10000m3甲醇内浮顶储罐设计

孙义(江苏宝联气体有限公司，江苏 苏州 215000)

0 引言

内浮顶储罐主要由固定顶罐体、内浮盘及各专业管口等组成。相对固定顶最大的优点就是改善介质蒸发，减少损耗，减少空气污染与着火爆炸的危险，绝热保温，保证储液质量。甲醇别名木醇、木精，分子式为CH4O，是无色透明、有毒、易燃易爆、易挥发的液体。相对密度(水=1)0.7914，沸点64.7℃,爆炸极限6.0%～36.5%(体积分数)。基于以上考虑，选用内浮顶储罐储存甲醇是一个比较合理的方案。

1 储罐设计方案及内容

1.1 设计参数

10000m3甲醇储罐设计参数如表1所示。

表1 10000m3甲醇储罐设计参数

1.2 罐底设计

罐底板由16块弓形边缘板和若干块中幅板搭接而成。中幅板取10mm，边缘板取4mm，搭接排列。底板焊缝处底部需设置4mm厚的垫板，宽100mm。整个罐底设计成15‰的锥度形式。

1.3 罐壁设计

罐壁选取8圈壁板，自下而上7圈选板材2.2米宽，最上层一圈选择1.1米宽。根据《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341—2014标准采用定点法，选取下式：

式中：tt为试水条件下的罐壁板计算厚度(mm)；H为计算液位高度(m)。第一圈取底板端部至罐壁通气孔位置。(H1=16.5-0.65=15.85m)其余每圈减去2.2m。[σ]t为试水条件下钢板许用应力(MPa)，经计算取230MPa。φ为焊接接头系数，底圈取0.85，其余取0.9。

将数据带入上式得：

第一圈：tt1=11.629mm，故名义厚度取t1=16mm。

第二圈：tt2=9.481mm，故名义厚度取t2=14mm。

第三圈：tt3=7.919mm，故名义厚度取t3=12mm。

第四圈：tt4=6.356mm，故名义厚度取t4=10mm。

第五圈：tt5=4.795mm，故名义厚度取t5=8mm。

由以上数据得出，壁板厚度逐层减少。考虑规范要求、壁板腐蚀及各种因素，其余圈数板厚均选取8mm。

2 罐顶设计

2.1 罐顶结构与厚度核算

本设备选用自支承式带肋球壳拱顶结构。顶板由瓜皮板和中心顶板组成。瓜皮板分别为16块、32块及64块。连接中心顶板的为32块的瓜皮板，二者厚度均取8mm；二次连接的瓜皮板为64块；最后与罐壁连接的为16块，厚度均为10mm。肋板均选100mm宽，8mm厚。则估算出罐顶总质量约60000kg，折算成单位面积载荷为60000×9.8÷(π/4×302)=863.3Pa。

考虑罐顶附加载荷取值，且不小于1200Pa，故取PL=2063.3Pa。

2.2 带肋球壳许用外载荷计算

许用外载荷。

式中：[P]为带肋球壳的许用外载荷(kPa)；E为设计温度下刚才的弹性模量(MPa)；取192000MPa。RS为球壳的曲率半径(m)，取30m。th为罐顶板有效厚度(mm)，取6.8mm。tm为带肋球壳的折算厚度(mm)。

此值按照《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341—2014附录H相关计算得22.5mm。

将数据带入式中，得[P]=17.81kPa。

2.3 拱顶稳定性核算

储罐带有罐壁通气孔，则储罐内部无内压，故只校核外载荷作用下的稳定性。带肋球壳的稳定性验算应满足下式要求：综合以上，式1-3是成立的，故稳定性满足要求。

3 包边角钢截面积核算

罐壁顶部设置包边角钢，以承受从罐顶传来的横向力。计算与包边角钢相连的罐顶和罐壁各16倍板厚的截面应满足下式：

式中：p为储罐单位面积载荷，为2063.3Pa；D为储罐直径，30m；σ为包边角钢的许用应力，取2.30×108Pa；φ为焊接接头系数，取0.9；θ为罐顶与罐壁连接处罐顶的水平夹角(°)，取30°。

将数据带入上式，得Fmin=1.95×10-4m2=195mm2。取包边角钢∠125×12，则截面积A=2891mm2。显然A＞Fmin，故包边角钢截面积满足强度要求。

