于勝栓

中國昆侖工程公司，北京100037

常壓立式圓筒形儲罐抗震設(shè)計計算標(biāo)準(zhǔn)對比

于勝栓

中國昆侖工程公司，北京100037

探討了現(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于常壓立式圓筒形儲罐抗震設(shè)計的GB 50341-2014、GB 50761-2012和SH 3048-1999三個標(biāo)準(zhǔn)，分別介紹了其適用范圍和儲罐抗震計算方法，其中計算方法涉及了罐液耦連振動基本周期、水平地震剪力、地震彎矩、最大軸向壓應(yīng)力和穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力。通過對比發(fā)現(xiàn)，三個標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍相差不大，計算方法有一定的差別，尤其是穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力的計算方法差別最大。分別利用三個標(biāo)準(zhǔn)的計算方法對10 000 m3儲罐實例進(jìn)行抗震計算，計算結(jié)果相差較大，尤其是儲罐穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力的大小，導(dǎo)致根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計得到的安全性不一致，最后對抗震設(shè)計計算提出了建議。

儲罐；GB 50341；GB 50761；SH 3048；抗震設(shè)計

立式圓筒形儲罐是石油化工行業(yè)的一種重要存儲設(shè)備，考慮到石油化工裝置的規(guī)模越來越大，儲罐的大型化發(fā)展已經(jīng)是必然趨勢[1-2]。大型儲罐一旦在地震中遭受破壞，必將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，故其抗震研究越來越受到工程界關(guān)注[3-4]?，F(xiàn)行國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于常壓立式圓筒形儲罐抗震設(shè)計的規(guī)范主要有GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》、GB 50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》及SH 3048-1999《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》。雖然上述三個規(guī)范在適用范圍以及計算方法上有一定的共性，但是計算的結(jié)果卻存在差異，有時甚至差異很大[5-6]。本文針對常壓立式圓筒形儲罐的抗震設(shè)計，對比分析上述三個規(guī)范存在的不同點，并以實例進(jìn)行驗證，提出相關(guān)的建議。

1　各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適用范圍及區(qū)別

1.1GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范》[7]

該規(guī)范為我國國家標(biāo)準(zhǔn)，適用于儲存石油、石化產(chǎn)品及其他類似液體的常壓和接近常壓立式圓筒形鋼制焊接油罐的設(shè)計，其中規(guī)定油罐抗震計算適用于罐壁高度與罐直徑比（以下簡稱高徑比）≤1.6，且容積≥100 m3的常壓立式圓筒形鋼制油罐的抗震計算，適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的油罐抗震設(shè)計，其中設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備也必須進(jìn)行抗震設(shè)計。

1.2GB 50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》[8]

該規(guī)范為我國國家標(biāo)準(zhǔn)，適用于常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐的設(shè)計，其中規(guī)定適用于高徑比≤1.5，且容積≥100 m3的常壓立式圓筒形鋼制平底儲罐的抗震計算，不適用于儲液上表面與頂蓋之間空間小于儲罐容積4%的固定頂蓋儲罐，適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的儲罐抗震設(shè)計，其中設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備也必須進(jìn)行抗震設(shè)計。

1.3SH 3048-1999《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》[9]

該規(guī)范為石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于常壓立式圓筒形鋼制焊接儲罐的設(shè)計，其中規(guī)定適用于高徑比≤1.6，且容積≥100 m3的常壓立式圓筒形鋼制平底儲罐的抗震計算，不適用于儲液上表面與頂蓋之間空間小于儲罐容積4%的固定頂蓋儲罐；適用于抗震設(shè)防烈度為6～9度地區(qū)的儲罐抗震設(shè)計，其中設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備可不進(jìn)行抗震驗算，但應(yīng)采取抗震構(gòu)造措施。

