蒲 弦 沈 結(jié) 中國成達工程有限公司 成都 610041

儲罐廣泛用于油品和各種液體化學(xué)品等的存儲，如石化裝置的原料罐區(qū)、中間罐區(qū)、成品罐區(qū)等的儲罐或大型商業(yè)罐區(qū)、大型石油儲備庫、LNG液化工程及大型LNG接收站等儲存設(shè)備。大型儲罐的建造需考慮兩個基本的原則，即安全可靠性和經(jīng)濟合理性。國內(nèi)外的儲罐設(shè)計日趨大型化，充分了解儲罐的種類以及結(jié)構(gòu)型式，掌握儲罐的設(shè)計基礎(chǔ)理論對儲罐建造的經(jīng)濟性和安全性有著至關(guān)重要的作用。

儲罐的結(jié)構(gòu)型式種類繁多，按安裝形式可分為立式儲罐或臥式儲罐等；按外形可分類圓筒形、球形、錐形、雙曲面型儲罐等。本文主要介紹建造于地面上的立式圓筒形平底儲罐(下文簡稱“儲罐”)。

1 按材質(zhì)分類

按儲罐的材質(zhì)分類，可分為金屬儲罐、非金屬儲罐和復(fù)合材料儲罐。

(1)常用的金屬類儲罐如碳鋼、不銹鋼、碳鋼與不銹鋼復(fù)合材質(zhì)、鋁材及鋁合金儲罐等。

(2)常用的非金屬儲罐如玻璃鋼(FRP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP) 儲罐等，通常用于容積較小且有耐腐蝕性要求的場合，且使用的溫度和壓力范圍相對金屬儲罐較小。

(3)常見的復(fù)合材料儲罐如鋼襯橡膠、鋼襯聚四氟乙烯、鋼襯樹脂類、預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐等，一般用于大型儲罐中有耐腐蝕性要求工況中，并具有較好的經(jīng)濟性。

2 按建造位置分類

按儲罐的建造位置劃分，有地上罐、半地下罐、地下罐。

(1)通常設(shè)計的儲罐為地上罐。

(2)地下罐主要指埋地罐(一般用于危險介質(zhì)的儲存，如 LNG 地下罐)，以及軍事用途的隱蔽設(shè)備，如覆土罐：主要用于軍用標準GJB5758的國家石油戰(zhàn)略儲備庫，建造時分外罐和內(nèi)罐，外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土保護層，內(nèi)罐為鋼制儲罐，建設(shè)完成后在外罐覆蓋土層及綠植，與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致，儲罐安裝位置為地下或半地下型式。

(3)半地下罐即一半埋地下，一半露出地面的儲罐，此類型儲罐的應(yīng)用相對較少。

3 按壓力和溫度分類

3.1 按壓力分類

按儲罐存儲介質(zhì)的壓力劃分，可分為下述幾種類型。

(1)常壓儲罐：一般指直接連通大氣或帶有微正壓的儲罐。按現(xiàn)行標準，內(nèi)壓應(yīng)小于18KPa，通常按GB50341、API650、EN14015等標準體系進行建造。

(2)低壓儲罐：通常指壓力小于0.1MPa的儲罐，可采用SH/T3167、SY/T0608、API620等標準體系進行建造。

(3)高壓儲罐：按EN14015標準，有高壓(≤6KPa)和超高壓(≤50KPa)儲罐的劃分，但壓力也小于0.1MPa；按API或GB標準體系，壓力高于0.1MPa的儲罐屬于壓力容器范疇，應(yīng)按壓力容器標準建造。

3.2 按溫度分類

按儲罐存儲介質(zhì)的溫度劃分，可分為下述幾種類型。

(1)低溫儲罐：設(shè)計溫度低于-40℃的儲罐為低溫儲罐，如液氨、LPG、LNG、液氮、液氧等液化介質(zhì)儲罐。通常采用SY/T0608、API620、EN14620等標準體系進行建造。

