石油化工装置中储罐的结构设计技术

蔡武静

上海智英化工技术有限公司杭州分公司 浙江 杭州 311215

近年来，人们生活水平不断提升，对石油需量呈现逐年递增的趋势，油罐作为储存石油的重要设备，受到专业人员的高度重视，经过专业人员不懈努力，油罐逐渐向大型化方向发展，其具有节省投资、便捷操作管理、减少占地面积、节省钢材等特征，被广泛应用在石油化工企业。目前，世界上容积最大储油罐单罐达到20×104m3，我国最常用15×104m3容积的大型油罐，被广泛应用到石油化企业中，有效提高石油化工企业日常储存量，加强存储安全性，为企业可持续发展打下坚实的基础。基于此，本文以大型油罐作为主要研究对象，结合我国相关设计规范对油罐结构进行初步设计，再利用有限元分析法和理论分析法计算罐体结构参数，从而确定储油罐最佳结构设计方案[1]。

1 大型储油罐的优点

大型油罐具有多样化优势：（1）大型油罐能控制油罐的附件。在石油化工企业储油罐容量不变的情况下，提高大型储油罐数量，能大幅度降低小油罐数量，从而减少管道的各种基础设施，如阀门、仪表等配件，合理控制泄漏点数量；（2）有利于减少占地面积。对石油化工企业来说，储油罐占地面积和企业经济效益有直接联系，且要考虑到储油罐附近的防火性能，要满足行业标准要求。同时，相邻储油罐间距要符合实际标准，根据目前我国政府部门所规定的防火要求，当石油化工企业的存储能力基本相同时，将无数个小储油罐和大型储油罐科学排列，能有效降低实际占地面积；（3）便于节约钢材。当储油罐容积增加，其表面积出现不同程度的减小，无形中降低单位容积所消耗的钢材数量，可见在石油化装置中储油罐容积和钢材消耗量成反比；（4）有利于工作人员进行日常操作和后期维护。随着储油罐趋于大型化，会降低小储油罐数量，提高检尺维护和消防等方面的便捷性[2]。

2 储油罐设计标准和应力计算方法

2.1 储油罐相关设计标准规范

储油罐设计标准规范主要包括美国API650《钢制焊接油罐》、中国GB50341《立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范》、日本JIS B 8501《石油工业立式钢制焊接油罐》等规范。随着我国社会经济不断发展，给油库管理效率提出更高要求，为确保我国石油化工行业企业能达到预期要求，其根据实际情况建立信息化系统，来提升油库安全管理水平。油库自动化系统主要包括安全防范系统、油罐自动计量系统、收发油自动控制系统等，其中油罐自动计量系统在整个油库管理中具有至关重要的作用，其能准确测量出油罐内水位、平均温度、油品液位等数据，从而计算出油罐内油品的具体数量。目前，美国和日本2种设计规范中最大差异性是壁板厚度的计算方法，日本在计算壁板厚度时以定点法为主，在每圈壁板的最高环向应力距离壁板底部0.3m位置设置为设计压力，计算出壁板实际厚度；而API650设计标准是以变点法为基础，计算壁板厚度，通过算出每圈壁板最高环向应力位置，利用该位置的静液压力算出壁板的实际厚度。

2.2 罐体应力计算方法

罐体应用是由底板应力和壁板应力2个环节组成，其中壁板应用计算方法有短圆柱壳法、组合圆柱壳法、长圆柱壳法等类型。其中短圆柱壳法具有计算精度高的优势，但该方法计算过程过于复杂，不适合应用到企业经营中；长圆柱壳法计算流程简单，但其计算准确性不足；组合圆柱壳法是将上述2种计算方法优点进行融合，不仅具有良好的计算精度，还拥有简便的计算流程。通过上述分析，本文主要采用组合圆柱壳法计算壁板应力。目前，在大型油罐底板应力计算过程中，通常使用弹性地基梁和刚性地基梁耦合法，但由于储油罐基础影响因素种类较多，导致该种方法产生的计算结果存在严重差异性。大量实验证明，有限元方法能真实模拟出罐体和基础间的相互作用，所以可采用有限元分析法计算罐底板应力。

3 大型储油罐结构方案设计

3.1 确定储油罐直径

油罐容积要满足如下要求：

式中：V表示储油罐设计容量；D表示储油罐直径；H表示储液高度。

根据我国消防相关规范，大型石油储罐高度要低于24m；浮顶罐储液高度要提前预留0.9m左右的空间。如当石油储罐容积为15×104m3，其最小直径为91000mm，考虑到油罐使用安全性和经济性，油罐中直径为100000mm，罐体高度为21800mm。

3.2 壁板宽度选择

大型储油罐壁板厚度较小，采用薄壁壳体结构，而壁板作为承受压力的重要结构，要承载大量的静液压力，其通常为三角形分布状。同时，为满足实际强度设计要求，在日常应用中禁止采用连续变化截面厚度钢板来制造油罐，所以油罐壁只能利用较厚的壁板焊接而成。且由于受到企业运输能力和冶金能力影响，要合理控制其壁板宽度，其宽度要低于3000mm。研究数据显示，底圈壁板宽度和储油罐应力有直接联系，所以本文采用2980mm、2420mm壁板厚度为试验对象，对2种方案进行对比。