4 中间抗风圈的计算

4.1 筒体外压设计计算

式中：υz为风压高度系数，查《立式圆筒形钢制焊接油罐

设计规范》GB 50341—2014表6.4.5-1，得1.60；ω0为基本风压值，按已知条件取0.65kPa。将数据带入上式，得P0=2.34kPa。

4.2 核算区间储罐筒体许用临界压力的计算

许用临界压力计算公式如下：

式中：HE为核算区间罐壁筒体的当量高度(m)；tmin为核算区间最薄圈罐壁板的有效厚度(mm)；ti为第i圈罐壁板的有效厚度(mm)；hi为第i圈罐壁板的实际高度(m)；Hei为第i圈罐壁板的当量高度(m)。

通过以上各计算式计算结果如表2所示。

表2 核算区间储罐筒体许用临界压力的计算结果表

根据上面数据计算出许用临界压力Pcr = 616Pa。

4.3 储罐抗风圈的设计。

因为P0/3＞Pcr≥P0/4，说明储罐需要增设抗风圈，数量3个，位置在罐壁1/4HE、1/2HE及3/4HE处；换算成实际高度分别是9.195m、11.63m及14.065m。如果其高度在罐壁环焊缝150mm之内，需适当调整高度以避开。

5 储罐抗震计算

5.1 罐壁底部水平地震剪力计算

其公式如下：

式中：Q0为在水平地震作用下罐壁底部的水平剪力(MN)；CZ为综合影响系数，取0.4；α为地震影响系数，根据《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341—2014相关图表，取值0.45；Y1为罐体影响系数，取值1.1；m1为罐体内储液总量，按水计算得10491525kg；Fr为动液系数，根据储罐径高比查表得0.542；g为重力加速度，取值9.81m/s2。

将各数据带入上式，得水平地震剪力Q0=11.0452(MN·m)。

5.2 罐壁底部的地震弯矩应按下式计算：

式中：HW为设计液面高度(m)，取14.85m；将数据带入式中，得地震弯矩M1=73.81(MN)

5.3 储罐锚固判断

锚固系数计算式：

式中：υ为弯矩调整系数，按《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》GB 50341—2014表D.4.2-1，取值0.9；FL为储液提供罐底与罐壁接触处单位长度上的提离反抗力(MN/m)；FW为罐壁罐顶自重通过罐壁作用下的罐底单位长度上的提离反抗力(MN/m)；N1为罐壁与罐顶总重量(MN)，估算值1.956MN；tb为罐底边缘板的有效厚度，取值11.2mm；ReL为罐底边缘板标准屈服强度下限值，取345MPa；HW为设计液面高度(m)，取14.85m；D为储罐直径(m)，取30m；ρ为储液相对密度，取0.792。

将各数据带入上式，得J=0.729。因为J＜0.785，所以不产生举升力，可无需锚固。

5.4 最大轴向压应力的计算

地震作用下底圈罐壁产生的最大轴向压应力计算式如下：

式中：σ1为罐壁底部最大轴向压应力(MPa)；CV为竖向地震影响系数，取值1.0；A1为底圈罐壁有效厚度计算的罐壁截面积，计算得0.3963(m2)；CL为翘离影响系数，取1.4；Z1为底圈罐壁有效厚度计算的断面系数，Z1=0.785D2t=9.3258(m3)。

将各数据带入式中，得σ1=12.85MPa。

5.5 罐壁许用临界力计算及抗震验算

底圈罐壁的许用临界力计算式：

式中：E为设计温度下罐壁材料的弹性模量(MPa)；t为底层罐壁板的有效厚度，取值0.0132m。

将数据带入式中，得[σ1]=18.59MPa。

因为σ1=12.85MPa＜18.59MPa=[σ1]，所以底圈罐壁轴向应力校核满足要求，该储罐在地震载荷下安全稳定。

6 附件结构

附件主要有罐壁通气孔、消防泡沫管及水喷淋器等，内浮顶根据专业的公司设计。盘梯及平台均需符合标准规范的设计。

7 结语

大型内浮顶储罐的设计首先了解介质特性等。其次选材，确定罐底厚度，与结构专业商定底板基础的形式，然后计算壁厚，选择罐顶形式并验算其稳定性。考虑抗风及抗震能力，判断是否锚固等。总之，一台设备的设计需要考虑全面周到，既保证安全，又要做到经济、美观。尽一个设计者的最大水平去设计并优化它的结构以达到追求完美的外貌与灵魂！