(2)常溫儲罐：設(shè)計溫度在‐40℃～90℃范圍內(nèi)的儲罐通常為常溫儲罐，儲罐標準對溫度的劃分不同于壓力容器中以‐20℃的劃分。

(3)高溫儲罐：設(shè)計溫度在 90℃～250℃范圍內(nèi)的儲罐為高溫儲罐。

(4)超高溫儲罐：設(shè)計溫度大于250℃以上的儲罐。在光熱發(fā)電工程中的熔鹽罐熱罐和冷罐均屬于超高溫儲罐范疇，其中熱熔鹽罐設(shè)計溫度已達到565℃，其罐體采用鋼襯耐熱磚結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)外已有廣泛的成功應(yīng)用案例。各罐型見圖1-3。

圖1 低溫LNG儲罐

圖2 高溫熔鹽罐

圖3 熔鹽罐熱罐

目前國內(nèi)設(shè)計的儲罐溫度范圍大都在常溫范圍。對于超出 90℃的儲罐，在設(shè)計中應(yīng)按 GB50341附錄C提出高溫工況下的技術(shù)要求；對于超高溫儲罐的設(shè)計，通常采用有限元分析進行儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 按結(jié)構(gòu)型式分類

儲罐的結(jié)構(gòu)型式可按罐頂型式、罐壁型式、罐底型式進行分類。

4.1 罐頂結(jié)構(gòu)型式

按罐頂支撐形式可分為固定頂儲罐和浮頂罐。

4.1.1 固定頂結(jié)構(gòu)型式

固定頂儲罐分為自支撐錐形頂、自支撐蝶形頂、自支撐橢圓形頂、自支撐無肋拱頂、自支撐帶肋拱頂、柱支撐錐頂、拱架頂、網(wǎng)殼頂?shù)榷喾N型式。詳見圖4-9。

圖4 錐頂罐

圖5 柱支撐錐頂罐

圖6 網(wǎng)殼拱頂

圖7 帶肋拱頂

圖8 拱架

圖9 固定頂+拱架+吊頂

罐頂型式的選擇主要取決于儲罐直徑的大小。錐頂罐通常在公稱容積 V<100m3或直徑D<5m 時采用無支柱型錐頂結(jié)構(gòu)，超出此范圍建議采用拱頂型式或柱支撐錐頂型式。對于較大直徑的錐形頂通常需采用型鋼作為罐頂加強構(gòu)件。柱支撐錐頂罐在API標準體系中使用較多，國內(nèi)應(yīng)用相對較少。無肋拱頂通常V<1000m3或D<12m時采用此結(jié)構(gòu)，帶肋拱頂一般用于V<25000m3或D<40m的儲罐。肋板與球殼皮焊接形成整體并對拱頂起加強作用，但肋板不得與罐壁直接連接。拱架頂通常用于罐頂結(jié)構(gòu)中需要承受較大的集中載荷或均布載荷的情況，如吊頂結(jié)構(gòu)。拱架通常有主梁和次梁組成的球面結(jié)構(gòu)，主梁由罐壁支撐，蒙皮與拱架采用不連接或部分連接結(jié)構(gòu)。這種罐頂結(jié)構(gòu)主要用于低溫絕熱儲罐中，如液氨儲罐、乙烯儲罐、丙烯儲罐、LPG、LNG儲罐的罐頂絕熱結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)殼頂是大型儲罐罐頂常用結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)架與蒙皮共同組成。通常蒙皮與網(wǎng)架無連接。承載由網(wǎng)架承擔，蒙皮起密閉作用。目前網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)型式也比較多，從最初采用的雙向子午線型網(wǎng)架到目前的凱威特型、肋環(huán)型、聯(lián)方型、施威德勒型、單層、雙層網(wǎng)架頂?shù)却笾?0多種結(jié)構(gòu)型式。由于國內(nèi)初期采用的雙向子午線型網(wǎng)架在施工或運行中出現(xiàn)過較大事故，國內(nèi)部分專家進行了分析論證后認為，雙向子午線型網(wǎng)架屬于四邊形結(jié)構(gòu)，其整體穩(wěn)定性不及由三角形組成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因此并不推薦采用雙向子午線型網(wǎng)架?，F(xiàn)在設(shè)計中采用較多的網(wǎng)架型式有凱威特型，聯(lián)方型網(wǎng)架等。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)通常用于D≤80m的儲罐。網(wǎng)殼頂?shù)脑O(shè)計通常應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、非線性，并采取有限元應(yīng)力分析進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如ANSYS、MSC、SAP2000、3D3S等國內(nèi)外分析軟件。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)詳見圖10-15。

