王萍

（上海寰球石油化學(xué)工程有限公司，上海200032）

大型儲(chǔ)罐頂部與底部的設(shè)計(jì)

王萍

（上海寰球石油化學(xué)工程有限公司，上海200032）

目前對(duì)用于儲(chǔ)存各種介質(zhì)的大型儲(chǔ)罐的需求日趨增多，常規(guī)的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已不能完全滿足實(shí)際需求，有些儲(chǔ)罐因工程需要不能完全按照常規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需根據(jù)具體情況加以調(diào)整，文章以實(shí)際工程設(shè)計(jì)為例，介紹了大型儲(chǔ)罐頂部結(jié)構(gòu)和底部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

大型儲(chǔ)罐；頂部結(jié)構(gòu)；底部結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)用于儲(chǔ)存各種介質(zhì)的大型儲(chǔ)罐的需求也日趨增多，而且對(duì)結(jié)構(gòu)形式也有新的要求，尤其在引進(jìn)國(guó)外的工藝流程時(shí)，常規(guī)的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)常不能滿足工程上的需要，需根據(jù)具體情況加以調(diào)整，以滿足客戶或工程上的需要。本文就工程中儲(chǔ)罐頂部結(jié)構(gòu)和底部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 頂部設(shè)計(jì)

大型儲(chǔ)罐的頂部按結(jié)構(gòu)可分為固定頂和浮頂兩種形式。固定頂一般采用弱頂連接，主要形式有自支撐式錐頂、支撐式錐頂、自支撐式拱頂?shù)取?/p>

自支撐式錐頂是僅沿罐頂周邊支承而不借助支撐柱等給予額外支承的一種罐頂形式，其坡度不得小于1/6、不得大于3/4。它的氣體空間小，所以“小呼吸”時(shí)損耗少。由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的限制，采用這種形式的儲(chǔ)罐直徑不宜過大。支撐式錐頂結(jié)構(gòu)可以用于大容量、接近常壓的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)存揮發(fā)性小的油品或其他介質(zhì)，罐內(nèi)壓力以不使頂板鼓起、支撐不上拔為限，其坡度同樣不應(yīng)小于1/6，該結(jié)構(gòu)不適用于有不均勻沉降的基礎(chǔ)，或地震荷載較大的地區(qū)。自支撐式拱頂是目前使用很廣的一種形式，與錐頂相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性好，能承受較高的剩余壓力，材料消耗少，但氣體空間較大，制造比錐頂復(fù)雜一些，其球面的曲率半徑宜為0.8～1.2倍直徑。自支撐式拱頂又分為光面和帶肋兩種。對(duì)于上述這些固定頂，根據(jù)GB 50341-2003《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，頂板的公稱厚度不應(yīng)小于4.5 mm、不應(yīng)大于12 mm[1-2]。

浮頂則分為外浮頂和內(nèi)浮頂。外浮頂有單盤式、雙盤式和浮子式三種，前兩種用得較多；內(nèi)浮頂是在固定頂?shù)幕A(chǔ)上在罐體內(nèi)增設(shè)浮盤等的一種結(jié)構(gòu)形式。

在了解儲(chǔ)罐頂部結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可從給定的工藝要求、場(chǎng)地條件、介質(zhì)特性、容量大小、操作條件、設(shè)置位置、施工難度、制造費(fèi)用、消耗鋼量等有關(guān)因素出發(fā)，在滿足工程要求和規(guī)范要求的前提下，選擇合適的罐頂結(jié)構(gòu)形式。以達(dá)到安全可靠、降低造價(jià)、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

下面介紹一種固定罐頂結(jié)構(gòu)，該儲(chǔ)罐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 儲(chǔ)罐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

按國(guó)內(nèi)規(guī)范，此直徑的儲(chǔ)罐不宜采用自支撐錐頂結(jié)構(gòu)，但由于工程要求儲(chǔ)罐頂部的氣體空間不能設(shè)置過大，所以該儲(chǔ)罐也不宜采用拱頂結(jié)構(gòu)。為了滿足這一要求，在調(diào)研和查閱國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，決定采用自支撐帶桁架的錐頂結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)主要由一個(gè)中心圓筒以及若干根斜椽、檁條等組成。斜椽或檁條的一端與中心圓筒相連，另一端則與罐壁連接，斜椽和檁條之間采用型鋼支撐，斜椽的斜度設(shè)為11.3°（3/4＞坡度＞1/6），由此形成一個(gè)整體的鋼結(jié)構(gòu)桁架。頂板覆蓋在桁架之上，并不與桁架相焊接，只與罐壁上的包邊角鋼在外側(cè)連續(xù)腳焊，焊腳尺寸為4 mm。罐頂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如何確定桁架的具體尺寸是該頂部設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在桁架設(shè)計(jì)時(shí)，首先建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定中心圓筒的尺寸和斜椽、檁條的數(shù)量及大小，然后通過應(yīng)用程序軟件STAAD.Pro Version 2002（Bld 1004.Proprietary Program of Research Engineers,Intl.）進(jìn)行校核，最終確定每根斜椽、檁條以及支撐所需的型鋼尺寸和數(shù)量，以確保罐頂能有良好的承載能力。該結(jié)構(gòu)雖然在投資上要比拱頂大，但其氣體空間小，尤其在“小呼吸”時(shí)損耗少，而且儲(chǔ)罐可不受基礎(chǔ)條件的影響，加工費(fèi)用也不是很大。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)角度來(lái)講，還是有利的。

