蒲弦

（中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川成都 610041）

大型立式圓筒形平底儲(chǔ)罐（下文簡(jiǎn)稱“大型儲(chǔ)罐”）廣泛用于油品和各種液體化學(xué)品等的存儲(chǔ)，如石化裝置的原料罐區(qū)、中間罐區(qū)、成品罐區(qū)等過程設(shè)備或大型商業(yè)罐區(qū)、大型石油儲(chǔ)備庫(kù)等儲(chǔ)存設(shè)備。儲(chǔ)罐的建造需考慮2個(gè)基本的原則，即安全可靠性和經(jīng)濟(jì)合理性。國(guó)內(nèi)外的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)日趨大型化，目前國(guó)內(nèi)最大的單一儲(chǔ)罐罐容已達(dá)到27萬m2，其建造的經(jīng)濟(jì)性和安全性愈加重要。充分了解儲(chǔ)罐的標(biāo)準(zhǔn)體系，掌握儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論對(duì)儲(chǔ)罐建造的經(jīng)濟(jì)性和安全性有著至關(guān)重要的作用。

大型儲(chǔ)罐的建造包含儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、選材、現(xiàn)場(chǎng)制作安裝、檢驗(yàn)、試驗(yàn)及驗(yàn)收等全過程。本文主要就大型儲(chǔ)罐的建造標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行分析與對(duì)比，對(duì)常見種類的大型儲(chǔ)罐的建造提供設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，主要包括：國(guó)內(nèi)外主要大型儲(chǔ)罐建造標(biāo)準(zhǔn)體系介紹，并針對(duì)相關(guān)儲(chǔ)罐建造標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、強(qiáng)度計(jì)算方法、材料許用應(yīng)力安全系數(shù)取值、最小厚度要求等方面進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)國(guó)內(nèi)大型儲(chǔ)罐建造標(biāo)準(zhǔn)的體系的建設(shè)提出建議，并對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選用提供參考[1]。

大型儲(chǔ)罐按其存儲(chǔ)介質(zhì)的壓力劃分為常壓儲(chǔ)罐、低壓或微內(nèi)壓儲(chǔ)罐；按溫度劃分為低溫儲(chǔ)罐（≤-40℃）、常溫儲(chǔ)罐（≤90℃）以及高溫儲(chǔ)罐（90℃～250℃）；按建造材質(zhì)劃分金屬儲(chǔ)罐和非金屬儲(chǔ)罐。目前國(guó)內(nèi)的大型儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)體系基本已經(jīng)涵蓋了上述各種類型儲(chǔ)罐的建造。本文主要就金屬儲(chǔ)罐的標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行對(duì)比分析。

1.國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

常壓儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)：GB 50341立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范以設(shè)計(jì)為主體，GB50128立式圓筒形焊接油罐施工及驗(yàn)收規(guī)范以施工為主體，構(gòu)成目前國(guó)內(nèi)大型儲(chǔ)罐的主流建造標(biāo)準(zhǔn)。SH3046石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范、SH/T3530石油化工立式圓筒形鋼制儲(chǔ)罐施工工藝標(biāo)準(zhǔn)等建造標(biāo)準(zhǔn)形成對(duì)國(guó)標(biāo)體系的補(bǔ)充，如不銹鋼儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)補(bǔ)充以及施工技術(shù)規(guī)定的補(bǔ)充等。

低壓儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)：SH/T3167鋼制焊接低壓儲(chǔ)罐和SY/T0608大型焊接低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造為國(guó)內(nèi)的低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。SY/T0608完全參照API620大型低壓焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造進(jìn)行編制，并加入了國(guó)內(nèi)的部分金屬材料的參數(shù)，在無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方面采用了國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。SH/T3167同時(shí)參照了API620和GB50341進(jìn)行編制，設(shè)計(jì)許用應(yīng)力較API620有所提高[2]。

低溫儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)：SY/T0608包含了低溫儲(chǔ)罐部分的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)要求。SH/T3537立式圓筒形低溫儲(chǔ)罐施工技術(shù)規(guī)程以低溫儲(chǔ)罐施工為主體的標(biāo)準(zhǔn)。

LNG儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 26978.1～GB/T 26978.5現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒形平底鋼制液化天然氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造為國(guó)內(nèi)液化天然氣儲(chǔ)罐的建造規(guī)范，是國(guó)內(nèi)LNG 儲(chǔ)罐的系列標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)主要參照EN14620，并結(jié)合國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐的建造實(shí)際情況編制而成。

大型儲(chǔ)罐的防腐技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB50393鋼質(zhì)石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了儲(chǔ)罐的詳細(xì)的防腐技術(shù)要求及施工要求。

大型儲(chǔ)罐的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：AQ3053立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐安全技術(shù)規(guī)范為應(yīng)急管理部安監(jiān)部門對(duì)化工設(shè)備中立式圓筒形焊接儲(chǔ)罐提出的最新建造要求。主要對(duì)大型儲(chǔ)罐提出了按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類進(jìn)行分級(jí)管理的規(guī)定。