圖10 凱威特型

圖11 施威德勒型

圖12 肋環(huán)型

圖13 聯(lián)方型

圖14 雙層網(wǎng)架

圖15 網(wǎng)殼施工中

4.1.2 浮頂結(jié)構(gòu)型式

浮頂罐分為外浮頂、內(nèi)浮頂罐。通常浮頂罐指外浮頂儲罐，多用于易揮發(fā)介質(zhì)的存儲，浮盤設(shè)置于介質(zhì)液面之上，以減少介質(zhì)的蒸發(fā)量。內(nèi)浮頂罐為固定頂儲罐內(nèi)設(shè)置內(nèi)浮盤的一種結(jié)構(gòu)型式。典型的浮頂罐結(jié)構(gòu)型式見圖16-18。

圖16 內(nèi)浮頂罐

圖17 雙層浮盤施工

圖18 外浮頂罐

浮盤型式有敞口隔艙式、浮筒式、單盤式浮頂、雙盤式浮頂?shù)?。單盤式浮頂周圍設(shè)環(huán)形密封艙，中間為單層盤板。雙盤式浮盤為整個浮頂均由隔艙組成。敞口隔艙式浮頂周圍設(shè)環(huán)形敞口隔艙，中間僅為單層盤板，僅用于內(nèi)浮盤。浮筒式浮盤的船板不與液體介質(zhì)接觸，由分布于船板下的浮筒提供浮力，僅用于內(nèi)浮盤。

對于外浮頂，通常在設(shè)計中應(yīng)考慮以下結(jié)構(gòu)，浮盤結(jié)構(gòu)的浮力提供系統(tǒng)、浮頂支柱、排水系統(tǒng)如正常的排水管以及緊急排水裝置、轉(zhuǎn)到浮梯及滑軌、自動通氣裝置、浮盤的導(dǎo)向及限位裝置、浮盤的密封系統(tǒng)、浮盤刮蠟裝置、浮盤的導(dǎo)靜電裝置、浮盤人孔等。

對于內(nèi)浮頂，通常在設(shè)計中應(yīng)考慮下述結(jié)構(gòu)，浮盤結(jié)構(gòu)的浮力提供系統(tǒng)、浮頂支柱、自動通氣裝置、浮盤的導(dǎo)向及限位裝置、浮盤的密封系統(tǒng)、浮盤人孔等。

4.2 罐壁結(jié)構(gòu)型式

按罐壁的結(jié)構(gòu)型式劃分，儲罐可以分為單壁罐、雙壁罐、三壁罐、薄膜罐等。單壁罐一般用于常溫介質(zhì)的儲存，也是最常見的、用途最為廣泛的儲罐結(jié)構(gòu)型式；雙壁罐多用于低溫介質(zhì)或液化冷凍介質(zhì)的存儲；三壁罐通常指三金屬壁儲罐，同雙金屬壁儲罐的主要用途一致，多用于LNG等低溫介質(zhì)的存儲。

在低溫罐型中，如液化冷凍介質(zhì)儲罐，按EN14620以及 GB/T26978的劃分可分為單容罐或單防罐、雙容罐或雙防罐、全容罐或全防罐以及薄膜罐。有金屬結(jié)構(gòu)型式，也有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)型式。預(yù)應(yīng)力混泥土罐也屬于雙壁罐的一種特殊結(jié)構(gòu)，外罐采用預(yù)應(yīng)力混泥土結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐采用金屬材質(zhì)。而薄膜罐也屬于復(fù)合罐壁的一種特殊結(jié)構(gòu)，罐壁由預(yù)應(yīng)力混泥土作為承壓環(huán)墻，內(nèi)壁由絕熱材質(zhì)和薄膜隔離層組成，是LNG儲罐的新型結(jié)構(gòu)型式。

(1)單容罐由一個儲存液體產(chǎn)品的主容罐組成，主容罐為自支撐式鋼制圓筒形儲罐。常用的單容罐有單壁單容罐、雙壁單容罐。單壁單容罐即外殼能同時承受低溫液相以及氣相，罐主體材料應(yīng)為低溫材料建造；雙壁單容罐由主容罐(內(nèi)罐)和次容罐(外罐)組成。內(nèi)罐能同時承受氣液兩相，而外罐僅能滿足氣相密閉。內(nèi)罐采用低溫材料，外罐可為常溫材料建造。單容罐的圍堰需滿足當主容罐中液體泄漏后的全部儲存能力，因此圍堰設(shè)置的距離需滿足罐體介質(zhì)容積要求，通常所需占地面積較大。對于平面布置較緊張的裝置，不建議采用此罐型。單容罐結(jié)構(gòu)詳見圖19-20。

