大型石油储罐的抗风计算与抗风措施

赵 静

〔华东管道设计研究院有限公司 江苏徐州 221008〕

近年来，随着储油罐的大型化和高强钢质量的飞速发展，储罐的罐壁厚度在逐渐减薄，但是因质量减轻油罐的抗风稳定性却越来越差[1]。如1978年夏天，由于油罐没有采取抗风措施，河南某油库有四座油罐的罐壁当场被大面积吹瘪。此次事故不仅造成了重大财产损失，还严重地威胁着工作人员的人身安全。我国是一个风灾频发的国家，尤其是在夏季的沿海地带。对油罐进行合理的抗风设计，采取可行的抗风措施，防止油罐在强风的情况下失稳而造成事故十分重要。

1 油罐的类型和现状

目前，油罐按几何形状可分为卧式圆柱形油罐、立式圆柱形油罐及双曲油罐，其中立式圆柱形油罐最为常见。立式圆柱形储罐按结构又可分为固定顶油罐、内浮顶油罐、外浮顶储油罐和球形储罐等。拱顶油罐是最常见的一种固定顶油罐。现油罐大多采用薄壳结构，薄壳结构是五大空间结构类型之一。因采用薄壳结构可使油罐内部受力均匀，所以不仅可以减少用料，节约成本，还可减轻油罐重量。另一方面，采用薄壳结构也能使油罐具有较好的密封性。但采用这种薄壳结构却大大减低了储油罐的抗风稳定性，遇到大风等恶劣天气储罐容易失稳，造成安全事故。

近20年来，油罐迅速向大型化发展。油罐大型化有利于石油工业的发展并且便于各方面的操作。国际上油罐从上世纪60年代便开始朝着大型化方向发展，制造出了超过10万m3的大型油罐，尤其是中东以及一些石油出产国，油罐大型化趋势尤为明显，现在国外已经建成了超过20万m3的油罐。但是，油罐大型化以后，危险性也增加了，一旦出现事故危害性将会更大。因此，做好油罐的抗风设计，保证油罐在大风天气的安全平稳生产是设计计算的重要准则。

2 储罐风载分布

一般来说，拱顶油罐外壁所受风压是不均匀的，在迎风面大约60度范围承受的是压力，其他部分承受的是张力；在受压的60度范围内，大约在20度范围的压力可近似为常数。通常情况下，最大风压发生的地方称为为驻点[2]。拱顶油罐的内壁基本不存在风压问题，风压仅存在于罐壁外部。外浮顶油罐受到的主要是由抽力引起的负压，根据风洞实验得出，外浮顶所受到的最大负压大约为风压的一半,位于驻点的罐壁内侧，其余部位比驻点稍小，但差距不会太大。油罐外壁风压分布见图1。

3 油罐的抗风措施

目前，我国储油罐的抗风设计主要是按照《GB50341—2014立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》进行设计的。如果经过计算油罐不满足抗风设计的规范要求，就要采取相应的抗风措施，即增设抗风圈。增设抗风圈可以提高油罐的抗风稳定性，而且这种措施经济实用，施工方便，在我国和世界范围内得到了广泛应用。抗风圈包括顶部抗风圈和中间抗风圈。敞口的外浮顶油罐应在罐壁外侧靠近罐壁上端设置顶部抗风圈，设置位置在离罐壁上端1 m的水平面上。如果设置一道顶部抗风圈不能满足要求，可设置多道。顶部抗风圈的外周边缘可以是圆形的，也可以是多边形的，而且顶部抗风圈还可以兼做走道，此时其最小净宽度不应小于650 mm，上面也不能存在影响行走的障碍物。通常情况下，顶部抗风圈的水平铺板上会开设16～20 mm的排液孔，以防止雨水积存在上面。顶部抗风圈盘梯入口示意图如图2。

图2 顶部抗风圈盘梯入口示意图

顶部抗风圈的最小截面模数按下面公式(1)计算[3]：

WZ=0.083D2H1ω0

(1)