2 底部設(shè)計(jì)

儲(chǔ)罐底部承受著上方液體的壓力及下方基礎(chǔ)的支承力，因此一般罐底采用的是平底結(jié)構(gòu)，并直接與基礎(chǔ)接觸。為了消除或補(bǔ)償因基礎(chǔ)下沉而引起的中部凹陷，同時(shí)也便于排除殘液，底板應(yīng)具有和基礎(chǔ)同樣的坡度。所以在國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)中通常采用錐面基礎(chǔ)，一般以不應(yīng)大于15‰的坡度由儲(chǔ)罐中心坡向周邊[2]，罐底也采用相同型式。同時(shí)，由于大型儲(chǔ)罐直徑較大，為了排板方便，罐底板一般采用搭接的方式。儲(chǔ)罐直徑＜12.5 m時(shí)，罐底可不設(shè)環(huán)形邊緣板；儲(chǔ)罐直徑≥12.5 m時(shí)，罐底宜設(shè)環(huán)形邊緣板[2]。

但在實(shí)際應(yīng)用中，往往此種結(jié)構(gòu)不能完全滿足工程要求。例如在上?；^(qū)巴斯夫項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐，由于介質(zhì)原因，儲(chǔ)罐不能直接擱置于混凝土基礎(chǔ)之上，以便于觀察罐底的異常變化。由于這非常規(guī)的需求給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一些難度。經(jīng)過調(diào)查以及參考國(guó)內(nèi)外的有關(guān)資料和標(biāo)準(zhǔn)，其中包括：《鋼制焊接石油儲(chǔ)罐》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》、《GENRAL REQUIREMENTS FOR STORAGE TANKS》等，決定對(duì)該項(xiàng)目中所有儲(chǔ)罐采用帶支撐的底部結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)為：以工字鋼作為支撐梁，梁與梁之間通過連接板連接，使其形成一個(gè)整體框架，底板鋪設(shè)在框架之上，底板與支撐梁之間襯橡膠墊，底板采用對(duì)接的方式，底部結(jié)構(gòu)如圖2所示。底板厚度可以通過下式計(jì)算：

（1） 在負(fù)壓狀態(tài)下的底板厚度計(jì)算：

式中t——底板計(jì)算厚度/mm；

Di——儲(chǔ)罐內(nèi)徑/mm；

P0——真空壓力/MPa；

G——底板單位面積上重力/MPa；

S——安全系數(shù)，一般取1.1；

K——設(shè)計(jì)溫度下材料屈服強(qiáng)度/MPa。

（2） 在正壓狀態(tài)下的底板校核[3]：

式中tg——底板公稱厚度/mm；

b——相鄰或經(jīng)向支撐構(gòu)件之間的最大允許間距（中心至中心）/mm；

P——內(nèi)壓、液柱壓力（液壓和靜水壓二者取較大值）、底板單位面積上的重力三者之和/MPa；

Fy——底板材料規(guī)定的屈服強(qiáng)度/MPa；

CA——腐蝕裕量/mm；

d——底板中間跨度的最大計(jì)算撓度/mm；

Es——底板材料的彈性模量/MPa。

當(dāng)采用國(guó)產(chǎn)材料時(shí)，底板公稱厚度的確定還應(yīng)考慮鋼板負(fù)偏差。

（3） 支撐型鋼強(qiáng)度校核：

Scg=

式中Scg——壓應(yīng)力/MPa；

At——自型鋼頂面至腹板計(jì)算高度上邊緣的距離/mm。

考慮到支撐型鋼的使用情況，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，因此：

Scg≤Scaμ

式中Sca——許用壓應(yīng)力/MPa；

μ——強(qiáng)度折算系數(shù)[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述的罐頂結(jié)構(gòu)和罐底結(jié)構(gòu)均在上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)新建的巴斯夫項(xiàng)目中采用，筆者曾參與了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作。這些儲(chǔ)罐分別于2005年和2006年正式投入使用，至今運(yùn)行正常。從設(shè)計(jì)回訪來(lái)看，這些設(shè)備的使用情況良好，結(jié)構(gòu)都能滿足工程上的需要，達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1] 湛盧炳，孫晉坡，陳在康.大型貯罐設(shè)計(jì)[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，1986.125-132.

[2] GB 50341-2003，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] API 650-1998（含001，002），鋼制焊接石油儲(chǔ)罐[S].

[4] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] SH 3046-1992，石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Abstract:With increasing demand for large scale tanks storing kinds of media,traditional structural designs can not completely satisfy practical requirements,and some storage tanks can not completely be designed by traditional rules，and regulations are needed according to concrete circumstances.In this paper,the top and bottom structural designs of large scale storage tanks are illustrated together with some practical engineering projects.

Key words:large scale storage tank;top structure;bottom structure;design

（30）Top and Bottom Structural Design of Large Scale Storage Tank

WANG Ping（China Huanqiu Contracting&Engineering Corp.（Shanghai）,Shanghai 200032,China）

TE972

A

1001－2206（2011）02－0030－03

王萍（1957-），女，上海人，工程師，1977年畢業(yè)于上?；ぞ衷O(shè)計(jì)室技?；ぴO(shè)備專業(yè)，長(zhǎng)期從事化工非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。

2010-06-28；

2010-12-23