强度决定的底圈罐壁、罐底边缘板、罐壁开孔补强板在原则上应选择同一种材料。油罐的大型化会带来钢板过厚、整体热处理难度大造价高和焊接难度大等问题，为避免这些问题均应采用高强度钢，如SPV490Q、12MnNiVR 等。贮存闪点≤60℃的介质，宜设置呼吸阀。当进料或罐内物料受热膨胀，罐内气相空间气体的压力增大而超过呼吸阀设定正压(如1900 Pa)时，呼吸阀出气阀盖自动打开，将罐内气体排出；当放料或罐内物料冷缩，罐内气体压力减小，超过呼吸阀设定负压(一般为300Pa)时，进气阀打开将空气呼人。若进气阀盖过重或因失修造成呼吸阀失灵，会造成罐体爆裂或瘪罐事故；进气阀盖过轻，控制压力降低，则会增大油气损耗。

3 锚固的设计

对立式圆筒形钢制焊接低压储罐，设计的一个重点是罐底需要锚固与否。

常压储罐通常是指设计负压不大于0.25KPa，正压产生的举升力不超过罐顶板及其所支撑附件的总重量的储罐。低压储罐同理。对于立式圆筒形钢制常压、低压储罐，由内压和风载或者地震载荷组合作用产生的升力不应大于储罐罐壁和罐顶(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平衡升力的措施。判断储罐是否需要设置锚固，由设计内压产生的升力、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来决定。应通过加强筋组合件，加强锚栓与罐壁的连接件或使锚环有足够的面积和高度。锚固结构一般参考美标AISI 钢板工程数据手册“锚支座”的设计。

3.1 锚固的判定条件

储罐的锚固分为两种情况：

进行抗风稳定计算时，应按照GB50341-2014 第11.1 节进行校核计算，

若不符合，即抗风计算未通过，需要锚固；

若符合上述11.1 节规定，但设计压力产生的举升力大于储罐罐壁、罐顶及由其支撑的构件的重力之和，且小于或者18KPa 时，需要锚固；

进行抗震计算时，若锚固系数J＞1.54，需要锚固。

3.2 锚固设计

锚固设计主要参照GB50341-2014 和API650 进行计算和结构设计。

单个地脚螺栓所承受的载荷应小于许用拉伸应力，即

σ=U/NAb≤[σ1]

注：U—各种工况下所产生的举升力，N；Ab—每个锚栓的承压面积，即Ab=πd2/4；N—锚栓的个数；

由上式可以得出N 的最少个数，为便于排布施工，锚栓数量一般为4 的倍数。

另需要注意的是，储罐直径小于15m 时，锚固螺栓间距不应大于2m；储罐直径大于或等于15m 时，锚固螺栓间距不应大于3m。

4 AQ3053施行后，加强了储罐管理

大型储罐虽然设计压力大多小于18kPa，SY/T0608 和API620 也仅适用于设计压力小于0.1MPa 的储罐，在TSG21-2016固容规管辖范围之外，但化工企业的油品罐区和液体化学品罐区的火灾危险性依然不容忽视。近几十年国内外储罐区大型火灾时有发生，造成巨大的人员伤亡、经济损失以及环境污染。故此国家安全生产监督管理总局提出，中国石化工程建设有限公司、中国石化集团公司安全环保局起草编制AQ3053-2015《立式圆筒形钢制焊接储罐安全技术规范》，并于2015年9月1日实施。从此安监局有法可依，有效监督设计方、施工方严格遵守相关规范设计建造和化工企业的使用管理及对储罐的改造、维修、报废。

5 结语

近年储罐大型化发展提高了经济效益的同时增大了储罐的设计、制造难度；频发的事故给从业人员敲响了警钟，作为设计方在实际设计工作中要以安全为第一准则，同时考虑经济性、结构合理性、制造难度。