式中：WZ——顶部抗风圈的最小截面模数，cm3；

H1——罐壁总高度，m；

D——油罐直径，m；

ω0——基本风压，kPa。

只要顶部抗风圈的各个截面的实际截面模数大于最小截面模数，就能满足设计要求。

中间抗风圈可以设置在外浮顶油罐、拱顶油罐和内浮顶油罐上。是否需要设置中间抗风圈，以及设置的圈数都是通过计算得到的。由于风压作用在不同类型的储罐上，储罐的受力不同，所以不同类型的储罐的抗风核算区间和罐壁筒体的设计外压计算公式都是不同的。固定顶油罐与内浮顶油罐将罐壁全高作为风力稳定核算区间，而敞口的外浮顶油罐则将顶部抗风圈以下的罐壁作为风力稳定核算区间(本文第4节以董家口商储库10万m3外浮顶油罐为例详细介绍抗风计算过程)。

同时，容量较小的储罐还应考虑是否需要采取锚固设计，即采用锚固螺栓将储罐罐底固定在储罐基础上，以防止储罐在大风天气发生侧倾。锚固设计一般针对小型的拱顶油罐。首先应对未锚固罐进行倾倒校核计算，即当油罐不发生倾倒时，应同时满足下列公式(2)[4]：

0.6MW+MPi

(2)

式中：MW——水平和垂直风压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩，N·m；

MPi——设计内压对罐壁罐底接合点的倾倒力矩，N·m；

MDL——罐壁重量和罐顶支撑件重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，N·m；

MDLR——罐顶板及其上附件重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，N·m；

MF——储液重量对罐壁罐底接合点的反倾倒力矩，N·m。

如果不满足以上公式，就需要对储罐进行锚固设计，即采用一定数量的锚固螺栓将储罐的罐底固定在储罐基础上。常用的锚固形式有两种，即单锚固组和连续支撑锚固。无论哪一种锚固形式，锚固螺栓的规格都要大于M24，而且腐蚀裕度应大于3 mm。锚固螺栓间距根据油罐的直径而定，当油罐直径小于15 m时，间距不能大于2 m；当油罐直径大于或等于15 m时，间距不应大于3 m。图3、图4、图5为500 m3拱顶罐锚固安装示意。

图3 锚固安装示意图

图4 锚固示意图

图5 锚固示意图

4 抗风圈的计算步骤简介

现在以董家口商储库的10万m3外浮顶油罐为例进行中间抗风圈的计算，董家口港资料及设计条件如下：

董家口港位于青岛胶南市辖区，该港口面向黄海，自东南向西北移动的台风对该区域的影响较大。基本风速由气象部门统计得到，一般以平坦地区距离地面10 m左右、50年一遇的10 min平均最大风速作为依据[4]，查气象资料可知当地基本风压为0.6 kPa。

4.1 设计参数

油罐内径：D=80 m

风压高度变化系数：μz=1.666

基本风压：ω0=0.6 kPa

加强角钢：200 mm×125 mm×16 mm

加强槽钢：320 mm×88 mm×8 mm

边梁槽钢：360 mm×100 mm×13 mm

铺板材质为钢板12Q235B：铺板有效厚度δ=11.35 mm

核算区间罐壁板参数见表1。

4.2 计算步骤

(1)顶部抗风圈。顶部抗风圈盘梯入口最薄弱处截面见图6。所建坐标系见图7。

图6 顶部抗风圈盘梯入口最薄弱处截面

图7 建立坐标系

顶部抗风圈的最小截面模数见式(3)：

WZ=0.083D2H1ω0μz=0.083×802×21.8×0.6×1.666=11575.53

(3)

顶部抗风圈盘梯入口处截面模数WA1

①各截面的面积Ai及形心Xi。

边梁槽钢：360 cm×100 cm×13 cm；截面积：A1=75.31 cm2，形心位置：X1=2.34 cm(查《机械零件手册》得)