同時(shí)國(guó)內(nèi)軍用標(biāo)準(zhǔn)體系中也有關(guān)于大型儲(chǔ)罐建造的技術(shù)規(guī)定，如GJB5758后方油料倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)大型覆土罐提出了具體建造規(guī)定。其中覆土罐的鋼制儲(chǔ)罐部分按GB50341標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作、檢驗(yàn)及驗(yàn)收。

2.國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)外大型儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)體系主要是歐美日標(biāo)準(zhǔn)體系，均包含了儲(chǔ)罐的整個(gè)建造過程，如材料、設(shè)計(jì)、焊接、檢驗(yàn)、試驗(yàn)、驗(yàn)收、運(yùn)行及后期維護(hù)、改造、維修等過程。國(guó)內(nèi)的儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)大都參照美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)體系和EN標(biāo)準(zhǔn)體系編制[3]。

國(guó)外的常壓儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó) API650鋼制焊接油罐、俄羅斯npaBHJIa儲(chǔ)罐技術(shù)運(yùn)行準(zhǔn)則、歐盟EN14015在室溫及高于室溫下液體儲(chǔ)存用平底、立式、圓柱形、現(xiàn)場(chǎng)建造的地面上可焊鋼罐的設(shè)計(jì)和制造規(guī)范，英國(guó)的BS2654石油工業(yè)立式鋼制焊接油罐及日本的 JIS8501鋼制焊接油罐結(jié)構(gòu)等。

國(guó)外的低壓或低溫儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)主要有API620大型低壓焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)與建造、EN14620現(xiàn)場(chǎng)組裝立式圓筒形平底鋼制操作溫度介于0℃～-165℃冷凍液化氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)與建造等，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外大型LNG等低溫儲(chǔ)罐的建造。EN14620的使用范圍更為廣泛，主要應(yīng)用于大型低溫儲(chǔ)罐，如單金屬壁單容罐、雙金屬壁單容罐或全容罐、預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐的建造。

API651、API652及API653標(biāo)準(zhǔn)也是API儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，既涵蓋了儲(chǔ)罐建造過程中的特殊考慮，也為用戶在儲(chǔ)罐的使用過程中的操作及維護(hù)提供幫助。并對(duì)儲(chǔ)罐運(yùn)行過程中的檢驗(yàn)，維修及重建提供指導(dǎo)性措施。

EN14015是歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)在結(jié)合BS和DIN標(biāo)準(zhǔn)中的大型儲(chǔ)罐基礎(chǔ)上編制而成，在石油、石化、食品和通用液體儲(chǔ)存等工業(yè)中廣泛應(yīng)用。EN14015具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通用性，其理論是基于設(shè)計(jì)許用應(yīng)力強(qiáng)度。

與儲(chǔ)罐相關(guān)的俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)為PД企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PД企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)借鑒和吸收了獨(dú)聯(lián)體跨國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GOST、獨(dú)聯(lián)體跨國(guó)規(guī)則PMΓ與ΠMΓ和俄羅斯聯(lián)邦國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GOST R等文件內(nèi)容，具有較強(qiáng)的權(quán)威性和先進(jìn)性。俄羅斯儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)最具代表性的為РД153-39.4-078干線石油管道和油庫(kù)的儲(chǔ)罐的技術(shù)運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)則和Правила儲(chǔ)罐技術(shù)運(yùn)營(yíng)規(guī)則等。

3.大型儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍

國(guó)內(nèi)外主要大型儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)適用范圍見表1。目前GB50341將壓力適用范圍擴(kuò)展與API650一致，溫度范圍略有區(qū)別。GB50341及API650的正文部分適用負(fù)壓為-0.25kPa，按附錄設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)壓可達(dá)-6.9kPa，在各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中負(fù)壓范圍最大。

表1 國(guó)內(nèi)外大型儲(chǔ)罐的溫度、壓力適用范圍

環(huán)境溫度所影響的最低設(shè)計(jì)溫度，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，其中國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)取值為最低日平均溫度加上13℃考慮，API及JIS按加8℃考慮，EN14015標(biāo)準(zhǔn)則按不同環(huán)境溫度范圍增加不同的數(shù)值，考慮更為細(xì)化。從材料類別看：GB50341標(biāo)準(zhǔn)仍未將不銹鋼材料列入標(biāo)準(zhǔn)，而API 650及API620基本涵蓋常用的儲(chǔ)罐用材料，如碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、鋁及鋁合金，同時(shí)列入了其他標(biāo)準(zhǔn)材料如ISO標(biāo)準(zhǔn)，EN標(biāo)準(zhǔn)以及加拿大CSA標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)SH3046和低壓儲(chǔ)罐 SH/T3167中列入了不銹鋼材料，設(shè)計(jì)時(shí)可作為補(bǔ)充和參考。

從適用的結(jié)構(gòu)形式看：常溫常壓儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式基本一致，而在EN14015標(biāo)準(zhǔn)中增加雙層平底的結(jié)構(gòu)。低溫或低壓儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)形式基本一樣。液化冷凍介質(zhì)儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)如 EN14620和GB/T26978則增加了混泥土構(gòu)件部分的技術(shù)要求，而API620標(biāo)準(zhǔn)中無此部分建造要求，故在大型低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)時(shí)，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)可互為參考使用，以確保大型儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的各種工況得到充分的考慮，保證儲(chǔ)罐建造的本質(zhì)安全性。國(guó)內(nèi)外主要的大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式見表2。