圖19 單金屬壁單容罐

圖20 雙金屬壁單容罐

(2)雙容罐由一個具有液密性和氣密性的主容罐和液密性的次容罐組成。從定義上知，此類儲罐一般為雙壁型結(jié)構(gòu)。與單壁單容罐的區(qū)別在于，外罐體可以短時存儲液相介質(zhì)，但不能存儲氣相介質(zhì)，外罐屬于上端敞口的儲罐。雙容罐的圍堰即為主容罐外緊靠的次容罐，可為金屬型，也可謂混泥土型結(jié)構(gòu)，主要滿足主容罐內(nèi)泄漏的液相介質(zhì)存儲即可。雙容罐結(jié)構(gòu)詳見圖21-22。

圖21 金屬雙容罐

(3)全容罐由一個主容罐和一個次容罐組成。主容罐是儲存液體產(chǎn)品的自支撐式、鋼制、單壁罐。次容罐或外罐能同時滿足液體和氣體介質(zhì)的儲存。全容罐主要分為雙金屬壁全容罐、三金屬壁全容罐和預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐。三金屬壁全容罐由主容罐、次容罐和外罐組成，主容罐和次容罐均為低溫材料，外罐為常溫材料。全容罐的圍堰變成了罐體的一部分即外罐體，既可以滿足液相的儲存，也滿足氣相的密封。即使內(nèi)罐泄漏，也不會對外罐造成較大的損傷，并滿足短時內(nèi)的儲存要求。即不會造成二次災(zāi)害的發(fā)生。全容罐結(jié)構(gòu)型式詳見圖23-25。

圖22 混凝土雙容罐

圖23 雙金屬壁全容罐

圖24 三金屬壁全容罐

圖25 混凝土全容罐

(4)薄膜罐由一個薄的鋼制主容罐(薄膜)、絕熱層和一個混泥土罐共同組成。主容罐通常為1.2mm 左右的不銹鋼薄膜組成，次容罐(外罐體)采用預(yù)應(yīng)力混泥土結(jié)構(gòu)。主容罐與次容罐之間采用絕熱材料將兩罐體連接形成一個整體結(jié)構(gòu)。其余外罐體的結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混泥土全容罐結(jié)構(gòu)類似。薄膜罐結(jié)構(gòu)詳見圖26-27。

圖26 薄膜罐

圖27 薄膜罐結(jié)構(gòu)示意圖

(5)低溫工程中的子母罐型也通常用作低溫介質(zhì)的存儲。其結(jié)構(gòu)型式為大型外罐內(nèi)包含多個獨立的小型儲罐。

上述低溫罐型的保冷絕熱設(shè)計是保證儲罐存儲性能的重要因素。單金屬壁單容罐的罐壁和罐底絕熱層均在儲罐外，罐壁同一般設(shè)備的外部保冷結(jié)構(gòu)，罐底則采用低溫混凝土和泡沫玻璃磚的絕熱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。多層罐壁儲罐如雙金屬壁、三金屬壁、預(yù)應(yīng)力混凝土罐其內(nèi)部保冷絕熱結(jié)構(gòu)基本一致，均采用內(nèi)保冷結(jié)構(gòu)型式。罐壁部分采用彈性氈與膨脹珍珠巖的絕熱層，罐底采用泡沫玻璃磚絕熱層。罐底與罐壁的連接部位根據(jù)罐型考慮是否設(shè)置熱角保護系統(tǒng)。預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐底部結(jié)構(gòu)考慮二次底板與熱角保護系統(tǒng)形成一層二次隔離層，對外罐起到雙重隔離保護作用。而三金屬壁儲罐的中間罐層即次容罐也具有獨立的底板結(jié)構(gòu)，其作用與預(yù)應(yīng)力混凝土二次底板和熱角保護系統(tǒng)一致。薄膜罐的絕熱層和與介質(zhì)接觸的隔離層直接于外罐體形成整體復(fù)合結(jié)構(gòu)，外罐預(yù)應(yīng)力混凝土作為承載結(jié)構(gòu)，中間的絕熱層起到保冷作用，內(nèi)部隔離層作為介質(zhì)存儲容器。其結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)充分考慮環(huán)向、徑向、縱向的三維立體熱膨脹即熱應(yīng)力問題。上述低溫罐型的罐頂絕熱結(jié)構(gòu)均采用吊頂與纖維棉氈結(jié)構(gòu)；儲罐的基礎(chǔ)通常采用高樁承臺結(jié)構(gòu)。絕熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計需最終滿足儲罐存儲介質(zhì)的日蒸發(fā)率相關(guān)要求。典型的低溫罐絕熱結(jié)構(gòu)詳見圖28-29。