1.4三個標(biāo)準(zhǔn)適用范圍差別

從以上對比可以看出，三個標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍基本相同，高徑比取值范圍稍有不同。另外SH 3048-1999規(guī)定設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備可不進(jìn)行抗震驗算，但應(yīng)采取抗震構(gòu)造措施，但GB 50341-2014和GB 50761-2012要求設(shè)防烈度為6度地區(qū)的設(shè)備必須進(jìn)行抗震設(shè)計。

2　儲罐抗震計算方法對比

2.1罐液耦連振動基本周期

三個標(biāo)準(zhǔn)的罐液耦連振動基本周期公式對比見表1，從表1中可以看出GB 50341-2014和GB 50761-2012的公式相同，而SH 3048-1999的公式與前兩個標(biāo)準(zhǔn)的公式不同。

表1　罐液耦連振動基本周期公式對比

2.2水平地震剪力

三個標(biāo)準(zhǔn)的水平地震剪力公式對比見表2，從表2中可以看出三個標(biāo)準(zhǔn)在公式的表達(dá)上稍有不同，其中GB 50341-2014和SH 3048-1999的計算式中有地震綜合影響系數(shù)（Cz或kz），而GB 50341-2014和GB 50761-2012的計算式中有罐體影響系數(shù)Y1或設(shè)備重要度系數(shù)η。

表2　水平地震剪力公式對比

2.3地震彎矩

三個標(biāo)準(zhǔn)的地震彎矩公式對比見表3，從表3中可以看出GB 50341-2014和SH 3048-1999的公式是完全相同的，而GB 50761-2012的計算式中有地震綜合影響系數(shù)Re。結(jié)合上述“2.2水平地震剪力”內(nèi)容可知GB 50341-2014和SH 3048-1999將地震綜合影響系數(shù)放在水平地震剪力公式中，而標(biāo)準(zhǔn)GB 50761-2012將系數(shù)放在地震彎矩公式中。無論是將系數(shù)放在水平地震剪力中還是放在地震彎矩中，對于彎矩的計算，其主體思想是一致的。

表3　地震彎矩公式對比

2.4最大軸向壓應(yīng)力

三個標(biāo)準(zhǔn)的最大軸向壓應(yīng)力計算公式見表4，從表4中可以看出GB 50761-2012和SH 3048-1999兩個標(biāo)準(zhǔn)的軸向壓應(yīng)力計算式是相同的，而GB 50341-2014與前述兩個標(biāo)準(zhǔn)不同，增加了相應(yīng)的系數(shù)。

表4　最大軸向壓應(yīng)力公式對比

2.5穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力

三個標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力公式見表5，從表中可以看出GB 50761-2012和SH3048-1999兩個標(biāo)準(zhǔn)的計算式是相同的，而GB 50341-2014與前兩個標(biāo)準(zhǔn)不同，差別較大。

表5　穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力公式對比

從以上三個標(biāo)準(zhǔn)的對比中可以看出，其抗震計算方法略有不同，這也導(dǎo)致應(yīng)用不同的標(biāo)準(zhǔn)對同一臺儲罐進(jìn)行抗震計算，其計算結(jié)果的安全性不同。

3　實例驗證

以10 000 m3儲罐為例，根據(jù)三個標(biāo)準(zhǔn)分別對其進(jìn)行抗震計算，地震設(shè)防烈度按7度算，設(shè)計基本加速度0.1 g，儲罐直徑31 m，直邊段高度14.5 m，儲罐示意如圖1所示。

圖1　10000 m3儲罐示意

根據(jù)GB 50341-2014、GB 50761-2012和SH 3048-1999標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，計算結(jié)果見表6。