3.3 底板设计

储油罐底部是由边缘板和中幅板2个环节组成。其中罐底边缘板作为连接中幅板和壁板的重要环节，在静液压力作用下，边缘板要一直承受较高的弯曲应力。在我国相关规范中，要求大型储油罐边缘板厚度要大于19mm，为保证底板自身的安全性，结合现场环境的腐蚀度，将边缘板厚度控制在23mm。为控制底板的弯曲应力，要在边缘板位置进行延长，伸出到管壁外100mm。而中幅板在静液压力作用下不会承受较高的弯曲应力，在相关规范中中幅板厚度需高于6mm，但为了避免底板出现不均匀沉降导致储液泄漏问题，要结合实际情况调整中幅板厚度，通常中幅板厚度为11mm。

3.4 油罐计量方法选择

企业油库通常是将储存成品油作为主要目标，所以在企业油库中存在大规模洞库油罐。这些油罐根据建筑类型不同，可分为地面立式内浮顶油罐、地面拱顶罐、洞库顶立式油罐等，其小型卧式罐、洞库罐数量占据大多数，工作人员要根据特征不同，选择对应的计量方法。从计算方法来看，油品质量计算在行业标准中有标准体积X标准密度方法和立式罐截面积X静压强方法，第一种计算方法通常应用在混合法自动计量系统、液位法自动计量系统中，当立式储罐容积表准确度低于0.1%，油品质量计量准确度和压力变送器数据有直接联系，标准密度测量值不会给油品质量造成严重影响。因此，在选择计量系统时，可选择具有较好精确度的压力变送器进行测量，从而保证油品质量准确度。本系统中为让整体计量精度能满足行业要求，在选择压力变送器、液位计等计量工具时要满足下面要求：液压计要符合计量要求，精度要控制在1mm左右；而想要满足库存要求时，精度可调整为3mm；温度计平均温度差异性需降低到5°范围内；压力变送器对所测量压力提出更高要求，其压力值要低于60Pa。另外，在安装仪表过程中，压力变送器取压孔要安装在油品静止位置，且要处于计量水平位置，禁止超过输油管。液位测量仪表要求在施工过程中，要按照标准流程和现场实际情况进行安装，从而确保测量结果的合理性。

3.5 壁板厚度计算

壁板厚度计算作为油罐设计的重要环节，虽然不同国家对壁板厚度计算公式存在一定差异性，但均规定壁板最大厚度为45mm。基于此，本文将方案一和方案二相互结合进行计算，从而得到4种不同结构（如表1、表2所示）。

表1 四种结构所用方案

表2 四种结构壁板设计厚度

4 罐体应力分析对比

4.1 壁板应力分析

4.1.1 底圈壁板宽度的影响

将4种不同结构根据设计规范分为2组，结构1和结构2采用JIS B 8501设计规范进行设计，结构3和结构4使用API650规范进行设计，2种结构中主要区别在底圈壁板宽度差异性。发现结构2底圈壁板宽度为2980mm，其在第一道环焊缝周围的环向应力要低于结构1。站在大型立式圆筒形焊接油罐角度来看，管壁上第一道环焊缝周围区域应力最高，是整个储油罐最危险的位置。因此，工作人员要结构2的宽度，合理控制第一道环焊缝的环向应力，全面提升油罐安全性（如表3所示）。同时，通过分析表2发现，在选择底圈壁板宽度为2980 mm管壁时要设置八圈壁板，能减少一道环焊缝制作流程，无形中加强其安全性。

表3 四种结构壁板外表面环向应力最大值和位置

4.1.2 两种设计规范影响

在结构2和结构4中其底圈壁板宽度基本相同，其中结构4采用API650设计规范，结构2使用JIS B 8501设计规范。通过分析发现结构2环向应力最大值位于第一道环焊缝上部；而结构4环向应力最大值在第一道环焊缝下部，通过分析介质的静液强度，发现结构4壁板应力数值较高，说明变点法设计方法和大型储油罐具有较强吻合度。另外，要注重结构抗震性能，其油罐底圈壁板厚度较大，且第一圈和第二圈壁板厚度数据相差较大，主要目的是提高油罐结构的抗震能力。因此，如果相关企业要将油罐建立在地震频发地带，可采用日本标准进行设计，不然通常采用美国标准进行设计。

4.2 罐底设计应力分析

当4种结构的罐基础和底板结构数据基本相同，且油罐内直径全部为100000mm。通过利用有限元分析法进行计算，发现底板应力分布不容易受壁板结构参数影响，即4种结构底板应力分布并无明显差异性。另外，罐底板最大应力通常在壁板和地板相互连接的大角焊缝位置，最高应力为505.4MPa。

5 结束语

综上所述，利用美国和日本2种设计规范为基础，选择不同底圈壁板宽度，合理设计大型储油罐结构，利用组合圆柱壳法计算不同结构的壁板应力。经过分析发现，美国规范中的底圈壁板宽度设计方案具有较强的合理性，所以要注重使用美国相关标准。同时，将有限元法应用到方案板底应力计算中，研究底板应力变化时壁板结构参数的变化规律。