表2 國(guó)內(nèi)外主要的大型儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式

4.主要標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)比

由于儲(chǔ)罐的強(qiáng)度計(jì)算方法、焊接接頭系數(shù)以及材料的許用應(yīng)力都對(duì)大型儲(chǔ)罐的罐壁厚度計(jì)算影響較大，直接關(guān)系到儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。下述為國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)罐罐壁的計(jì)算方法和接頭系數(shù)的比較，見下表3。

表3 大型儲(chǔ)罐罐壁強(qiáng)度計(jì)算方法

我國(guó)和歐盟、日本常壓大型儲(chǔ)罐罐壁的計(jì)算都采用定點(diǎn)法，即“一英尺”法，盡管公式有些不同，但都是基于薄膜理論中環(huán)向應(yīng)力公式而得，其本質(zhì)是一樣的。美國(guó)的API650，提出3種方法，其中定點(diǎn)法與我國(guó)及歐盟的本質(zhì)一致；變點(diǎn)法對(duì)于直徑大于60m的大型儲(chǔ)罐有較好的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)，當(dāng)H/L大于1000/6時(shí)的儲(chǔ)罐，應(yīng)采用彈性應(yīng)力分析方法確定罐壁壁厚。API620、SH/T3167、SY/T0608均采用“自由體”法，自由體分析法是一種確定作用在儲(chǔ)罐壁上力的大小和方向的設(shè)計(jì)程序。在選擇的分析高度上，儲(chǔ)罐保持靜平衡，高于或低于選擇部分作為自由體考慮。

5.主要標(biāo)準(zhǔn)的材料許用應(yīng)力安全系數(shù)對(duì)比

確定材料的安全系數(shù)，也是影響大型儲(chǔ)罐安全和經(jīng)濟(jì)性的主要因數(shù)。下述表4為國(guó)內(nèi)外大型儲(chǔ)罐確定材料許用應(yīng)力安全系數(shù)的對(duì)比。

表4 大型儲(chǔ)罐材料確定許用應(yīng)力的安全系數(shù)取值

表5 GB50341、SH/T3167儲(chǔ)罐邊緣板最小厚度

對(duì)于高溫儲(chǔ)罐的材料，同時(shí)應(yīng)考慮材料力學(xué)性能的折減系數(shù)。

表6 API620、SY/T0608底板最小公稱厚度

表7 API 650底板邊緣板最小厚度

表8 EN14015: 底板最小公稱厚度

6.主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最小厚度要求對(duì)比

大型儲(chǔ)罐的各部件最小厚度要求，體現(xiàn)了各個(gè)體系對(duì)大型儲(chǔ)罐研究的發(fā)展歷程以及經(jīng)驗(yàn)積累，是保證儲(chǔ)罐安全性的重要因數(shù)。表5～表9為各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于最小厚度要求的對(duì)比。下表中均為碳鋼或低合金鋼材質(zhì)的數(shù)據(jù)。

表9 儲(chǔ)罐壁板最小厚度

我國(guó)大型儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)體系已經(jīng)形成一套相對(duì)完整的建造標(biāo)準(zhǔn)體系，但與國(guó)外的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)比較仍有需要進(jìn)一步完善的地方，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍上，介質(zhì)特性以及結(jié)構(gòu)形式上，除個(gè)別行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，目前我國(guó)國(guó)標(biāo)體系中還不能完全包含下述內(nèi)容，如高度極度危害性介質(zhì)、雙壁罐或雙層底板儲(chǔ)罐；我國(guó)儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)合理論和實(shí)際建造中，將設(shè)計(jì)公式經(jīng)驗(yàn)化，使用起來較為方便。

通過國(guó)內(nèi)外大型儲(chǔ)罐建造標(biāo)準(zhǔn)體系的對(duì)比分析，大型儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)應(yīng)選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)體系，是保證大型儲(chǔ)罐建造經(jīng)濟(jì)性和安全性的前提。通常，對(duì)于常溫常壓儲(chǔ)罐可采用GB50341、API650、EN14015等標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于儲(chǔ)罐直徑大于60m時(shí)，建議采用變點(diǎn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證儲(chǔ)罐建造的經(jīng)濟(jì)性；對(duì)于常溫低壓或低溫低壓儲(chǔ)罐可采用SH/T3167、SY/0608、API620、EN14620等標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于不銹鋼儲(chǔ)罐可以采用SH3046、SH/3167并可參考GB50341標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于低溫鋁制儲(chǔ)罐可采用API650附錄部分；對(duì)于大型LNG儲(chǔ)罐的建造可采用GB/T26978、EN14620、API620標(biāo)準(zhǔn)；采用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高度危害介質(zhì)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接、熱處理、無損檢測(cè)、試驗(yàn)等方面提出附加的技術(shù)要求，以確保儲(chǔ)罐的運(yùn)行本質(zhì)安全性。