表6　10000 m3儲罐抗震計算結(jié)果對比

從表6可以看出，采用三個標(biāo)準(zhǔn)對10 000 m3儲罐進(jìn)行的抗震計算結(jié)果不同?？傮w來說，最大軸向壓應(yīng)力相差不大，分別為1.95、1.89、1.77 MPa，但因為穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力計算公式差別很大，導(dǎo)致許用應(yīng)力的計算結(jié)果有差別，分別為2.98、1.11、1.01 MPa，因而導(dǎo)致計算結(jié)果的安全性不同，對于GB 50341-2014最大軸向壓應(yīng)力小于穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力，該儲罐的抗震設(shè)計是滿足要求的，對于GB 50761-2012和SH 3048-1999，最大軸向壓應(yīng)力大于穩(wěn)定許用臨界應(yīng)力，該儲罐的抗震設(shè)計不滿足要求。這就出現(xiàn)了針對同一臺儲罐，采用不同的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計，得到的安全性是不一致的。

4　結(jié)束語

通過對三個儲罐標(biāo)準(zhǔn)適用范圍和計算公式的對比及實例計算，可以得出：三個儲罐標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍相差不大，計算公式有一定差別，導(dǎo)致儲罐抗震設(shè)計的結(jié)果不同，得到的安全性也不一致。目前儲罐的抗震標(biāo)準(zhǔn)已有三個甚至更多正在實行，這就導(dǎo)致在儲罐抗震計算中如何選擇標(biāo)準(zhǔn)成為難題。選用不同的標(biāo)準(zhǔn)可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果，抗震設(shè)計得到的安全性不同。因而設(shè)計人員在進(jìn)行儲罐抗震計算時，要從多方面考慮，保證儲罐的安全。另外，也建議國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部門能夠結(jié)合實際情況，盡量統(tǒng)一同類型的標(biāo)準(zhǔn)，避免類似不一致的情況出現(xiàn)。

[1]石油和化工工程設(shè)計工作手冊編委會.化工裝置工程設(shè)計[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2010.

[2]于清，王一軍，許躍新，等.大型儲罐設(shè)計技術(shù)的發(fā)展[J].新疆石油天然氣，2006，18（4）：73-93.

[3]蔣國輝，張曉明，閆春暉，等.國內(nèi)外儲罐事故案例及儲罐標(biāo)準(zhǔn)修改建議[J].油氣儲運，2013，32（6）：633-637.

[4]張如林，程旭東，管友海.大型儲罐抗震研究現(xiàn)狀和發(fā)展綜述[J].四川建筑科學(xué)研究，2015，41（1）：205-209.

[5]林衡.儲罐抗震計算的討論[J].化工設(shè)備與管道，2002，39（6）：16-18.

[6]張瑞松.常壓立式圓筒形儲罐抗震設(shè)計探討[J].化工設(shè)計，2012，22（6）：37-39.

[7]GB 50341-2014，立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].

[8]GB 50761-2012，石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[9]SH 3048-1999，石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范[S].

Comparative Analysis of Aseismic Design Standards of Vertical Cylindrical Storage Tanks with NormalPressure

YU Shengshuan
China Kunlun Contracting&Engineering Corporation，Beijing 100037，China

The current national and industrial standards GB 50341-2014，GB 50761-2012 and SH 3048-1999 about aseismic design of vertical cylindrical storage tanks with normal pressure are discussed.Their application scopes and calculation methods are introduced.The calculation methods include the tank-liquid coupling vibration fundamental period，the horizontal seismic shear force，the seismic bending moment，the maximum axial compressive stress and the stable allowable criticalstress.The analysis shows that the application scopes of the three standards are basically same，but their calculation methods are different to a certain extent，in which the stable allowable critical stress calculation method has the maximum difference.The aseismic calculations of a 10 000 m3storage tank according to these three standards are performed and the results are different.Especially due to the discrapancy of critical allowable stresses，it results in different safety degrees of the tank according to the different standards of aseismic design.Finally，the advice of aseismic design calculation is given.

storage tank；GB 50341；GB 50761；SH 3048；aseismic design

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.05.011

于勝栓（1984-），男，河北唐山人，工程師，2010年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院化工過程機(jī)械專業(yè)，碩士，主要從事壓力容器設(shè)計研發(fā)工作及機(jī)械設(shè)備設(shè)計選型研發(fā)工作。

Email：shengshuan-ren@163.com

2016-01-29