圖28 三金屬壁全容罐底部保冷結(jié)構(gòu)

圖29 16萬方預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐保冷結(jié)構(gòu)

大型低溫金屬壁儲罐、預(yù)應(yīng)力混凝土儲罐、薄膜罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，除按標準規(guī)定程序進行常規(guī)計算外，還應(yīng)輔以有限元應(yīng)力分析對整體結(jié)構(gòu)的溫度場熱應(yīng)力、地震動載頻譜分析和響應(yīng)分析、爆炸沖擊載荷分析、不同泄漏工況等進行驗證性分析。

(6)在罐壁的結(jié)構(gòu)型式中，還有一種罐壁為分段可升降的特殊結(jié)構(gòu)型式，如國內(nèi)常用的氣柜結(jié)構(gòu)，其主要作用是將壓力不穩(wěn)定的氣源存儲在氣柜中，通過一定的配重和氣柜鐘罩的升降來保證輸出氣體的壓力穩(wěn)定性。國內(nèi)標準體系的氣柜容積從50m3到100000m3。氣柜分為干式氣柜和濕式氣柜。

干式氣柜分為稀油密封氣柜、干油密封氣柜、布簾式氣柜如橡膠密封干式氣柜等，廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)，用于煤氣的存儲、煉鋼廢氣的存儲及循環(huán)利用，其結(jié)構(gòu)見圖30-32。

圖30 干式氣柜結(jié)構(gòu)圖

圖31 橡膠密封干式氣柜

圖32 稀油密封多邊形干式氣柜結(jié)構(gòu)圖

濕式氣柜分為無外導(dǎo)架直升式氣柜、有外導(dǎo)架直升式氣柜、螺旋氣柜、單節(jié)氣柜和多節(jié)氣柜，多用于石化行業(yè)、市政燃氣、生化工程各裝置中，起到儲存、穩(wěn)壓、緩沖、混合等功用，如化工行業(yè)中常見的乙炔氣柜、氯乙烯氣柜等，其結(jié)構(gòu)見圖33。

圖33 有外導(dǎo)架濕式氣柜

4.3 罐底結(jié)構(gòu)型式

按罐底結(jié)構(gòu)型式劃分，可分為單層罐底儲罐和多層罐底儲罐。GB50341標準和API650標準體系均為單層罐底結(jié)構(gòu)，EN14015標準中除單層罐底結(jié)構(gòu)外還有雙層罐底結(jié)構(gòu)的設(shè)計。雙層罐底結(jié)構(gòu)不同于低溫罐型的二次底板結(jié)構(gòu)，其實質(zhì)是單層罐底的結(jié)構(gòu)加強。

4.4 錨固結(jié)構(gòu)型式

按儲罐的固定型式劃分，可分為錨固儲罐和無錨固儲罐。錨固罐分為地腳螺栓錨固罐和錨固帶儲罐。無錨固罐為經(jīng)風載荷和地震載荷的設(shè)計計算后可以自身穩(wěn)定的儲罐，可以不設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

通過上述儲罐結(jié)構(gòu)型式的分析匯總，對國內(nèi)外儲罐結(jié)構(gòu)進行較全面的了解和認識，有助于各類儲罐的設(shè)計與選型。在儲罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常見的儲罐結(jié)構(gòu)及其部件可以通過標準規(guī)范進行設(shè)計計算，但對于拱架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、大型低溫儲罐等,還應(yīng)采取有限元應(yīng)力分析進行結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、非線性、熱應(yīng)力、動力響應(yīng)等分析，確保儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計的本質(zhì)安全性。