开孔左侧铺板(有效厚度δ=11.35 mm)：A2=38×1.135=43.13 cm2；X2=19 cm

开孔右侧铺板(有效厚度δ=11.35 mm)：A3=73×1.135=82.855 cm2；X3=76.5 cm

加强槽钢：320cm×88cm×8cm；A4=48.513 cm2，X4=111.76 cm(查《机械零件手册》得)

② 各截面的惯性矩IIz：

I1Z=305 cm4

I2Z=(383×1.135)/12=5189.98 cm4

I3Z=(733×1.135)/12=36794.52 cm4

I4Z=536 cm4

2.1.3 补体溶血和恢复试验。导致谱细胞溶血是抗-Tja抗体和抗-Vel抗体的特征之一，原因在于结合补体[9]。补体通过一系列的激活，形成膜攻击复合物，导致红细胞破裂。血清在56℃孵育后会破坏补体，从而使得抗体不能引发溶血。再加入新鲜的AB型血清后，补充了补体，可恢复抗体的溶血特性。

③ 组合截面I形心水平位置的计算：

XC=∑AiX1/∑Ai=(75.31×2.34+43.13×19+82.855×76.5+48.513×111.76)/ 75.31+43.13+82.855+48.513=51.06 cm

④ 移到组合截面形心ZC轴的惯性矩：

I1ZC=I1Z+(XC-X1)2A1=305+(51.06-2.34)2×75.31=179063.71 cm4

I2ZC=I2Z+(XC-X2)2A2=5189.98+(51.06-19)2×43.13=49520.874 cm4

I3ZC=I3Z+(XC-X1)2A3=36794.52+(51.06-76.5)2×82.855=90417.746 cm4

I4ZC=I4Z+(XC-X1)2A4=536+(51.06-111.76)2×48.513=179281.663 cm4

IZC=I1ZC+I2ZC+I3ZC+I4ZC=179063.71+49520.874+90417.746+179281.663=498283.99 cm4

⑤ 该位置的截面模数：

同理经过计算得兼做走道的顶部抗风圈截面模数WA2=7197.74

截面模数校核：

2WA1=15833.62>WZ=11574.83，且2WA2=14395.49>WZ=11574.83

所以加两道顶部抗风圈安全。

第一道顶部抗风圈设置位置在离罐壁上端1 m的水平面上，第二道顶部抗风圈设置位置在第一道顶部抗风圈下面1 900 mm处。

敞口的外浮顶油罐则将顶部抗风圈以下的罐壁作为风力稳定核算区间，核算区间罐壁板参数见表1。

(2)中间抗风圈。

外浮顶油罐的设计外压：

P0=3.375μZω0=3.375×1.666×0.6=

3.37365(kPa)

罐体的临界压力[Pcr]

各圈壁板的当量高度Hei：

169.38 mm

239.26 mm

476.31 mm

707.42 mm

1 235.82 mm

2 258.36 mm

2 420 mm

1 960 mm

HsE=∑Hsei=HSEⅠ+HSEⅡ+HSEⅢ+HSEⅣ+HSEⅤ+HSEⅥ+HSEⅦ+HSEⅧ=169.38+239.26+476.31+707.42+1 235.82+2 258.36+2 420+1 960=9 466.55 mm

核算区间罐壁筒体许用临界压力【Pcr】：

因为[Pcr]

中抗风圈位置宜在HE/4、HE/2与3HE/4处。所有抗风圈的安装位置见图8。

图8 抗风圈安装位置示意图

图9 董家口商储10万m3外浮顶油罐

此外，中间抗风圈的截面尺寸应大于下表2[4]规定的最小截面尺寸。

表2 油罐内径与最小截面尺寸

5 结语

由于采取了增设多道抗风圈等措施，董家口原油商储基地16座10万m3外浮顶油罐的抗风能力得到了较大提高，油罐自2018年投用至今运行良好。虽然现阶段大型储罐本体抗风设计已经逐渐趋于成熟，但是可以看出其在某些方面仍具有较大改进空间，例如盘梯、罐壁人孔等油罐附件的稳定性能是否能够满足使用要求。相信通过逐步的完善，大型储罐的抗风能力将进一步得到加强。